19.太阳的动力
定 义：核聚变过程使得太阳这样的恒星能够闪耀上百亿年。
发现历史：1926年，亚瑟·爱丁顿首次提出太阳因为核聚变而发光。
关键突破：1939年，汉斯·贝特（Hans Bethe）概述了使核聚变得以发生的链式反应过程。
重要意义：核聚变过程是所有恒星的动力之源。核聚变（译注：术语为核合成）产生了宇宙中所有的重元素，包括形成我们地球的那些元素。
恒星是如此明亮，它们为何能闪耀亿万年？20世纪上半叶，结合天体物理理论和实验室对原子内部结构的研究，科学家终于揭开了恒星燃料来源之谜。
在19世纪以前，“太阳和其他恒星是如何发光的”这个问题一直都被忽视了，或者至少被认为是理所当然的——太阳被认为是一个由易燃物组成的巨大的球，通过当时人们熟悉的化学燃烧过程而发光。直到地质科学取得了突破，特别是渐进主义（gradualism）的兴起——该理论认为从整体上来说，现在的地球不是由突然的灾难性事件产生的，而是由我们今天同样能看到的、缓慢但无情的过程，且经过难以想象的漫长岁月形成的，这才使得太阳的性质及其燃料来源受到了密切关注。
具体来说，如果地球年龄不是圣经中宣称的几千年，而是至少数千万年，那么通过简单的计算可以得知，即使是像太阳一样巨大的天体，如果通过化学燃烧发光，也早就烧成渣了。19世纪中期，苏格兰物理学家约翰·詹姆斯·沃特斯顿（John James Waterston）指出，由化学能驱动的太阳其年龄上限只有2万年，太阳必须由某种形式的引力能量驱动。沃特斯顿也认识到，唯一说得过去的引力能量机制——大量陨石撞击太阳表面——不足以解释太阳的能量来源。
德国物理学家赫尔曼·亥姆霍兹（Hermann Helmholtz）于1854年提出了一个更合理的解决方案，他认为太阳的能量是由其自身引力下的收缩所提供的；然而，亥姆霍兹的理论只能解释太阳形成初始的能量爆发，英国物理学家威廉·汤姆森（William Thomson，又称开尔文勋爵）对该理论提出了修改，解释了太阳的动力源能长期维持的原因。开尔文提出了一个至关重要的观点，即太阳是由坍缩的气体云而不是碰撞的固体物体形成的，这一观点预见了现代恒星形成理论，并提供了一种机制，通过这种机制，太阳可以照耀大约1亿年。
“伽莫夫因子很快表明四个质子聚起来直接形成一个氦核的机会十分渺茫。”
原子能
尽管如此，地质学的发现仍然领先于天文学。到20世纪初，许多地质学家都确信地球已有超过10亿年的历史。幸运的是，当地质学证据已经十分确凿时，天体物理学家们也找到了一种新的能源，可以用来代替化学反应和引力收缩。在那个世纪之交，人们发现了亚原子粒子，并意识到每个原子中都蕴含着能量。随后，1905年爱因斯坦用他的狭义相对论和联结着能量、质量和光速c的著名质能方程E=mc2解释了这种能量的来源。
直到1926年，英国剑桥大学的天体物理学家亚瑟·爱丁顿才提出了一个详细的机制，来解释太阳为何可以照耀数十亿年（爱丁顿的一项早期观测对验证爱因斯坦的理论起到了关键作用）。爱丁顿勾勒出了一个元素嬗变的过程，在这一过程中，4个被称为质子的亚原子粒子（质子等同于氢原子剥离掉电子后剩下的原子核，而氢是宇宙中含量最多、最简单的元素）在太阳核心的高温和高压下被强制聚在一起，形成一个氦原子核，氦排在氢之后，是第二轻的元素（1868年发生的日全食期间，法国天文学家朱尔斯·詹森和英国天文学家诺曼·洛克耶通过研究太阳大气的光谱，发现了氦元素）。
爱丁顿认为，在4个质子结合的过程中，两个初始质子被转化为另一种亚原子粒子——中子。其中的关键在于，生成的新原子核只有参与合成的质子质量的99.3%。缺失的质量被转化成了少量的能量，当少量的能量乘以同时发生的核反应数目，就足以产生巨大的能量，让太阳照耀了几十亿年。现在，爱丁顿提出的这一核反应过程被称为核聚变。
这些示意图显示了恒星将氢聚变成氦的两种不同方法。（1）在质子‒质子链中，质子被聚集起来生成氢和氦的同位素，并最终产生一个完整的氦原子核。（2）在碳‒氮‒氧循环中，质子和较重的原子核先聚到一起，然后再分开，并释放出氦原子核。碳‒氮‒氧循环的发生速度比质子‒质子链快很多，但是只有在最重、最热的恒星中，碳‒氮‒氧循环才占主导地位。
弄清细节
虽然爱丁顿的理论大致正确地描述了像太阳一样的主序星发光的过程，但仍有许多未解决的问题，尤其是涉及伽莫夫因子的问题。伽莫夫因子是俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫于1928年推导出来的，描述的是不同温度和压力下发生聚变反应的可能性，结果表明4个质子直接聚变成氦核的可能性非常低。因此，显然需要补充一些中间环节。1939年，在美国纽约州康奈尔大学工作的德裔物理学家汉斯·贝特研究出了最有可能的中间环节的聚变过程。
贝特的这一工作成果获得了诺贝尔奖，该工作确定了两种连锁反应：质子‒质子（p-p）链在像我们的太阳这样的低质量恒星中占主导地位，这些低质量恒星核心温度也比较低；在质量更大、温度更高的恒星中，碳‒氮‒氧（CNO）循环迅速取代质子‒质子链，成了主导过程。虽然这两种过程的结果是一样的，但质子‒质子链过程包括稳定地添加质子以形成更大的原子核，其发生速度远远低于碳‒氮‒氧循环（其中包括向碳核中添加质子，先建造出氮和氧原子核，再分裂释放出初始的碳核和新的氦核）。
现在还剩下一个重要问题——恒星光谱所揭示的其他重元素究竟是如何产生的呢？1946年至1957年间，英国天文学家弗雷德·霍伊尔等人研究了包括铁在内的原子核的可能形成途径。在他们的恒星核合成理论中，恒星依靠氦和其他原子核的聚变来一个接一个地制造重元素——这些过程在像太阳这样的中年恒星（译注：即主序星）中并不显著，但是在恒星生命的最后阶段会变得重要起来。与此同时，合成比铁更重的元素已经被证明是质量比太阳大得多的恒星的“独家保留节目”。
来自瑞典太阳望远镜（Swedish Solar Telescope）的特写镜头显示了太阳表面一个大黑子群周围的复杂结构。较暗、较冷的强磁场区域被数千千米长的火焰状“针状物”包围（译注：此处作者应该指的是太阳光球图像上黑子的半影纤维，太阳色球图像上则有一种广泛存在的针状特征，叫作针状体）。