撰文 | 趙永恆
來源 | 《現代物理知識》
在古代，無論中國還是外國，都有人在不斷地研究鍊金術，企圖利用廉價的材料煉製出黃澄澄的金子來。現代科學表明鍊金術僅僅是在化學層面上來操作，通過化合和分解來改變分子，而無法改變原子的屬性，因此鍊金術是必然會失敗的。
要想由其他物質來產生金子，必須通過裂變反應或聚變反應這樣的核反應才有可能。但是這種核反應方法的成本極高，產生的金子價值遠遠低於所要使用的器材、原料、能量所需的費用，是絕對賠本的買賣。而自然界的金子則是在宇宙這個「鍊金爐」中煉製出來的。
大家知道，地球上的物質是由化學元素（以下簡稱元素）所組成的。目前已知的元素有118 種，其中94種是在自然界中存在的，其他是人工合成的。關於元素起源這一科學問題，是在20世紀天體物理學的發展過程中逐步得到解決的。
按照宇宙大爆炸標準模型，宇宙在大爆炸初期是一個高溫高密的火球，其中包含著極大的能量。在宇宙的極早期，先後形成了暗能量和暗物質，這些東西一直保留到宇宙的終結。
根據愛因斯坦的質量能量公式，宇宙大爆炸中的能量可以產生出成對的正物質和反物質，而正物質和反物質又碰在一起而「湮滅」，將能量放出來。這時的宇宙像一鍋煮沸的湯，正物質和反物質不停地生生滅滅，這被稱之為「粒子湯」。
隨著宇宙的膨脹，溫度不斷地下降。到了宇宙大爆炸發生後的一秒鐘時，溫度下降到一百億度，這時成對的正物質和反物質都湮滅成了能量，形成了光。然而，由於正物質比反物質略微多了億分之一，因此宇宙中最終留下了極少量的正物質，就是質子、中子和電子。
宇宙大爆炸後的三分鐘，溫度下降到七億度，這時中子和質子結合形成氦原子核，剩餘的質子即是氫原子核。此時，宇宙中包含了75% 的氫元素、25% 的氦元素和極少量的鋰元素。
這是因為自由中子的半衰期為約10 分鐘，只有中子與質子組成原子核才能不衰變。質子是氫原子核，再結合中子成為氘和氚的原子核，氘和氚與質子反應形成氦3和氦4，並可進一步生成鋰原子核（圖1）。
其中g 為光子、p 為質子、n 為中子、
d 為氘、t 為氚、a 為氦
因此，元素周期表的頭三個元素：氫、氦、鋰就是在宇宙大爆炸中產生的，這被稱為「原初核合成」。對宇宙中氫、氦、鋰等元素的含量（豐度）進行觀測，結果與宇宙大爆炸理論模型的預言是一致的，證明原初核合成的理論是正確的。同樣，對這樣元素的豐度的測量，也可以很好地限定宇宙學模型的理論參數，比如宇宙中重子物質的比例、中微子種類數等。
在宇宙大爆炸後30萬年，溫度下降到3000度，電子和原子核結合成為原子，形成了氫原子和氦原子等組成的氣體。這時，宇宙就變得透明了，原來由正反物質湮滅而形成的光就可自由地輻射出來，形成了宇宙背景輻射。
到了宇宙大爆炸後5億年，在引力的作用下，由氫原子和氦原子等組成的氣體不斷收縮凝聚，形成了星系，而星系中的氣體又凝聚成恆星。
在恆星形成時，組成恆星的氣體不斷向中心聚集，恆星中心的溫度越來越高。當中心溫度達到1000萬度時，就發生氫聚變為氦的核反應，稱之為「氫燃燒」。氫燃燒的開始標誌著恆星的正式誕生，此時氫燃燒產生的能量與氣體的引力達到平衡，恆星進入主序階段。
對於第一代恆星來說，氫燃燒的核反應是pp 鏈反應，即質子-質子反應（圖2）.
由於提出氫燃燒是恆星的能源機制，且把恆星能源與元素起源有機聯繫起來，1967年，美國物理學家貝特成為在天體物理領域第一個獲得諾貝爾物理學獎的人。氫燃燒時會放出中微子，美國天文學家戴維斯因長期致力於探測太陽中微子而獲得2002年諾貝爾物理學獎。
氫燃燒是恆星生命中的主要階段，不同質量的恆星其氫燃燒的時間也不一樣，質量越大的恆星其壽命也越短。這是因為質量越大的恆星，其向中心收縮的引力就越強，因此恆星中心的核反應要更加劇烈才能抵抗住引力的作用，使得整個恆星達到平衡。實際上，向心的引力越強，中心的溫度就越高，中心的密度也越大，高溫高密度條件下的核反應也就越劇烈，恆星核心的「核燃料」氫元素消耗得越快，恆星的壽命也就越短。
對於在氫燃燒階段的恆星（即主序星），其顏色基本上和恆星質量相對應，偏紅色的恆星的質量偏小，偏藍色的恆星的質量偏大。像我們的太陽是黃色，屬於小質量恆星。
恆星演化到晚期，其核心的氫聚變為氦，中心的氫燃燒停止。沒有了能量的支撐，恆星氣體在引力的作用下向中心收縮，隨著中心溫度越來越高，中心氦氣體之外的氫氣體開始氫燃燒，當中心溫度達到1 億度時，中心的氦開始聚變為碳，這就是「氦燃燒」，此時恆星進入紅巨星階段。3a過程進行，即3 個氦原子核聚變為1 個碳原子核（圖3）。
圖3 氦燃燒的核反應
對於小質量恆星，如太陽，在氦燃燒結束後，其外殼被拋掉形成行星狀星雲，而核心則凝聚成白矮星。
對於大質量的恆星，在氦燃燒之後還有一系列的核聚變反應。當氦燃燒結束後，恆星中以碳元素為主的核心在引力作用下不斷收縮，溫度不斷升高，最終開始碳燃燒。如此循環往復，在恆星核心的「鍊金爐」中，把碳煉成氖和氧，氖煉成氧和鎂，氧煉成矽和硫，矽煉成鐵和鎳。這些核反應主要通過a過程實現的（圖4 和圖5），參加核反應的都是a元素，及其原子核可以看作是由若干個氦原子核所組成的。
例如，一個20個太陽質量的恆星，氫燃燒的持續時間是700萬年，氦燃燒是50萬年，碳燃燒是600年，氖燃燒是1年，氧燃燒是半年，而矽燃燒僅為1 天。
這樣，大質量的恆星可以在其核心煉成從氫直到鐵的各種化學元素，其核心就成了元素的「鍊金爐」。恆星的核心成了「洋蔥」形狀，中心是鐵核，外面是一層層的核聚變反應，外層的核聚變產物就是裡層正在燃燒的元素（圖6）。
圖6 超新星爆發前的恆星核心
大質量恆星演化在矽燃燒結束時，其核心是由鐵族元素組成的。由於鐵族元素的結合能最高（圖7），再無法通過聚變反應或裂變反應產生能量，這樣恆星的核心在引力的作用下向中心坍縮，強大的引力把所有原子中的電子給壓進了原子核中，最後都變成了中子。核心的物質繼續向心坍縮，最後形成中子星或黑洞。在鐵核的中子化過程中放出大量的中微子，其所帶的能量將恆星的外殼爆開，這就是超新星爆發現象。日本物理學家小柴昌俊因探測到1987年超新星SN1987A 在爆發時產生的中微子而獲得2002年諾貝爾物理學獎。
圖7 元素的結合能
在超新星爆炸過程中，由於恆星核心有著大量的高能中子，這些中子與各種元素的原子核進行核反應，這種核反應叫做r過程，即快中子過程。r 過程是指一個原子核被打入多個中子，形成不穩定的富中子同位素，這些同位素衰變後形成新的元素。也就是說，在超新星爆發過程中形成了從鐵直到鈾的各種元素。像金和銀這樣的貴重金屬就是在超新星爆發中產生的，最近的研究表明，形成銀元素的低質量超新星要比形成金元素的高質量超新星數量更多，分布更廣，這就解釋了為什麼地球上銀比金更多。
除了超新星的r 過程以外，在恆星的氦燃燒也可以通過慢中子過程（s 過程）產生鐵以後的元素。這就是在恆星中的元素核合成理論（圖8），該理論的創始人之一美國物理學家福勒獲得了1983 年的諾貝爾物理學獎。
就這樣，恆星從星際氣體中誕生，死亡時再將大部分物質還回星際氣體中，而新的恆星又將從星際氣體中誕生。在這個恆星的生死循環中，恆星的核心就如同「鍊金爐」一樣，不斷地產生化學元素。大質量的恆星可以在其核心中產生直到鐵的元素，而在它死亡時的超新星爆炸中，可以再產生出直到鈾元素的自然界所存在的全部化學元素，並通過爆炸將這些化學元素拋散到星際空間中去。以後，從星際空間中再誕生的新一代恆星就擁有了所有這些化學元素。我們的太陽至少是第二代恆星，在太陽誕生以前肯定發生過超新星爆炸，唯有這樣，才有可能在地球上找到從氫到鈾的94種化學元素。
到宇宙大爆炸後八十多億年，我們的太陽系才誕生。正因為有了矽和鐵等元素，才形成了地球這樣的行星；正因為有了碳和氧等元素，地球上才誕生了生命，才進化出了我們人類；正因為有了這94種元素，才形成了我們所看到的豐富多彩的自然界的一切。
本文選自《現代物理知識》2014年第3期 時光摘編