對于一個生活在18世紀的科學家來說，最有可能將太陽的工作原理與壁爐里的木頭進行對比。當像木頭之類的東西燃燒時，它會與空氣中的氧氣發生反應，從而以熱和光的形式產生能量。當一根木頭燃燒時，每個原子會釋放出大約10^-19焦的能量。但是，這種燃燒可能是太陽光的機制嗎？
我們已經很好地理解了太陽地質量，因為它可以使用地球和其他行星的軌道以及牛頓的萬有引力定律來計算。基于此，我們可以計算出太陽的質量約為2x10^30kg，這相當于大約10^57個原子。太陽釋放出大量能量，如果地球上每個人都打開100萬個100的燈泡，它仍然比太陽的光度小100 億倍。太陽實際上每秒產生大約3.84x10^26焦的能量，于是我們利用太陽上原子的數量來計算它會繼續產生這種能量多久，最終算出它可以持續燃燒20000年。
因此，這種燃燒不可能是太陽亮度的機制，因為按照這個速度，它早就燒完了。隕石是太陽最初形成的殘余物，我們從隕石的放射性測年得知，太陽的年齡至少有45億年。那么是什么讓太陽在如此高的能量下發光這么長時間呢？這種能量從哪里來？
能量來源
它來自你可能熟悉的一個小方程：E=mc^2。這個來自愛因斯坦狹義相對論的方程，告訴我們能量和質量是等價的，一點點質量就等于大量的能量。那么，根據太陽的質量，它可以釋放多少能量呢？在這些計算中要小心，因為太陽并沒有將它所有的質量轉化為能量。在稱為聚變的過程中，它只轉換了大約 0.7%質量。使用這個過程，我們可以計算得知太陽將持續大約100 億年。
請記住，聚變不像原子結合在一起形成分子的化學過程，而是通過改變質子數將一個元素轉化為另一個元素。一般來說，這不是我們在地球上可以觀察到的過程，因為它需要極端的壓力和溫度。由于構成四個氫原子核的質子帶正電，它們會互相排斥，這可以防止原子自發聚變。為了聚變質子必須克服能壘，一旦它們越過這個障礙，強力就會接管并將它們粘合在一起。強力比電磁力強約100倍，但它的作用距離很短，大約是一個質子的寬度。
量子隧穿
那么質子如何接近到足以發生這種情況呢？在像太陽這樣的恒星中，有幾個因素可以讓這種合并發生。首先，大約1500萬攝氏度的極端高溫將原子分解成它們的組成部分；其次，巨大的壓力迫使這些組件彼此靠近。但要讓聚變發生下去，太陽還有另外一個重要的技巧，這個技巧被稱為量子隧穿。
根據科學家的力量計算，如果單靠它的溫度和壓力，那么太陽核聚變的效率是非常低的，只有少數的質子才有足夠的能量越過勢壘。但是，有了量子隧穿效應，它可以直接穿過庫侖勢壘，就好像它不存在一樣。量子隧穿顯著提高了太陽聚變的可持續性。
聚變過程
在氫氦聚變的過程中，首先是兩個質子聚變。通常，它會立即再次分裂，但有時其中一個質子會轉變成中子，這是由稱為β衰變的過程中的弱核力引起的。質子通過發射一個正電子和一個中微子變成一個中子，由此產生的質子-中子對是氘，它是氫的同位素。
當β衰變發射的正電子遇到它的反粒子（電子）時，這對電子湮滅形成伽馬射線，這是光子中能量最高的形式。伽馬射線最終從太陽核心以陽光的形式進入太空。但這只是陽光的一小部分，氘核還可以聚變形成氦核(He-4) ，或者它可以與其他質子反應形成另一種氦同位素（He-3）。兩個 He-3原子核可以融合形成不穩定的鈹 (Be-6) 原子核，然后分解產生He-4和兩個質子。這里的每一個步驟都釋放能量。
質量來源
此時，您可能會問，能量從何而來？這就是愛因斯坦質能方程出現的地方，質量變成能量。如果我們看一下4個氫原子的原子量，我們會注意到它等于 4.032，而氦原子的原子量為 4.0026。也就是說，四個氫原子的質量比一個氦原子略大：差異約為0.0294或約0.7%。而這個微小的差異幾乎是你看到的來自太陽的所有能量的原因，這是我們在大多數教程中聽到的解釋范圍。
事實上，我們對此還能解釋得更深入一點。我們知道能量來自于質量的減少，但是這種質量減少是從哪里來的呢？一個質子的質量為938.3MeV，一個中子的質量是 939.6MeV。由于氦-4由兩個質子和兩個中子組成，如果將它們加在一起，總質量為3755.8MeV。但實際上，氦-4的測量質量實際上是3728.41 MeV，存在27.48MeV的差異。
首先了解質量的來源，大多數質量不是來自希格斯場，只有大約1%的質量是由希格斯場引起的。質子和中子由3個夸克組成，例如質子有兩個上夸克和一個下夸克。希格斯場賦予這些夸克質量，但如果把這些夸克的質量相加，得到總的質量也才9.1MeV，是質子實際質量的1%左右。
那么，剩下的質量來自哪里？它來自宇宙的基本力之一——強力。這種力不僅使夸克保持在核子之中，它還使多個核子之間緊密相連。當你想把氦-4中的核子分離開來，你需要投入能量來克服強力。與之相反，核子聚在一起則釋放能量。
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