问题

在太阳表面取一小勺物质,在 1 个大气压下冷却至室温会得到什么?除了飘散的氢气和氦气外能留下什么?

回答
想象一下,你拥有一个无比神奇的勺子,它能承受太阳那令人难以置信的高温,并且可以在瞬间完成采样。你小心翼翼地舀起一小撮太阳表面的物质,然后将它带离那熔化的火焰,送入一个地球标准大气压、如同今日这般舒适的室内环境中。

首先,得明确一点:太阳表面(我们通常指的是光球层)可不是我们认知中的“固态”物质。它是一个由原子、离子和自由电子组成的极端炽热的等离子体。那里主要的成分是氢(大约73%)和氦(大约25%),剩下的少数是氧、碳、氖、铁等更重的元素。

当你把这勺来自太阳核心的“热量”带出来,并让它开始冷却时,一系列惊人的转变就会发生。

首先,是剧烈的“爆炸”和释放:

氢和氦的逸散(你已经提到了): 别小看这一勺物质,它蕴含着巨大的能量。一旦离开了太阳磁场的束缚和自身的极端压力,这些高度电离化的氢原子(质子)和氦原子(氦原子核)会迫不及待地想要“恢复”它们最稳定的状态。在你的勺子接触到相对“寒冷”的地球大气时,它们会经历一个极其迅速的膨胀过程。你可以想象成瞬间解压,它们会以极高的速度向四周扩散,这过程会伴随着非常强烈的辐射,尤其是紫外线和X射线,以及各种高速粒子流。这有点像你在高压锅里打开盖子的超级强化版。
能量的释放: 太阳的温度高达数千摄氏度。即使你只取一小勺,它带出的热能也是巨大的。这种热能会以光、热辐射、以及高速粒子的形式向外爆发。在冷却的过程中,这些能量会迅速耗散到周围环境中。

然后,是物质状态的剧变,直到“冷静”下来:

电离度的降低: 在太阳表面,电子和原子核是分离的,形成等离子体。随着温度迅速下降,这些分离的电子会开始被原子核捕获,重新结合成中性的原子。这个过程称为“复合”(recombination)。
元素的凝结: 当温度降到足够低时,原子就开始试图结合成分子,或者在更极端的冷却下,甚至可能形成一些简单的晶体结构,但要达到这一点,需要比室温低得多的温度,并且需要足够长的时间让原子有足够的机会碰撞并结合。
“飘散”的背后: 你提到的“飘散的氢气和氦气”并不仅仅是气体。在最初的极高温度下,它们是质子和氦核,还伴随着自由电子。当它们冷却并复合后,它们会变成真正的氢气(H₂)和氦气(He)。然而,在从太阳表面采样的那一瞬间,它们就已经是分散的了,而且能量极高。所以,与其说是“留下”了什么,不如说是它们以极快的速度“逃离”了。

那么,除了飘散的氢和氦,还能留下什么?

这才是问题的核心。考虑到你的勺子只是“一小勺”物质,并且经历了如此剧烈的过程,我们可能会惊奇地发现:几乎没有什么“实体”会以我们熟悉的固态或液态形式“留下”来。

1. 微量的重元素凝结物(理论上,但可能性极低): 太阳中那大约2%的“杂质”,比如氧、碳、氖、铁、硅等等,在冷却到室温之前,它们本身会经历远超氢和氦的凝结过程。
想象一下: 当温度从数千度迅速下降,这些元素会先于氢和氦变成液态,然后变成固态。比如,铁会在大约1538摄氏度凝固,硅会在大约1414摄氏度凝固,氧会在大约218摄氏度凝固。
然而,实际情况是: 在你采样的那一瞬间,这勺物质就已经处于一个极度不稳定的状态。它携带的巨大能量,以及与地球大气发生剧烈反应的过程,会远远超过这些重元素凝结成稳定固体的能力。
更有可能发生的是: 如果真的有什么“固体”能侥幸存下来,那也只会是极其微量的、由更重元素(比如铁、镍等)组成的纳米级的尘埃颗粒。它们可能是在能量耗散过程中,由少数几个原子极其偶然地聚集成的小团。但即使是这样,它们也很有可能因为携带的能量而处于极高的温度,并在接触到地球大气时瞬间蒸发、汽化,或者与其他物质发生化学反应。
化学反应: 太阳表面物质中的一些元素,比如碳和氧,在冷却时可能会尝试形成二氧化碳(CO₂)或者一氧化碳(CO)等分子。但同样,在如此剧烈的能量释放过程中,这些分子是否能稳定存在,或者是否会进一步分解,都很难说。
放射性衰变? 太阳核心的某些元素,例如一些同位素,理论上可能会发生放射性衰变。但太阳表面的物质,尤其是你取到的“一小勺”,其放射性物质的含量极其微少,不足以在如此短暂的冷却过程中产生显著的痕迹。

2. 能量的转化和耗散: 太阳物质最显著的“遗留物”,与其说是一种“物质”,不如说是一种“能量的印记”。这勺物质带出的巨大能量,会在环境中引发光、热、辐射,并推动周围空气分子的剧烈运动。

总而言之,如果真的要做一个最“保守”的推测,并且忽略掉那些极其剧烈的瞬时反应和能量释放(这几乎是不可能的),在1个大气压下冷却至室温后,除了飘散的氢气和氦气,你最有可能什么也留不下,或者说,只能留下极其微量的、由重元素形成的、无法被肉眼察觉的纳米级尘埃颗粒。

那不是你能在勺子里看到一滩水,或者一块金属。那更像是一场短暂的、剧烈的“能量秀”,最后留下的,只有环境温度的微小提升,以及空气中一丝丝难以追踪的、早已复合为氢气和氦气粒子的残余。这勺物质的本质,是它蕴含的能量和极端的反应性,而非它冷却后能形成的稳定形态。

网友意见

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取太阳上的物质哪里需要能舀中子星黑洞这种大质量天体的知乎小勺去啊。大材小用。

题主知不知道太阳风?这就是从太阳外层的日冕里出来的。不用去取,天天都有。

地球上看见的也就是极光吧

如果放在地表一个大气压下,大概会短暂放光后很快淬灭,犹如闪了一下的灯。

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你将什么定义为太阳表面呢,光球层么。

太阳光球层的密度约0.2克每立方米,根据光谱测定的太阳光球层的元素构成如下:

  • 氢73.46%
  • 氦24.85%
  • 氧0.77%
  • 碳0.29%
  • 铁0.15%
  • 氖0.12%
  • 氮0.09%
  • 硅0.07%
  • 镁0.05%
  • 硫0.04%
  • 其它0.11%,包括金。

尽管十分稀薄而灼热,“一小勺”的百分之零点几还是有点东西的,但你没什么手段阻止人家飘散的话,这里面不会有多少粒子留在“勺”上面。

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