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元素,生生不息的宇宙诸子

vubp / CC0

星球研究所,一群国家地理控,专注于探索极致世界。文章首发同名公众号

谨以此文,纪念元素周期表发布 150 周年。

地球,世界,和生活在这里的芸芸众生从何而来,这是每个人都曾有意无意思考过的问题。

科幻小说家道格拉斯·亚当斯给了一个无厘头的答案,42;宗教也给出了诸神创世的虚构场景;

最为恢弘的画面,则是由科学给出的,另一个意义上的生死轮回,一场属于元素的生死轮回

我们的世界极其复杂,夜空中万亿颗恒星熊熊燃烧。

蓝天下,千万种不同的生灵,生机勃勃。

大地上,75 亿人类,生生死死、来来往往。

然而我们的世界也极其简单,因为无论形态如何多样,组成物质世界的材料不外乎 118 种元素。它们创造于宇宙的洪荒时代,也见证了宇宙的繁荣扩张,它们是宇宙诸子。


01、宇宙的创造

大约138 亿年前,我们已知的宇宙在一场大爆炸中诞生。在 1 亿亿亿亿分之一秒内就增大了 100 亿亿亿亿亿亿倍,极速的膨胀导致跳崖式降温,纯粹的能量开始凝结组成物质的微观颗粒。

很快,在能量的海洋中浮现出来带有一个正电荷的质子、带有一个负电荷的电子和不带电荷的中子,它们构成了组成原子的单元。

所有质子数量相同的原子被统称为一种元素,紧跟着质子的出现,仅拥有1 个质子的第 1 号元素也诞生了。由于结构简单,它在宇宙中无处不在,直到今天仍占整个宇宙元素数量的92%。紧接着,在大爆炸产生的高温高压下,质子与中子相互结合,形成更重的原子核,重原子核进一步聚合形成新的元素。

这种因原子核聚合而发生的变化被称为核聚变

当质子因核聚变而结合在一起,第 2 号元素便形成了,同时也释放出能量。此外,最初的核聚变还创造了极少量拥有3 个质子的锂,和拥有4 个质子的铍。

在创造了最初的几种元素后,由于温度和压力的降低,聚变难以为继,因此早期的宇宙中占比高达99.9%,组成弥漫的原子云雾,此时的宇宙,黯淡、冰冷又无聊

但很快有趣的情况发生了。大爆炸产生了微小的不对称,使得宇宙中某些地方的原子云雾比其它地方更浓稠一些。在引力的作用下,物质开始向这些地方聚集,组成巨大的云团。

云团内的物质越聚越多,核心温度升高至1500 万℃,氢元素的聚变再次开启,光与热得到释放,一颗恒星诞生了。

紧接着是另一颗、又一颗,数以亿计的恒星相继在黯淡的云团中绽放

直到宇宙被璀璨星光点亮,仿佛一片光芒之海。

它们聚集在一起,成为了星系

星系聚集在一起,组成庞大的星系群,以及更加庞大的星系团。

由氢元素创造的恒星世界点亮了整个宇宙,而在恒星的内部,全新的创造正在酝酿之中。

这便是元素的创造。


02、恒星的创造

在恒星的核心,引力造成恒星物质不断收缩,使源源不断地聚变为氦,稳定地生产着光和热,这是恒星的青年时代,我们的太阳如今正是处在这一时期。

但恒星核心的原料终将消耗殆尽,转而在内核发生的聚变。三个原子聚合在一起成为了一种崭新的元素,碳。此时,恒星的外层氢也开始聚变扩张,使其膨胀为一颗红巨星

成为红巨星后,恒星的生命也将迎来转折。当核心中的氦也逐渐消耗殆尽,温度提升至6 亿℃,碳聚变开始,形成了氧。此时,质量小于 8 个太阳小质量恒星生命就此完结,其外层烟消云散,只剩一个由组成的内核。

这个内核温度极高,发出白热的光芒,这就是白矮星。

质量在8-10 个太阳之间中等质量恒星,可以生成比氧更重的元素氖,但依旧无法抵抗成为白矮星的命运。只有质量超过 10 个太阳大质量恒星才能突破宿命。

在它的核心,温度已达到惊人的20 亿℃。高温高压之下,聚变的链条一发不可收拾,镁、硅、磷、硫氯、氩、钾、钙等元素相继出现,又轮番成为下一轮聚变的燃料。大质量恒星在生命的末期成为一颗超级红巨星,它用一生创造的所有元素层层将自己包裹,仿佛在做最后的告别。

此时恒星核心的温度已高达30-50 亿℃,硅元素开始聚变,生成了恒星聚变所能创造的最重的两种元素,26 号元素和 28 号元素镍。

将“杀死”它的创造者,因为铁原子核具有极高的稳定性,恒星内部的高温高压也无法推动其聚变。当聚变停滞,万有引力就重新掌握了主动权,中心物质不断地被压紧、再压紧,直到电子被硬生生压进了原子核,恒星的核心瞬间坍塌,外层的物质高速坠落引发内爆,这就是超新星爆发。

爆发产生的巨大力量将原有的原子核打碎并重组,形成比铁更重的 90 多种元素:铜、锌、金、铂、铀、钍......超新星爆发将这些重元素抛向宇宙,形成一片绚丽的星云。

大质量恒星的一生就此结束,宇宙的一角重归寂寞。

然而一切并非如看上去那般冷清。强烈爆炸释放出来的物质并不均匀,引力涟漪逐渐在星云之中弥漫开来,物质又重新开始聚集、骚动。

很快,新的恒星将从前代恒星的“尸骸”中诞生,“星云 - 恒星 - 超新星 - 星云”的轮回将再次上演。

不同的是,这次有了丰富的重元素作为原料,一些特殊的天体即将形成。

它们是行星,一些不可思议的事情即将上演,承接起之前的那些神奇轮回。


03、行星的创造

经过数次轮回,在银河系某个角落的混沌星云里,太阳诞生了。

它独占了星云中99.8%的质量,剩余的气体、尘埃和颗粒围绕它形成了一个圆盘,在引力的作用下相互碰撞并粘附在一起,逐渐从 1 毫米大小的微尘,长到直径超过 1000 千米的星子。

星子不断碰撞聚集,一种新的天体,行星,形成了。

其中距太阳较远的星体,吸收了剩余的形成气态巨行星木星、土星、天王星、海王星。

而距离太阳较近的地方,太阳风将气体吹散,留下仅占初始星云质量0.6%较重元素,组成个头较小的固体岩石行星水星、金星、地球、火星。

地球,图片来源@NASA

但正是由于这 0.6%的重元素,作为岩石行星之一的地球才如此与众不同。

地球形成之初是一个炽热的岩浆球,物质翻滚流动,等较重的元素下沉到地球中心形成地核。地核创造了笼罩整个星球的磁场,像一个无形的保护层一样,使地球免受太阳风的伤害。

氧、硅、镁、铝等较轻的元素则上浮到外层,构成了地幔地壳。

随着地球的降温,地壳的外层冷却凝固,形成了坚硬的岩石。

地幔灼热的岩石则继续缓缓流动,拖着地壳分分合合,形成连绵的山脉和深邃的峡谷。

地球降温的过程中,岩浆溶解的大量气体也释放出来,氮气、二氧化碳和水等组成了大气层。

温度降低,大气中的水迅速凝结,以暴雨的形式落回到地面,这场冥古宙的暴雨持续了数百万年之久,直到液态水覆盖了地表的低洼处形成海洋。

可能是在海洋的深处,在地底热量的烘烤下,碳、氢、氧、氮、磷等元素相互作用,形成多种有机大分子。这些分子开始利用能量,开始复制自身,开始将自己与外界环境隔开,它们最终组成了第一个细胞。

更多的细胞聚在一起共谋生路,它们分工合作,有的负责捕猎,有的负责消化,出现了原始的组织器官。

在外界环境的影响下,多细胞群体的样貌开始变得千差万别。它们有的占领海洋,

有的登上陆地,

有的飞上天空,

有的虽静默无言,却学会了利用太阳的能量,将大气中的二氧化碳转化为身体的一部分,同时释放出大量氧气,改变地球的大气层。

经过40 亿年的演化,一个复杂的生物圈形成,一个特殊的物种即将登场。

这是整个地球,乃至迄今为止的这个宇宙中,极其神奇的一种造物——人类。


04、人的创造

与无数生命一样,他们由碳、氢、氧、氮、磷等元素组成。但人类的特殊之处,在于他们学会了利用元素,并在此基础上一次又一次改变着世界的面貌。

当人类的祖先还处在茹毛饮血的阶段时,就已经发现与其它元素结合形成的岩石质地脆而坚硬,他们将其打造成捕猎的工具,人类由此进入石器时代。

当岩石风化,其中的一些元素改变了组合方式,成为了黏土,与水混合后可塑性极强,经过火烧后又变得坚硬且隔水,这就是陶器。

山东,大汶口文化晚期的陶器,图片来源@Wikimedia Commons

人类对火的掌握也逐渐演变出新的用途,熔炼金属。铜的性质稳定,熔点较低,因此成了最早被冶炼的金属。后人在铜里加入锡,使其成为强度更高的青铜。青铜被用于祭祀、战争,这就是人类的青铜时代。

很快,青铜又被另一种强度和韧性更高的金属取代,这就是铁。从武器、礼器、交通工具到农具和日常用品,无不有铁的身影,人类进入了铁器时代。

随着冶铁技术的提升,人们发现降低生铁中的碳元素含量,会让成品更加坚韧,这就是钢。

来自远古植物的碳元素,经过数十至数百万年的埋藏转变为煤,沉睡在地下无数个岁月。在 18-19 世纪,欧亚大陆西端的人类开始大规模挖掘煤,将其作为一种重要的燃料,点亮了工业革命的曙光。

煤燃烧的熊熊烈火将水烧成蒸汽,推动着钢铁制造的机器巨兽彻底改变了人们的生产方式,人类进入了工业时代。

但地层中的元素,还有另一种存在形式,石油。如今,它流淌在几乎每一台发动机中,成为工业的黑色血液。

石油的作用还不止于此,它含有丰富而多样的有机分子长链。这些分子被分解成短链小分子后,再添加一些其他元素,合成成为了塑料。这种可塑性和多样性极高的材料,被人类使用到极致。

除此之外,富集在大气中的元素被大批量地用于制作化肥,彻底改变了人类延续千年的农业传统。

地壳中含量第二位的元素硅,凭借硅单质独特的导电性能成为了芯片的基础。以此发展起来的计算机将人类带入了信息时代。

而从宇宙大爆炸之初就开始产生的微量元素锂,被制成了轻便可靠的锂电池,创造了一个移动电子设备的世界。

环顾四周,我们已被自己的创造包围。

人类利用 100 多种元素,创造出一个物质的世界,另一方面我们也掌握了元素中蕴含的毁灭力量。在超新星爆发中诞生的重元素钚,拥有极其不稳定的大原子核。它们会自发地分裂成较小的新原子,同时释放出强大的能量,这一过程被称为核裂变。而当裂变的过程如雪崩一般连续不断地发生时,其释放的巨大能量就成了毁灭世界的武器原子弹。

而如果将原子聚合在一起,模拟恒星的聚变过程,释放出的能量将更为惊人,这就是氢弹。

所幸,对核能的利用逐渐走上正轨,这些蕴藏毁灭力量的元素正成为日常电力的来源之一。

除了利用已有的元素,人类还通过更极端的手段将原子核打碎重组,探究物质结构的终极秘密,产生地球上不存在的新元素。

这些元素构筑了这个庞杂的世界,而这一切的一切,都源于138 亿年前的那场宇宙大爆炸。

从这个意义上来说,发生在这颗地球上最细思恐极的事,莫过于我们和这个星球本身都来自星尘。

我们拥有的一切,都来自这漫天繁星,星辰以这样毫不张扬的方式,一直与我们同在。

组成我们躯体的来自宇宙大爆炸;

随血液流淌的曾是某颗恒星的核心;

携带着遗传信息的磷,也曾在原始的大气与海洋中游荡。

当宇宙视角被开启,从更高的维度去观察这个世界时,我们才清晰地认识到人类在宇宙中所处的位置,才能以全新的视角去看待自我。

认识宇宙,也就是认识人类自己,反之亦然。

我们的肉体终将消逝,还有所有的生命形式,所有的山川与湖海,地球、太阳、整个星系都将化为尘埃,但这一切并不是终点。

新的轮回,将会在我们及身边一切事物的齑粉中悄然展开,构成你我的这些元素,也将以另一种形式继续存在,直到宇宙的尽头。

它们就是元素,生生不息的宇宙诸子。

全文完,感谢阅读。


本文创作团队

  • 撰稿:张照
  • 编辑:李张子薇
  • 图片:任炳旭
  • 设计:赵榜
  • 审校: @云舞空城,马超,朝澈
  • 文首图片:星系 NGC 3783 中心的超大质量黑洞,来源@ESO

本文主要参考文献

  1. 柴之芳. 从宇宙大爆炸谈起[M]. 湖南教育出版社, 2012.
  2. 尼尔·泰森. 140 亿年宇宙演化全史[M]. 北京联合出版公司, 2019.
  3. 唐晓东等. 宇宙中元素的起源[J]. 物理, 2019.
  4. 陈丰等. 太阳系行星系统的形成和演化[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2010.
  5. 汪品先等. 地球系统与演变[M]. 科学出版社, 2018.

​↑一群国家地理控,专注于探索极致世界