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構(gòu)成我們的物質(zhì)從何而來,為何鐵元素是核聚變的終結(jié)者

 心夢(mèng)2016 2019-07-03

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的侏儒星云,這是一團(tuán)船底座 η 核合成過程中產(chǎn)生的物質(zhì)云。這顆恒星已近生命終點(diǎn),正在吐出云團(tuán)。在一百萬年間,它會(huì)成為一顆超新星,并在一次極為壯觀的高能爆發(fā)中向宇宙空間拋射物質(zhì)。

在嬰兒期,我們的宇宙擁有的唯一元素是氫,這是一種最簡(jiǎn)單的元素——靠它幾乎不足以形成什么有趣的東西,如行星或人類。隨著宇宙逐漸冷卻,每個(gè)單一質(zhì)子都會(huì)得到一個(gè)帶負(fù)電荷的電子并成為氫原子,宇宙中大約 92% 的原子是氫。剩下的大多聚合成了氦以及極少量的鋰和其它輕元素。在那個(gè)時(shí)候,由于過份寒冷,其它元素?zé)o法形成,宇宙進(jìn)入了一個(gè)持續(xù) 3.8 億年的黑暗時(shí)代。

隨著宇宙的擴(kuò)張和冷卻,引力開始發(fā)生作用。星系結(jié)合起來,很快第一顆恒星開始發(fā)光。最初,光僅由恒星的體重決定:當(dāng)一顆恒星在它自身的重量下坍縮時(shí),氫堆積在一起,這會(huì)導(dǎo)致它變熱,這就如同你把油灰攥在手心。憑借它自己,引力只能讓這些恒星保持發(fā)光數(shù)百萬年,但這已足以讓這些恒星的核心變熱,并使核聚變煉金術(shù)開始。

實(shí)際上,這些聚變反應(yīng)以許多令人震驚的方式發(fā)生著。聚變不是兩個(gè)原子核的簡(jiǎn)單聯(lián)合。在大多數(shù)恒星內(nèi),氫原子核無法靠近到足以發(fā)生聚合。

一對(duì)氫原子核靠得越近,正電荷的互相排斥就越強(qiáng)烈。但是因?yàn)樵雍耸且环N量子物體,因此它們不需要通過靠得足夠近的方式來發(fā)生聚變,而只需要靠近到適當(dāng)?shù)某潭?。然后一種被稱為量子隧穿的效應(yīng)就會(huì)接管。此刻兩個(gè)原子核幾乎接近到足以發(fā)生聚變,而一下刻它們就突然結(jié)合在一起了。這就好比原子核沒有足夠的能量來打開門走過去,但是它們偶然會(huì)用瞬間移動(dòng)來穿越墻體。

但是即便是這種量子魔法也不足以使一顆恒星成功。因?yàn)椴粌H僅是要發(fā)生聚變,還需要產(chǎn)生足夠穩(wěn)定的物質(zhì)。由兩個(gè)質(zhì)子聚合成的氦-2(包含兩個(gè)質(zhì)子,但不包含中子),是極端不穩(wěn)定的,它常會(huì)分解回兩個(gè)單獨(dú)的質(zhì)子。但是存在有萬分之一的機(jī)會(huì),其中一個(gè)質(zhì)子會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶樱乖幼兂呻?,一種穩(wěn)定的氫同位素。氘和氫可以聚合成穩(wěn)定的氦,并釋放出巨大的能量,開啟神奇的恒星創(chuàng)世序幕。

從氫到其它元素,每一步轉(zhuǎn)變都依賴于罕見的天體與量子過程。從原初物質(zhì)到我們?nèi)祟?,充滿了僥幸。

對(duì)于小型恒星來說,氫是它們唯一的燃料;燃料耗盡后,它們就陷入黑暗。但當(dāng)首批恒星中最大的把它們的氫轉(zhuǎn)變成氦后,它們的燃燒方式就不同了。當(dāng)這些大恒星停止氫聚變后,它們的內(nèi)部壓力開始下降,引力使它們?cè)俅翁s,而它們的核心溫度就會(huì)再次升高。當(dāng)它們核心的溫度達(dá)到一億 K 時(shí),氦開始聚變?yōu)殁敚ㄒ环N原子核中擁有 4 個(gè)質(zhì)子的元素),而鈹和氦聚合為碳(6 個(gè)質(zhì)子)。地球生命的元素中心開始在熾熱的恒星心臟處形成,盡管這些碳還需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的旅程才能成為我們的一部分。碳聚變成為氮和氧(分別擁有 7 個(gè)和 8 個(gè)質(zhì)子),又產(chǎn)生了兩個(gè)生命必須的元素,而從它們開始,經(jīng)歷一連串的聚變反應(yīng)后,最終形成鐵(26 個(gè)質(zhì)子)。

將鐵聚變?yōu)楦氐脑夭荒墚a(chǎn)生更多的能量,而較輕的元素聚變則然——鐵如果聚變,它會(huì)吸收能量,但這實(shí)際上是件好事。假如元素會(huì)無止境地聚變成較重元素,那第一批恒星就會(huì)無休止地聚變下去,直到變成中子星,那是一種巨大的不可分化的原子核物質(zhì)球體。因?yàn)殍F的聚變實(shí)際上會(huì)冷卻恒星的核心,所以聚變的鏈條關(guān)閉了。聚變停止后,第一批大質(zhì)量恒星最終在它們自身的重量下坍縮,引起的便是超新星爆發(fā)。這些恒星的外層富含碳、氮和氧,它們被拋入星際空間,而只有它們的核發(fā)生了再次坍縮,成為了中子星。

長(zhǎng)久以來人們一直以為恒星的聚變和超新星足以產(chǎn)生我們周圍的所有元素。但是現(xiàn)在我們知道,其它還有一些奇特的過程在此間扮演了關(guān)鍵的角色。最近的研究顯示,那些稀有的重金屬,如金,其大部分是在兩顆中子星的碰撞過程中產(chǎn)生的。地球上所有的金子似乎都是由這樣的一次碰撞產(chǎn)生的。

從氫到其它元素,每一步轉(zhuǎn)變都依賴于罕見的天體與量子過程。從原初物質(zhì)到我們?nèi)祟?,充滿了僥幸。在這個(gè)鏈條上的每一個(gè)環(huán)節(jié)都不僅僅是可能性極小,而且在物理學(xué)上也是極端敏感的。假如結(jié)合質(zhì)子的強(qiáng)互作用力再高僅僅 2 個(gè)百分點(diǎn),那氦-2 就會(huì)變得穩(wěn)定。聚變發(fā)生得會(huì)更為容易,因此第一代的熾熱高密度恒星就不會(huì)出現(xiàn)。改變這一過程中的任何一部分,宇宙就會(huì)變得非常不同,而我們也可能就不會(huì)存在了。

這就是有時(shí)候會(huì)被人提及的所謂“精準(zhǔn)宇宙”理念,這一理論認(rèn)為,生命的存在依賴于象恒星核聚變這樣的現(xiàn)象以正確的方式發(fā)生。它引發(fā)了關(guān)于宇宙起源的神學(xué)爭(zhēng)論,當(dāng)然另外一些人持的觀點(diǎn)則完全相反。不論怎樣,有一件事是清楚的:是我們讓宇宙變得顯而易見。我們所有及所見的一切都是氫,它們?cè)谝蜁r(shí)間的鉗鍋中誕生。

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