人類生存於地球之上,地球這顆星球又與其他星球一起生活在宇宙之中,而宇宙又由物質構成,就像在細胞內有100多種化學元素,其中的氧、碳、氫、氮這四種元素佔我們人體構成的96%,那麼構成我們的物質從何而來?
追其根本,物質的起源其實就是宇宙的起源
關於宇宙來源於大爆炸的宇宙模型已經被證實了半個世紀,改變了我們對宇宙的概念。最初關於宇宙起源這個問題困擾了很多科學家。
首先是牛頓,眾所周知牛頓提出了著名的萬有引力定律,但是他依然不明白宇宙是如何誕生的,可以說這個問題困擾了他的一生,但是始終沒有一個滿意的答案。在萬有引力定律的基礎上,牛頓認為宇宙中的任何萬物都在萬有引力的作用下向中心聚攏,最後聚攏成一個點,但是這些天體被誰推動的,卻無法解釋。
直到愛因斯坦廣義相對論的場方程提出,他發現宇宙是隨著時間的流逝而發生膨脹,在他看來宇宙是靜態的,是永恆的,因此愛因斯坦在這個場方程中加了一個宇宙學常數,換句話來說,只要這個常數進行合理的取值,那麼宇宙就可以處於靜態。
但是在當時有許多科學家不認同愛因斯坦的觀點,他們則認為宇宙學常數應該去掉,宇宙就應該是膨脹,如果按照時間往回推演,宇宙的誕生是源於一個奇點。
在上世紀20年代的時候,哈勃突破了這一問題,由於他長期觀測銀河系的天體發現絕大多數的天體都在離我們遠去,而且離我們距離越遠,其速度就越快,這進一步說明了空間在膨脹,以至於這些天體也在遠離我們,這是對於宇宙大爆炸這一問題的第一個觀測證據。
隨後在上世紀60年代宇宙微波背景輻射的發現以及氦元素豐度的確定讓科學家們更加確信宇宙大爆炸的理論。目前根據普朗克衛星觀測,我們知道了宇宙大約誕生在138億年前,現如今宇宙中的物質粒子都是在宇宙大爆炸之後4分鐘內形成的。
直到宇宙大爆炸後來的38萬年,宇宙溫度才下降到3000度左右,而宇宙也從粒子粥一樣的混沌狀態變得透明,光子開始在宇宙中穿梭,原子結構得以形成,而太陽系也形成於46億年前。
氫元素位於元素周期表中的第一位,在宇宙中的含量要比其他的元素都要多得多。一顆恆星誕生之後,其成分主要都是氫元素,隨著恆星內部溫度升高,發生核聚變反應,而這個時候氫元素就會進行一系列的化學反應。核聚變的反應順序大致為氫元素——氦元素——碳元素——氧元素——氖元素——鎂元素——矽元素——鐵元素……
恆星內部的核聚變反應
每顆恆星的內部都有極高的壓力和溫度,所以在恆星的內核可以發生核聚變反應,由於氫元素發生核聚變反應所需的要求是最低的,而且氫元素也是恆星的主要構成成分,所以在恆星內部,核聚變反應都由氫元素開始,產物為氦元素;
如果當恆星的內部溫度和壓力足夠時,那麼氦元素將會開始聚變從而生成更重的元素,產物主要以碳和氧為主,同時還會有一些少量的氖元素;恆星內部溫度再度升高,碳元素氖元素、氧元素開始發生聚變,最後的產物主要是矽元素,還有一些鈣、硫等元素。
對於宇宙中的低質量恆星來說,當核聚變到引力不足以對抗內部核聚變時,會膨脹為紅巨星;對大質量的恆星來說,在演化的末期溫度極高,最終就會引發矽元素的聚變反應,產物主要是鐵。
而當恆星內部有鐵元素產生後,恆星會變得不穩定起來,而聚變生成的鐵元素會在大質量的恆星內部聚集,最終在內部形成一個鐵核心,此時在恆星內部,核聚變反應不再對外釋放能量,還會吸收外部能量,此時恆星的內部就會失去抵抗重力的能力,而恆星的體積也會急劇收縮,導致外部物質迅速坍塌,引發超新星爆炸,在這個過程中,還會形成原子序數大於鐵的元素,但是這種情況一般不容易發生。
為什麼鐵元素是核聚變的終極者呢?
迄今為止,我們宇宙中已知的化學元素共有118個,世間萬物都是由元素構成的,而元素是由恆星聚變產生的。但是恆星的演化卻只能進行到鐵56,就不會再繼續核聚變,大家應該都知道物質都是由微觀粒子構成,原子內包含原子核和核外電子,而原子核又是由中子和質子構成,這些各種各樣的粒子聚在一起,甚至是帶正電的質子聚在一起,再加上核子之間又存在很強的相互作用。
換句話來說,如果想要把這些核子分開,那麼需要的能量則是巨大的,這種能量我們稱作為結合能,「比結合能」則指的是結合能除以核子總數,比結合能越大的原子,其結合會更加緊固,要想把它們分離必須需要非常大的能量才可以。
在118種元素中,鐵56的比結合能就是最大的,這說明了鐵56是最穩定的,不會輕易被分開。我們可以理解成,如果比鐵56更重的會核裂變成鐵56,比鐵56更輕的就會核聚變成鐵56,總的來說就是鐵56是這些元素的「首領」,兩邊的元素都會傾向它。