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宇宙与人 | 元素制造基地和它们的终点

刘若英 - 最亮的星光?

来自谷博士的化学武器

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每年高一讲元素周期律的时候,我都给学生推荐过这部纪录片:《宇宙与人》。这的确是我看过大陆地区拍的最高质量的科教片了,但估计应该是没什么人看。没关系,我来推送。


化学反应只能改变原子核外电子数目,并不能改变元素的种类(即原子核)。而制造元素或改变原子核,就要在宇宙中亿亿亿亿亿亿计的场所中进行——恒星。


我们的太阳,只是很普通的一颗恒星,它和浩瀚宇宙中的其他恒星一样,时刻都在进行核聚变反应。太阳的燃烧和篝火原理完全不同,它在让原子核燃烧。爱因斯坦用著名的质能转换的公式计算出,核能量能达到普通化学能量的2000万倍。宇宙中最高效的核能是氢聚变成氦,也就是4个氢原子聚变成一个氦原子,这个过程可以有千分之七的物质转换成能量,虽然只有千分之七,但物质的能量太大,如果把1000克氢原子中千分之七的物质转换成能量,就相当于4000吨石油和6000吨煤。举个例子,在一节只能烧几分钟的树枝中所蕴藏的核能,足以把一盏100瓦的灯泡点亮100万年。



太阳每秒钟使用5亿吨的氢原子参与聚变,其中有400万吨的物质转化为能量。这些数字听起来挺大,但和太阳的总质量相比,就微不足道了。太阳自存在以来,只损失了万分之一的物质。能量在它的大约70万公里的深处的核心产生,要经过1000万年才能上升到表面,光在太阳的肚子里走得比蜗牛还慢,正因为这样,这个能量的“亿万富翁”才能从容地使用自己的存款,坐吃而不山空。


太阳只有2次核聚变,90亿年的氢聚变和大约10亿年的氦聚变。当氦燃烧完的时候,太阳的引力会继续塌缩而且将没有抵抗,此时,它的力结构将会出现一些不稳定而喷出一些外围的物质,然后这些物质会形成艳丽的光环。在宇宙中有许多这样的气体光环,这些都是类似我们的太阳这样的恒星的死亡符号。死亡太阳的大部分的物质依然被引力牢牢控制着,但因为引力不足以引发比氦元素更重的碳元素的核聚变,所以这颗星球只有忍受塌缩,成为一颗和地球直径差不多,但比地球重几十万倍的白矮星。



在宇宙中,恒星的分类是按照它们死亡的方式,一类像我们太阳这种,最终安静地成为白矮星,另一类是比太阳大8倍以上的恒星,它们的死亡是爆炸。


宇宙在过去有过一个非常单调的开端,只有氢元素和少量的氦元素,然而宇宙在成长,成长的标志就是重元素的增加,这种增加使宇宙越来越丰富。宇宙的所有的奇迹,都是在有了完整的元素制造之后。而制造元素,就是把氢元素以不同的数目聚合,而要完成所有元素的聚合的场所,就是拥有巨大引力的大恒星。


从丰富物质角度来说,大恒星是宇宙中的精品,它们不仅能生产所有的元素,而且由于恒星越大,寿命越短,因此周期也短。所以,恒星的巨无霸是宇宙制造元素效率最高的工厂。不过,宇宙中最大的恒星的质量极限是一百个太阳,如果再大,就会因为自身的核反应过猛而解体。



引力制造元素,但也束缚元素,小恒星大约能制造出十来种元素,但这些元素最终不能在宇宙中流动。大恒星能制造更多的元素,一般超过太阳质量8倍以上的恒星就能使聚变一往无前,其核心达到几十亿度的高温不断地创造不可思议的聚变,每次聚变所产生的能量都使恒星膨胀得更大一些。于是它就像洋葱一样形成令人吃惊的多层核聚变的巨大空间,这个空间可以达到100亿公里,装下整个的太阳系。


在聚变的深入过程中,恒星变得越来越危险了。因为元素越重,聚变提供的能量越少,而巨大的恒星又必须靠不断释放的核能支撑,然而,当聚变到排列第26号的铁元素时,摇摇欲坠的恒星遭受到最致命的破坏——因为铁元素的结构极其稳定,它在聚变时不释放能量。于是,巨大而膨胀的恒星将会因核心失去支撑而倒塌。因此,恒星粉碎性的爆炸,能量的狂飙扫荡天庭,这就是超新星爆发。此刻它的能量相当于正常恒星的100亿倍。在这个超能量的瞬间,宇宙中所有的元素都被聚变出来了。



像金银首饰这种重元素,就是在超新星的爆炸中诞生的。当我们佩戴它们时,要记住宇宙制造高档产品确实是代价很高,它需要报废一颗至少比太阳大8倍以上的恒星,才能使我们披金戴银。


超新星的爆炸使物质摆脱了引力的束缚,但铁元素的核却坠入引力的深渊,巨大的塌方把电子都压进了质子,于是质子全变成了中子,而中子之间没有电磁力的排斥,原子核可以相互紧紧地挨在一起,这就形成了最致密的物质——中子星。它1立方厘米的质量能达到10亿吨,而它引力强大到让光都要成抛物线才能挣脱。



把一个几百万公里直径的物体压缩成只有30公里的直径,就是中子星,而同时被压缩的还有磁场。这是一个匪夷所思的超高能核电站,它可以把表面附着的电子像高压水柱一样喷射出去,它们所具有强烈的方向性可以成为宇宙定位的灯塔。十几年前,人类寻访外星生命的一艘飞行器上所携带的人类的自我介绍,就是用多颗中子星为地球做定位。


一些大的超新星爆炸之后,将会产生引力的奇迹——黑洞,巨大的引力把物质化为无形,因为连光都要被吸回它的表面。如果把地球压缩成一个核桃,就是黑洞,因为地球其实是一个强力和电磁力支撑的物体,如果把原子核都毁灭了,地球就将成为几厘米直径的浓缩引力的载体,黑洞的存在已经被证实。



超新星是宇宙中4种力配合的杰作,它们共同建造一个巨大的原子锅炉,然后以锅炉的崩溃所激发的能量完成所有元素的制造,并且在最后的瞬间把元素都彻底地抛洒出去。正因为有这种抛洒,物质才有可能演化。恒星以自身的毁灭,造就了宇宙中最伟大的新生。


在超新星的物质弥漫之后,引力将会再次把这些物质凝聚成天体,大的塌缩成恒星,小的形成行星,如果这颗恒星有较长的寿命,而它的周围有若干合适的行星围绕,那么这个长寿的核能和比较靠近它的行星上丰富的宇宙元素的光和热交流,就可能最终产生宇宙中最复杂的物质形态——生命。





最后附上《宇宙与人》的完整纪录片





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