首页 我的图书馆 个图VIP
人类物质的起源:永恒的星辰大海

相信很多文艺青年都听过这样一段话:

“你身体里的每一个原子都来自一颗爆炸了的恒星,你左手的原子与右手的原子也许来自不同的恒星。这实在是我所知道的物理学中最富诗意的东西: 你的一切都是星尘......因此,忘掉耶稣吧,星星都死去了,你今天才能在这里。”

这是著名的理论物理学家:劳伦斯·克劳斯在2009年的“A Universe From Nothing”的演讲中说的一段话,虽然不是非常严谨,但从某种程度上,解答了一个人类自古以来便在追寻的问题:

我们从哪里来?

从释迦摩尼到佛祖,从苏格拉底到黑格尔,历代的神学家、哲学家、文学家都没有停止思考,到了近代,科学家们也加入了战场。达尔文提出了进化论学说,认为人类是自然演化的结果,世界上所有的动物都来源于海洋中一只微乎其微的领鞭毛虫。

但是这只领鞭毛虫最初又是从哪里产生的呢?

科学家对于此问题,提出了多种假说:自然发生说,生源说,RNA世界学说,铁硫世界学说等等,但是每一种学说都有其矛盾和不严谨之处,这依旧是一个悬而未决的问题。

但是如果我们转换思维,再继续追问下去:

那构成这只领鞭毛虫的元素又是从哪里产生的?

这个问题,其实已经被劳伦斯的这句话解决了:构成生命物质的元素,来自于群星。

元素周期表

人类很早便认识到世界是由物质构成的,中国古代流行的“五行演变说”,西方的亚里士多德也提出了非常类似的学说,即世界是由“五大元素”构成的,这背后其实都是古人对于构成世界物质的简单探索。但是很快人们发现,山可以说是由石头构成的,石头可以瓦解成碎土碎块,土碎块可以变成细土细沙,到底什么是物质的本质?

一直到18世界,人类终于发现了微观世界的秘密,分子,原子,中子,电子的世界。很快,法国著名化学家拉瓦锡提出了“元素”的定义,并在1789年发表了第一个现代化的元素列表,其中包括33种元素。自此,人类开始了元素探寻之路。

一方面,新的元素不断地被发现。除了我们最常见的,铜、铁、金、银等元素,一些复合的、不常见的元素已在不断被提炼和发现。1766年卡文迪什提炼出了氢气,1771年卡尔·威廉·舍勒提炼出了氧气,1803年史密森·特南特通过研究南美洲的铂样品发现了锇......一直到今天,还不断地有新的元素被发现,2004年日本科学家森田浩介等人发现了Nh元素(排位第113),2010年尤里·奥加涅相等人发现了Ts元素(排位117)...

另一方面,人们发现了元素本身的秘密,元素的排列其实具有规律性。拉瓦锡在他第一版33个元素周期表里,把元素归类为气体、金属、非金属和土质,这种粗狂的分法很快被淘汰。1829年,约翰·德贝莱纳发现了三耦律,即当每组的三个元素按原子量排列时,第二个元素往往大约是第一和第三个元素的平均数。根据这个原则,1869年俄罗斯化学家门捷列夫发表了目前使用最广的元素周期表,1913年,亨利·莫塞莱根据原子的核电子量重新对周期表进行了排序,也就是我们现在的使用的元素周期表。

截止目前为止,人类已经在自然界中发现了98种不同元素,在实验室中合成到了118号,这些浩瀚的元素构成了地球的物质和生命,而这些多样的元素又来源于何处呢?

宇宙大爆炸:轻元素的诞生

相信初中的时候,我们都有一段被“氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖”所支配的恐惧,这个就是我们目前所使用的元素周期表。可以发现,氢和氦是最靠前的两种元素,这是因为其原子核内只有1个质子,原子核外也只有1个电子,所以其序列位是1。同理,氦原子的原子和内是由2个质子,2个中子构成的,原子核外有2个电子,所以其序列是2。

所以,原子无外乎是由原子核和电子构成,而原子核是由中子和质子所构成的,其中质子数代表了原子的序数,也就是其在元素周期表的具体位置。

所以要想知道元素的来源,首先要知道构成原子的这些粒子从哪里来。

这一切,都要从138亿年前的宇宙大爆炸说起。

根据大爆炸学说,宇宙最初是一个密度极大且温度极高的一个点,在138亿年前的某一天,承受不住内心压力的宇宙突然爆炸了,在它爆炸后的万分之一秒里,宇宙的温度高达一亿摄氏度,此时各种亚原子粒子开始形成,也就是组成组成原子的中子、质子、电子等等,自此,宇宙开始了创世之旅。

到宇宙38万岁的时候,爆炸所带来的高温终于开始慢慢冷却,宇宙的温度降低到了2700°C,质子和中子开始互相撞击,形成了原子,而最好组成的原子,便是质子数只有1和2的氢原子和氦原子。这也是目前宇宙中含量最多的元素。

宇宙炼丹炉:重元素登场

轻元素的合成过程说长不长,说短不短,持续了整整一亿多年。此时的宇宙不再是空旷无物,而是充满了轻元素团块,它们在引力的作用下相互聚集,形成了早期恒星和雏形:星云。如同少女的轻纱,情人的衣角一般梦幻绚丽的星云,实际上是一个极不稳定的存在,在时间的作用下,很快就变成了你凶巴巴的老妈。

起初,星云极为稀薄,不仅可以透光,电辐射也能畅行无阻地传送到外空,但很快,在引力的作用下,本来质量分布均匀的一团物质,变成了越往内部密度越大的气体球,原子逐步被压缩行程分子,经过几十万年的演化,气体球变成了一个实体的,重力极大的球体,就是恒星的内核。

恒星内核在引力的作用下,压力和温度开始急剧飙升,这个过程和最初宇宙大爆炸非常类似。当聚集而来的氢元素们累积到一定程度,恒星内核就会在重力的作用下发生核聚变反应,由氢生成氦,并产生巨大的能量。假如我们现在把恒星看成一个太上老君的炼丹炉,那它的燃料就是这些氢原子,炼造出来的丹药就是包含质子数更多的原子核,例如只有1个质子的氢元素,在核聚变反应后,会生成拥有2个质子的氦元素。

随着核聚变的继续进行,在持续的高热高压的环境中,氦原子也会发生聚变,生成包含6个质子的碳元素,而碳元素又可以和氦元素进行聚变,生成包含8个质子的氧元素...靠着核聚变,大量的重元素在行星这个炼丹炉中被合成,也不断地填充着我们的元素周期表。

直到来到了铁元素面前。

超新星爆发:中子星的诞生

轻元素在恒星的核聚变中不断生成重元素,然而当合成到铁元素的时候,事情起了变化。专业点说,当恒星中大部分原子都被聚变成铁之后,其中心部分所产生的压力将非常巨大,巨大到会把原子中的点子压如原子核,并把原子核中的质子转变成中子,使得整个恒星核变成中子。为什么会这样,主要是因为铁的结构非常稳定,铁之前元素的原子核都可以通过聚变释放出巨大的能量,而如果想通过聚变合称比铁更重的元素,实际上是消耗能量而不是释放能量,这种赔本的买卖宇宙是不会做的。

所以当行星熔炉炼制到铁时候,也就到达它的极限了。

但是正所谓“山穷水复疑无路,柳暗花明又一村”,当大质量的恒星(比如是太阳质量的30倍)生成铁元素核心的时候,它的引力作用将会非常巨大,恒星内核的密度急剧上升,甚至达到一万亿吨的物质被容纳在一枚针尖大小的地方,在这种极高温度,极高密度的情况下,核心很可能会遭受突然的引力坍塌,引发超新星爆发。

如果我们在夜空中有幸目睹,会看到这颗行星爆发出极为耀眼的光芒,一些特别的超新星(比如lla型)爆炸时产生的亮度堪比整个星系,在这个过程中,比铁元素更重的原子,从28号元素铁到94好元素钚,都可能诞生于此。但是星系爆发后,恒星的生命也逐步走到了尽头,就像烟花一般极度绚烂的开放后迅速凋零,变成了不发光不发热的白矮星或中子星,甚至是黑洞。

重金属的宝藏:中子星合并

科学家们曾经一度以为,超新星的爆发是重元素诞生的主要途径,但实际上由于缺乏足够的中子供给,一次超新星爆发能够产生的重元素非常有限。

我们丰富多彩的重金属,主要来源于中子星的互相对撞与合并。

当有两颗相近的恒星相继发生了超新星爆炸,并留下了中子星内核后,这两颗中子星会在引力的作用下互相公转,但是在引力的作用下,公转的周期将会越来越短,二者的距离也会越来越近,终有一天,两颗中子星会碰撞在一起。这个过程堪比盘古开天辟地,星球大战,激光扫射...可以在极短的时间内制造大量的贵重金属,包括金、铂等。但是中子星的合并也是很罕见的,所以重金属元素无论在哪里都是稀缺的,物以稀为贵,我们人类也才会为了一点金子争得头破血流。

所以回到最初劳伦斯·克劳斯的那段话,地球上所有丰富多彩的碳基生命,其实都来自于一颗颗正在形成的恒星,来自于绚丽燃烧的超新星,来自于璀璨壮丽的中子星...恒星会死去,但是在尚未熄灭的余温里,又会有年轻的星系浴火重生。我们的身体里,就包含着这些美丽的星系,包含着这些死去又复生的故事。

我们每一个活在世上的普通人,都是宇宙星辰的孩子。

本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报
下载APP,好文好书随时看
来自:东西二王  > 基础理论
举报
[荐]  原创奖励计划来了,万元大奖等你拿!
猜你喜欢
类似文章
中子星密度高达每立方厘米1亿吨,是否意味着还存在未知的元素?
核聚变到铁就停止了,那宇宙里比铁要重的元素都是怎么来的?
年纪轻轻的你,身体里的原子却有几十亿岁了
元素周期表中的元素到底是怎么来的?为什么会有这么多种?
有“0元素”吗?零号元素究竟是什么?
地球上的元素就是全部?科学家:宇宙某个角落,存在未知元素!
更多类似文章 >>
生活服务
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!