有时候
有时候
我会相信一切有尽头
相聚离开
都有时候
没有什么会永垂不朽
——王菲《红豆》
铁：自然界的终止符
黑暗统治着虚空。
无尽的虚空之中，散布着稀薄的气体与细微的尘埃。由于物质总有互相聚集的倾向，逐渐地，气体与尘埃慢慢地聚集成团。而更大的质量又拥有更大的吸引力，于是物质越来越密集。最后，物质的中心拥挤不堪，压力极大。组成物质的微小粒子在中心区域发了狂似的运动，旋转、碰撞，最终合二为一，迸发出无与伦比的能量。能量带来的耀眼光芒划破了无边的黑暗与寂静。至此，一颗恒星诞生。
恒星自诞生之日起便熊熊燃烧，从不休止。它燃烧力量的源泉来自组成它的基本粒子：质子与中子。无数质子与中子以难以想象的高速碰撞在一起，突破了库伦斥力，依靠强相互作用力紧紧结合在一起，形成了以两个质子、两个中子为单位结合在一起的更大粒子，同时向外迸发出巨大的能量。质子，我们另一个更熟悉的名称叫氢；氢合成的新粒子，叫氦——氦元素从此诞生。
这向内坍缩的趋势，与向外迸发的能量，终于在某个时刻达到平衡。于是，物质不再往内塌陷，恒星进入了平稳期。连同恒星一起生成的还有行星。现在，逐渐成熟下来的恒星平稳地散发着光和热，滋养着它的行星孩子们。行星们沐浴着恒星的光辉，围绕着恒星旋转，日复一日，年复一年，也许直到永久。
太阳系
然而一切都会有尽头。尽管温馨的时光延续了很久，但终于有一日，命运的钟声响起：It's time to end（结束的时候到了）。这时，已经燃烧了很多亿年的恒星，它的燃料已经接近耗尽。就像白发苍苍的老爷爷，只有在心里知道，自己走路的脚步一天比一天慢，说话的力气一天比一天小，也许不用多久就会离去。只是行星却不太会感受它内部的变化，就像可爱的小孙子看爷爷一样，看到的永远是慈爱健康。
很快地，氢燃料燃烧的力量抵抗不了向内坍缩的力量。恒星收缩了。中心区域的物质也越聚越密，温度也越来越高。此时在外层，还有未消耗完毕的氢继续在燃烧。这时候恒星分成了两层，中心是一个氦核，外壳是氢燃烧。
随着氢燃烧蔓延到外壳，燃烧的爆发出的能量超过了引力。恒星表面向外的力量急剧增加，外层迅速膨胀。它开始变成一个庞然大物，而且温度还在不断增加。它膨胀的速度比温度增长更快，使得表面温度的略略降低——因此变得越来越红。最后，恒星失去了和蔼慈祥的面庞。取而代之的是一副血红而狰狞的面孔。恒星现在成为了变异的怪兽，越变越巨大，一个一个地，接连吞噬了自己的行星。
红巨星
随着中心区域的越来越热，氢燃烧的产物——氦也开始以更疯狂的速度碰撞起来。这种比氢大四倍的大粒子（注1）必须要以更高的速度碰撞，才能产生像氢合成氦这样的反应。然而随着坍缩的进一步发展，形成了更高的温度和更巨大的压力。最后，氦燃烧的条件达到了。
氦原子带着巨大无比的速度疯狂地相互碰撞，两倍于氢的电荷数的它们再次冲破库伦力的阻挡，闯进强力的范围，结结实实的被强力拥紧在一起。三个这样的氦原子（注2）结合在一起，合成了新的粒子碳——碳元素诞生。
氦燃烧时温度升速极快，最后达到的温度更是难以想象之高：一亿至二亿度。恒星的中心现在已是一个恐怖的炼狱场。不仅如此，比起氢聚变，氦聚变反应的速率更快。恒星已经失控。能量在极短时间释放出来，使得恒星在几秒钟之内释出的能量超过正常恒星的一百万倍。这个过程，叫做氦闪。
刘慈欣《流浪地球》：
……太阳的演化已向主星序外偏移，氦元素的聚变将在很短的时间内传遍整个太阳内部，由此产生一次叫氦闪的剧烈爆炸，之后，太阳将变为一颗巨大但暗淡的红巨星，它膨胀到如此之大，地球将在太阳内部运行！
至此，主星序、红巨星与氦闪交代完毕，流浪星球的灾难解读告一段落。
让我们回到恒星。
这时候恒星内部异常复杂。内层是氦在燃烧，外层是氢在燃烧，中心还有一个碳核。此时的恒星极不稳定，时而膨胀，时而收缩，一会儿变大，一会儿变小。越来越多的氦燃烧成碳。经过几轮这样的反复，外层燃烧的猛烈力量终于冲破引力的束缚。这时，恒星把所有的外层物质抛射到太空中，只剩下中心的一个碳核（注3）。
在氦燃烧完毕之后，我们的太阳再也没有足够的质量让剩下的碳再燃烧起来了。内塌的力量迫使碳原子紧紧地压缩在一起，原子们依靠电子简并力来抵抗进一步坍塌。这个核心密度极大，大得难以想象（注4）。
但值得庆幸的是——如果这也算一种幸运的话——现在恒星终于稳定下来了。小小的星体，高高的温度，发着耀眼的白光。由于再也没有能量的支持，随着时间的流逝，核心慢慢变冷，慢慢变暗。最终，消失不见。
于是，黑暗重新统治虚空。
这就是我们太阳的结局。
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然而故事还没结束。
当恒星的质量达到太阳质量4倍的时候，它巨大的质量就能越过碳的门槛。演化至此，它还能引发碳的燃烧。碳聚变反应的温度更高，反应的速率更快。碳燃烧之后形成的新元素就是氧——氧元素诞生。
当恒星的质量达到太阳质量8到10倍时，它还能引发氧的燃烧，形成新元素氖。更大质量的恒星会循环往复这个过程，依次生成镁、硅……等一系列更重的元素。最后直到铁为止，这个反应“链条”才停止。
此时，恒星就像洋葱一样，不同的元素在不同的层壳燃烧，一层接一层，直到形成了中心的铁核。在铁核，聚变反应就停止了。
洋葱星
自然界在铁这个地方设置了一道门限。从轻核聚变到更重的核一直是释放能量。但铁的比结合能最高。这使得铁聚变不但不能释放能量，而且需要注入能量。铁的平均核子质量最低，无论聚变与裂变，都产生不了能量。
这就好比山谷一样。如果有两股水流分别从两边的高处的悬崖往低处流，总有一天它们会相遇在最低的地方，这个地方就是谷底。在谷底，无论水从哪边流都无法流到比它更低的地方。核反应的链条也一样。聚变的一头是从氢开始，裂变的一头是从铀开始。两头都能释放能量。既然两头都释放能量，那中间肯定会有一个元素，能量达到最低。自然界选择了铁。
这就是铁不同于其他元素的特别意义。
从我们赖以生存的氧，到有机物的基础氢、碳、氮、磷；从我们离不开的微量元素钠、钾、镁、锰，到常用的工业原料铝、钛、硅、硫……这一切的一切都是从宇宙的恒星中生产而来——以死亡的方式，而且还不止一次。第一代的恒星死亡时候，抛洒出一些略重的元素，成为下一代恒星的原料。下一代恒星死亡的时候，抛洒出更重的元素，再成为更新一代恒星的原料。
恒星以湮灭来获取进化，以死亡去换来新生。所以，当你凝望夜空星辰的时候，请不要忘记，我们骨骼中凝聚的钙，血液中流淌的铁，以至到我们本身，我们的整个世界，都是星星送给我们的礼物。这是美丽的夜空童话，也是绚丽的宇宙之歌。
这是美丽的夜空童话，也是绚丽的宇宙之歌
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感谢各位一路的陪伴。我们的路程也差不多到终点，可能再越过一个山头就结束了。在山脚的小旅馆，有前人留下的一张纸条，那上面写着一个问题：既然自然界把终止符设定在铁这里，那铁之后的元素，又是如何产生的呢？
铁在元素周期表中的位置
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枯燥无味的备注分割线 --------
这种比氢大四倍的大粒子（注1）必须要以更高的速度碰撞，才能产生像氢合成氦这样的反应。
注1：恒星中氢氦聚变的反应过程实际上要复杂一些：
两个质子首先结合，然后释放出一个正电子，变成氚；
再和一个质子结合，变成氦3；
两个氦3原子结合，释放出两个质子，变成稳定的氦4，也就是α粒子。
三个这样的氦原子（注2）结合在一起，合成了新的粒子碳——碳元素诞生。
注2：氦原子的下一步聚变应该是原子序数为4的铍（Be）。可是铍原子极不稳定，它会在10^(-19)秒内又变回两个氦原子。可是如果在这个瞬间内刚好又有一个氦原子参与进来，则三个氦原子可以直接聚变成稳定的碳6。这就是著名的三α反应。这个发现得感谢天才的天体物理学家弗雷德·霍伊尔（Sir Fred Hoyle）。
三α反应就是氦闪。氦闪很猛，当它发生时，太阳质量的40％，将在几分钟内通过三α转化为碳。
这时，恒星把所有的外层物质抛射到太空中，只剩下中心的一个碳核（注3）。
注3：太阳不是第一代恒星。它的内部实际进行的热核反应是碳氮氧（CNO）循环。因此在它生命的最终留下的不止是碳，而是碳和氧。太阳最终会形成碳氧白矮星。碳氮氧循环是我们赖以生存的氮的唯一生产途径。
在氦燃烧完毕之后，我们的太阳再也没有足够的质量让剩下的碳再燃烧起来了。内塌的力量迫使碳原子紧紧地压缩在一起，原子们依靠电子简并力来抵抗进一步坍塌。这个核心密度极大，大得难以想象（注4）。
注4：这时形成的就是白矮星。科学家估计太阳形成的白矮星密度大致是1.4x10^11kg/m^3。我打个形象的比喻，这个白矮星一个乒乓球大小的物质等同于20架空客A380客机的重量。
空客A380
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最后的彩蛋——感谢您还读能到这里。送上碳之后的核反应彩图：
还有单位核子结合能图：
下期见。
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