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【太阳的年龄】我们怎么知道太阳的寿命是多少呢?是通过物理公式计算出的吗?

问:如何通过经典物理学计算太阳的年龄?估计约100亿年,这是计算出来的吗?

答:这有点超出经典物理学,但可以用非常简单的计算来估算太阳的寿命。

首先,目前太阳的年龄约为50亿年,这个数字是通过对太阳系中的天体进行放射性测定年代而确定的,这些天体是已知与太阳大约在同一时间内形成。

在太阳变成红巨星之前的太阳寿命总年数约为100亿年,这意味着太阳还能持续燃烧50亿年。这可以通过假设当太阳耗尽使其保持明亮的能量之后会“死亡”来计算出。即太阳的寿命是等于太阳的可以转化成光能的总能量除以太阳释放出能量的速率,公式如下:

寿命 = 总能量 / 释放出能量的速率

太阳释放出能量(光度)的速率大约是3.8 x 10^26瓦(也就是38后面有25个0瓦——相当于非常非常多的电灯泡)。这个数字可以通过测量太阳出现在地球上的亮度以及它与我们的距离来确定。

需要一些额外的知识(例如核物理学)来理解太阳消耗的总能量。我们知道,太阳之所以能释放出光和热是通过其核心的核反应:把四个氢原子聚变成一个氦原子。从元素周期表上可以看到,一个氦原子的质量要略微小于四个氢原子的质量总和,计算可知大约有0.7%的原始质量已经“消失”。而这些“失踪质量”实际上是转化为能量,这就是使得太阳发光的能量。因此,利用揭示了质量和能量之间转换的爱因斯坦著名的质能方程E=mc^2,就可得到太阳可获得的能量为:

E = 0.007 x M c^2

其中c是光速,M是太阳可进行核反应那部分的质量。

现在,事实证明,只有太阳的中心部分是处于足够高的温度来进行这些核聚变反应。这将需要使用一个太阳结构的详细模型来精确计算出太阳有多少部分是处于足够高的温度,但如果我们只是进行估算的话,我们可以认为大约有占太阳质量10%的太阳中心部分有足够高的温度进行核反应。然后,我们就可以得到下面的公式:

E = 0.007 x 0.1 x Msun c^2

其中Msun是太阳的总质量,为2 x 10^30千克。因此,我们可以计算出太阳的总能量消耗大约是1.3 x 10^44焦耳。然后再除以太阳释放出能量的速率3.8 x 10^26瓦,可以计算得到太阳的总寿命大约是100亿年。

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