我们是如何知道太阳发光原理的呢？ 第1页

一步一步来，有空再多写点细节。

1. 测定地球周长

古希腊时的天文学家已经知道地球是圆形了。亚里士多德给出了三项主要的证据：

a. 越向北走，北极星越高，越向南走北极星越低，还能在南方看到一些以前看不到的星。

b. 海上驶来的帆船，最先看到桅杆尖，近一点逐渐能看到船身，最终能看到整个的船。

c. 月食时遮挡月亮的影子边缘是圆形。

埃及的阿斯旺有口很深的枯井，每年夏至的中午太阳会照到井底，说明这时太阳在阿斯旺当地的天顶正中。这口井当时就是个著名的旅游景点。

埃拉托色尼在阿斯旺北边的亚历山大港竖了一根直杆，在夏至这天测量影子长度，计算出亚历山大港的太阳倾斜角大约7度多一点。亚历山大港到阿斯旺的距离是800多公里，因此地球的周长就是800*(360/7)=40000公里左右。

埃拉托色尼当时计算出地球周长为25万斯台地亚，现代人考证的结果，从38000公里到46000公里不等，总之在当时已经是相当精确的结果了。与秦始皇统一中国差不多同时。

可惜后来埃拉托色尼的结果被遗忘了，再之后的测量都偏小，比如哥伦布的航海资料上地球周长大约是18000公里。哥伦布至死都认为他到达的是亚洲的东部边缘，因为从里程上看就是如此。

2. 日地距离

月球从初亏到食既时，走过的距离是一个月球的直径；从初亏到生光时则走过了一个地影的直径。比埃拉托色尼晚几十年的依巴谷观测月全食时发现，如果月全食的角度很正，那么这两者的时间之比是1:3，因此月球直径是地球的1/3(实际是1/4多一点)。他的错误在于，虽然太阳离地球很远，但不是无穷远，太阳光在这里不能作平行光考虑，因此在月球轨道处的地影宽度不等于地球直径，而是比地球直径细一些。

依巴谷还算出月地距离是地球半径的60.5倍(实际是60.3倍)，太阳直径是地球的12倍(实际是109倍), 日地距离是地球半径的2500倍(实际是23500倍). 依巴谷用到的几何原理没有问题, 主要是他的观测精度有限.

ps. 三角函数一般认为也是依巴谷发明的，发明三角函数的目的就是作天文计算。

更精确的日地距离可以用金星凌日法来计算, 所谓凌日就是水星或金星在太阳前面经过, 会看到太阳上有个小黑点。原理稍微复杂些, 不过有中学几何知识就能看懂. 根据1769年金星凌日的观测数据, 法国天文学家

计算出日地距离为1.53亿公里(现在的数据是1.496亿公里).

3. 太阳大小和体积

有了日地距离很容易计算. 太阳的视角大概0.53度, 因此太阳直径为

，体积为。

4. 地球质量

卡文迪许用扭秤实验测得了万有引力常数，不用介绍了吧？进一步得到了地球质量大约为。

5. 太阳质量

根据开普勒的行星运动定律可以算出太阳质量。行星运动周期可以表示为：

，其中是轨道周期，a是轨道半长轴，G是万有引力常数，M是太阳质量。现在除了太阳质量之外的数据都有了，可以算出太阳质量是。

6. 太阳常数

根据单位面积上的太阳光强度可以计算出太阳辐射的总能量。最简单的办法就是用太阳能加热水，测量水的温度变化。1837年左右测得的太阳常数是现在的一半左右，因为没有考虑空气对太阳辐射的吸收。1902年左右

测得的数值是，已经和现在的值很接近了。前面有日地距离为1.5亿公里，因此以日地距离为半径的大球总表面积为，再乘以太阳常数，可得太阳辐射的总功率为。

7. 如果是化学能，太阳能维持多久？

前面有太阳质量是，假设太阳全部由煤组成，煤的燃烧热按计算，这些煤的总燃烧热为，不考虑氧气之类。除以前面的太阳辐射功率，可得这样的能量输出强度能维持，也就是大约5200年。如果是其他形式的化学能，数量级也不会差多少。

8. 地球的年龄

以前人们长期认为地球年龄只有几千年, 比如牛顿曾经根据圣经计算出地球年龄有6000年多一点, 和牛顿差不多同时代的爱尔兰首席主教詹姆斯 · 乌瑟甚至精确算出上帝创造世界是在公元前4004年. 后来对地质学、古生物学的研究逐渐指出, 地球的历史远远不止几千年, 上万年, 至少也有几百万年到几亿年. 这就和前面太阳靠化学能只能发光发热几千年的结果相矛盾.

****** 本段感谢

的指正 ******

放射性元素的衰变则为地球年龄的测量给出了可行的方法. 有些矿物比如锆石，晶体结构决定了它在形成过程中会有少量的铀混入，而铅是不会混进来的。而铀会衰变成铅，因此这些矿物中微量的铅应该完全是铀衰变的产物，精确测量铀和铅的比例就能得到矿物所在岩石形成的时间。居里夫人的年代已经初步知道地球年龄至少有几亿年。1953年, 克莱尔·帕特森用质谱法精确测量陨石中的铀/铅同位素含量, 得到地球年龄为45.5+/-0.7亿年。因此，太阳的能量不可能是由化学能提供的，除了核能没有其他的解释。

顺便说一下，帕特森是位大英雄。他发现到处都有铅，给实验带来很大误差，于是他发明了超净室。然后他到世界各处采样化验，发现地球上哪里都有铅，但深海里的铅比浅海里少很多，说明铅可能是比较晚近时才扩散到全球的。再到格陵兰、南极等地的冰层钻探，检测结果显示冰芯里的铅基本是从工业革命开始才有的，从1923年开始大幅度增加。原因很明显，作为汽油添加剂的四乙基铅是1923年发明的。

这时帕特森有大麻烦了，作为地质学家，科研经费都是石油公司们赞助的。四乙基铅的事曝光以后，他的经费全被砍了。帕特森又和石油巨头们斗争了几十年，终于成功废止了四乙基铅。

9. 太阳的产能途径

根据对太阳光谱的分析，太阳表面成分主要是氢和氦，还有很少数的其他元素。事实上全宇宙差不多都是这个比例，75%的氢，25%的氦，极少量其他元素。也就是说，太阳的能量要么是从氢，要么是从氦来的。1930年前后，爱丁顿、伽莫夫等人提出了太阳的核聚变模型。当时的科学家们提出了两条可能的反应途径：

a. 两个质子先碰在一起，经过一段时间，其中一个质子衰变成中子，放出一个正电子和一个电子中微子，于是形成一个氘核。氘核再和一个质子碰在一起形成一个氦3核。

然后有三种可能的路径：pp1. 两个氦3核碰一起，变成一个氦4核，再放出两个多余的质子。

pp2. 一个氦3核碰到一个氦4核，变成一个铍7核，铍7核与一个电子再碰一起变成一个锂7核和一个电子中微子，锂7核再碰到一个质子，变成两个氦4核

pp3. 铍7核直接与一个质子碰一起，变成一个硼8核，硼8核衰变成一个铍8核，并放出一个正电子和一个电子中微子。然后铍8核分裂成两个氦4核。

所有三个途径最终的结果是一样的，四个质子聚变成一个氦4核，放出两个正电子和两个电子中微子。pp3在太阳的能量来源里只占千分之一，但它非常重要，因为pp3过程中放出的电子中微子能量很高，因此比较容易被检测到。

b. 碳12碰到质子，依次变成氮13、衰变成碳13、再碰质子变氮14、再碰质子变氧15、衰变成氮15、再碰质子变成碳12加氦4。这个过程叫碳氮氧循环，总的反应一样是四个质子聚变成一个氦4核，放出两个正电子和两个电子中微子。碳氮氧循环在太阳上比较不重要，越大的恒星则碳氮氧循环的比例越高。

以上的反应途径是科学家们经过大量的计算和仿真得到的，可不是一拍脑门瞎编的。下面就说如何验证。核反应中释放的能量大部分以高能光子的形式释放，极小部分则由中微子带走。高能光子在致密的太阳核心区域会不断地被吸收再释放，再吸收再释放，需要几百万年才能到达太阳表面，能量不断降低，最终变成我们看到的太阳光。

但是中微子则很难与物质发生相互作用，会直接穿出太阳，要几光年厚的铅才能把中微子挡住，因此我们可以直接检测到太阳核心释放的中微子。

某些原子核，比如氯37，有稍微大一点的概率与pp3反应途径的高能中微子反应，生成氩37和一个电子。用含大量氯的液体就可以捕捉到几个中微子。60年代按这个原理在美国建立了一个探测器，用了几百吨四氯乙烯，结果探测到的中微子只有理论计算值的1/3左右。

可能的解释有两个，要么太阳内部核反应的模型是错的，要么太阳核心产生的电子中微子在来到地球的半路上发生了振荡，变成了另外两种，子中微子和子中微子。

1999年在加拿大的萨德伯里建成了另一个中微子探测器，能探测到全部三种中微子，这三种中微子的总数加起来与太阳内部模型的计算值，完，全，符，合。

萨德伯里的主任因此获得了今年的诺贝尔物理学奖。

如果题主还想知道得更具体些，随便找本天体物理方面的书，里面都会有。