文章轉載自微信公眾號「星球研究所」
本文由
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特約製作
我們的世界
極其複雜
夜空中
萬億顆恆星
熊熊燃燒
（沃爾夫·拉葉星，圖片來源@ESA/Hubble & NASA）
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藍天下
千萬種不同的生靈
生機勃勃
（泰國灣，鯨魚和海鳥，圖片來源@VCG）
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大地上
70億人類
生生死死、來來往往
（城市街道，攝影師@魏宏）
▼
然而
我們的世界
也極其簡單
因為無論形態如何多樣
組成物質世界的材料
不外乎118種元素
它們創造於宇宙的洪荒時代
也見證了宇宙的繁榮擴張
它們是
宇宙諸子
01
宇宙的創造
大約138億年前
我們已知的宇宙
在一場大爆炸中誕生
在1億億億億分之一秒內
就增大了100億億億億億億倍
極速的膨脹
導致跳崖式降溫
純粹的能量開始凝結
組成物質的微觀顆粒
在能量的海洋中浮現出來
帶有一個正電荷的質子
帶有一個負電荷的電子
和不帶電荷的中子
成了組成原子的單元
（原子結構示意圖，以碳原子為例，製圖@趙榜/星球研究所）
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所有質子數量相同的原子
被統稱為一種元素
緊跟著質子的出現
僅擁有1個質子的
第1號元素
氫
也誕生了
由於結構簡單
它在宇宙中無處不在
直到今天
仍佔整個宇宙元素數量的
92%
緊接著
在大爆炸產生的高溫高壓下
質子與中子相互結合
形成更重的原子核
重原子核進一步聚合
形成新的元素
這種因原子核聚合
而發生的變化
被稱為
核聚變
（氫原子核聚變為氦原子核的過程，製圖@趙榜/星球研究所）
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當質子因核聚變
而結合在一起
第2號元素
氦
便形成了
這個過程釋放出能量
此外
最初的核聚變
還創造了極少量
擁有3個質子的
鋰
在創造了最初的幾種元素後
由於溫度和壓力的降低
聚變難以為繼
因此早期的宇宙中
氫和氦佔比高達
99.9%
它們組成瀰漫的原子云霧
宇宙黯淡、冰冷又無聊
但很快
有趣的情況發生了
大爆炸產生了微小的不對稱
使得宇宙中某些地方的原子云霧
比其它地方更濃稠一些
在引力的作用下
物質開始向這些地方聚集
組成巨大的雲團
（鷹狀星雲的冷氫氣雲，圖片來源@NASA）
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雲團內的物質越聚越多
核心溫度升高至
1500萬℃
氫元素的聚變
再次開啟
光與熱得到釋放
一顆恆星誕生了
（從星雲到一顆恆星的形成過程示意，製圖@趙榜/星球研究所）
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緊接著是另一顆、又一顆...
數以億計的恆星
相繼在黑暗的雲團中綻放
（在恆星形成區，來自恆星們的星風正在吹出一個巨型氣體空腔，圖片來源@Glenn Research Center）
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直到宇宙被璀璨星光點亮
仿佛一片光芒之海
（NGC 4833球狀星團，圖片來源@NASA）
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它們聚集在一起
成為了
星系
（仙女座星系，圖片來源@Adam Evans）
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星系聚集在一起
組成龐大的星系群
以及更加龐大的星系團
（Abell370的星系團，其中包含數百個因引力相互吸引而結合在一起的星系，圖片來源@NASA）
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由氫元素創造的恆星世界
點亮了整個宇宙
而在恆星的內部
新元素的創造
正在醞釀之中
02
恆星的創造
在恆星的核心
引力造成物質的收縮
使氫源源不斷地聚變為氦
穩定地生產著光和熱
這是恆星的青年時代
我們的太陽
如今正是處在這一時期
但恆星核心的氫原料
終將消耗殆盡
彼時
氦的聚變將開始
三個氦原子聚合在一起
成為了一種嶄新的元素
碳
聚變導致恆星的外層急劇擴張
使其膨脹為一顆
紅巨星
（搏動的紅色巨星Chi Cygni，圖片來源@Wikimedia Commons）
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成為紅巨星後
恆星的生命也將迎來轉折
當核心中的氦也逐漸消耗殆盡
溫度提升至
6億℃
碳聚變開始
形成了
氧
此時
質量小於8個太陽的
小質量恆星
生命就此完結
其外層煙消雲散
只剩一個由碳和氧組成的內核
這個內核溫度極高
發出白熱的光芒
這就是
白矮星
（白矮星LSPM J0207 + 3331，已知最古老、最冷的白矮星，圖片來源@NASA）
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質量在8-10個太陽之間的
中等質量恆星
可以生成比氧更重的元素
氖
但依舊無法抵抗
成為白矮星的命運
只有質量超過10個太陽的
大質量恆星
才能突破宿命
（Wolf-Rayet star R136a1，已知質量最大的恆星，圖中左下方的紅色小點，是為了對比而加上去的太陽，面對這顆特超大質量恆星，太陽只是一粒微塵，圖片來源@Wikimedia Commons）
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在它的核心
溫度已達到驚人的
20億℃
高溫高壓之下
聚變的鏈條一發不可收拾
鎂、矽、磷、硫
氯、氬、鉀、鈣
等元素相繼出現
又輪番成為下一輪聚變的燃料
大質量恆星在生命的末期
成為一顆超級紅巨星
它用一生創造的所有元素
層層將自己包裹
仿佛在做最後的告別
（紅巨星階段後期的恆星，內部發生分層，製圖@趙榜/星球研究所）
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此時恆星核心的溫度
已高達
30-50億℃
矽元素聚變
生成了恆星聚變所能創造的
最重的兩種元素
26號元素
鐵
和28號元素
鎳
鐵
將「殺死」它的創造者
因為鐵原子核
具有極高的穩定性
恆星內部的高溫高壓
也無法推動其聚變
當聚變停滯
萬有引力就重新掌握了主動權
中心物質不斷地被壓緊、再壓緊
直到電子被硬生生壓進了原子核
恆星的核心瞬間坍塌
外層的物質高速墜落
引發內爆
這就是
超新星爆發
（v838mon紅巨星爆發為超新星過程示意，圖片來源@NASA）
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爆發產生的巨大力量
將原有的原子核打碎並重組
形成比鐵更重的90多種元素
銅、鋅、金
鉑、鈾、釷
......
超新星爆發
將這些重元素拋向宇宙
形成一片絢麗的星雲
大質量恆星的一生就此結束
宇宙的一角重歸寂寞
（蟹狀星雲，圖片來源@NASA）
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然而
一切並非如看上去那般冷清
爆炸產生的引力漣漪
在星雲之中蕩開
物質又在聚集、騷動
很快
新的恆星
將從前代的遺蹟中誕生
「星雲-恆星-超新星-星雲」
這樣的輪迴
將再次上演
（NGC 2070中的大恆星形成區，圖片來源@NASA）
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不同的是
這次有了豐富的重元素作為原料
一些特殊的天體即將形成
03
行星的創造
經過數次輪迴
在銀河系的一個角落
太陽
誕生了
（太陽，圖片來源@NASA）
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它獨佔了星雲中99.8%的質量
剩餘的氣體、塵埃和顆粒
圍繞它形成了一個圓盤
在引力的作用下
相互碰撞並粘附在一起
逐漸從1毫米長到1000千米
這就是
星子
（恆星維加周圍的小行星帶，僅做示意，圖片來源@NASA）
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星子碰撞聚集
一種新的天體
行星
形成了
（太陽系行星形成過程示意，製圖@趙榜/星球研究所）
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其中距太陽較遠的
吸收了剩餘的氫和氦
形成氣態巨行星：
木星、土星、天王星、海王星
（土星與地球的大小對比，圖片來源@NASA）
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而距離太陽較近的地方
太陽風將氣體吹散
留下僅佔初始星雲質量
0.6%
的重元素
組成個頭較小的固體巖石行星：
水星、金星、地球、火星
（地球，圖片來源@NASA）
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但正是由於這0.6%的重元素
作為巖石行星之一的
地球
才如此與眾不同
地球形成之初
是一個熾熱的巖漿球
物質翻滾流動
鐵、鎳等較重的元素
下沉到地球中心形成地核
地核創造了籠罩整個星球的磁場
像一個無形的保護層一樣
使地球免受太陽風的傷害
（極光是太陽風受地球磁場影響，與地球大氣層作用而形成，圖片來源@NASA）
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而氧、矽、鎂、鋁
等較輕的元素
則上浮到外層
構成了地幔和地殼
（地球圈層結構，製圖@趙榜/星球研究所）
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隨著地球的降溫
地殼的外層冷卻凝固
形成了堅硬的巖石
（夏威夷火山國家公園，圖片來源@VCG）
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地幔灼熱的巖石
則繼續緩緩流動
拖著地殼分分合合
形成連綿的山脈
和深邃的峽谷
（從奮進號太空梭上看到的安第斯山脈，圖片來源@NASA）
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巖漿溶解的氣體也釋放出來
氮氣、二氧化碳和水等
組成了
大氣層
（美國東北部海岸線上的颶風，圖片來源@NASA）
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溫度降低
大氣中的水迅速凝結
以暴雨的形式落回到地面
這場暴雨持續了數百萬年之久
直到液態水覆蓋了70%以上的地表
形成了
海洋
（加勒比海與大西洋，圖片來源@NASA）
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海洋的深處
在地底熱量的烘烤下
碳、氫、氧、氮、磷
等元素相互作用
形成多種有機大分子
這些分子開始利用能量
開始複製自身
開始將自己與外界環境隔開
它們組成了一個
細胞
（纖毛蟲吞食硅藻，圖片來源@Deuterostome）
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更多的細胞聚在一起
共謀生路
它們分工合作
有的負責捕獵
有的負責消化
出現了原始的組織和器官
（水母屬於腔腸動物，是較早出現的多細胞動物的後代，圖片來源@VCG）
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在外界環境的影響下
多細胞群體的樣貌
開始變得千差萬別
它們有的佔領海洋
（南加利福尼亞海洋中的魚群，圖片來源@VCG）
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有的登上陸地
（非洲納米比亞艾託沙國家公園中的動物，圖片來源@VCG）
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有的飛上天空
（美國南部巴斯克阿帕契國家野生動物保護區內的鳥，圖片來源@VCG）
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有的雖靜默無言
卻學會了利用太陽的能量
將大氣中的二氧化碳
轉化為身體的一部分
同時釋放出大量氧氣
改變地球的大氣層
（模里西斯的森林，圖片來源@VCG）
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經過40億年的演化
一個複雜的生物圈形成
一個特殊的物種
即將登場
04
人的創造
這個物種就是
人類
與無數生命一樣
他們由碳、氫、氧、氮、磷等元素組成
但人類的特殊之處在於
他們學會了利用元素
並在此基礎上
一次又一次
改變著世界的面貌
當人類的祖先
還處在茹毛飲血的階段時
就已經發現
矽與其它元素結合形成的巖石
質地脆而堅硬
他們將其打造成捕獵的工具
人類由此進入
石器時代
（美洲石器時代的克洛維斯矛尖，圖片來源@Wikimedia Commons）
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當巖石風化
其中的一些成為了黏土
與水混合後可塑性極強
經過火燒後又變得堅硬且隔水
這就是
陶器
（山東，大汶口文化晚期的陶器，圖片來源@Wikimedia Commons）
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人類對火的掌握
也逐漸演變出新的用途
熔鍊金屬
銅的性質穩定，熔點較低
因此成了最早被冶煉的金屬
後人在銅裡加入錫
使其成為強度更高的青銅
青銅被用於祭祀、戰爭
這就是人類的
青銅時代
（三星堆青銅器，圖片來源@VCG）
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很快
青銅又被另一種
強度和韌性更高的金屬取代
這就是鐵
從武器、禮器和交通工具
到農具和日常用品無不有鐵的身影
人類進入了
鐵器時代
（日本18世紀的護甲，由鐵、皮革、鍍金銅、絲綢等材料製成，圖片來源@Wikimedia Commons）
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隨著冶鐵技術的提升
人們發現控制生鐵中的碳
會讓成品更加堅韌
這就是
鋼
（大連特殊鋼公司第一煉鋼廠工人們正在熱火朝天忙生產，圖片來源@VCG）
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來自遠古植物的碳
經過數十至數百萬年的埋藏
轉變為
煤
沉睡在地下
在18-19世紀
開始被歐亞大陸西端的人類
大規模挖掘
它作為一種重要的燃料
點亮了工業革命的曙光
（紅山煤礦及運煤車，攝影師@張波）
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煤燃燒的熊熊烈火
將水燒成蒸汽
推動著鋼鐵製造的機器巨獸
徹底改變了人們的生產方式
人類進入了
工業時代
（遼寧瀋陽調兵山礦區鐵路上的蒸汽機車，攝影師@房星州）
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但地層中的碳元素
還有另一種存在形式
石油
如今它流淌在幾乎每一臺發動機中
成為工業的黑色血液
（哈薩克斯坦北布扎奇油田，採出的原油被裝入油罐列車運往海港，圖片來源@VCG）
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石油的作用還不止於此
它含有豐富而多樣的有機分子長鏈
這些分子被分解、再合成
成為了
塑料
這種可塑性和多樣性極高的材料
被人類使用到極致
（上海，德國藝術家兼攝影師麥可·沃爾夫的名為《真實的玩具故事》的裝置藝術裡，玩具工廠工人的頭像幾乎淹沒於2萬個兒童玩具的海洋，圖片來源@VCG）
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除此之外
富集在大氣中的氮元素
被大批量地用於製作
化肥
徹底改變了
人類延續千年的農業傳統
（江西省吉安市泰和縣水槎鄉畲族村，畲族村民正在田間施肥勞作，圖片來源@VCG）
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地殼中含量第二位的元素
矽
憑藉獨特的導電性能
成為了晶片的基礎
以此為基礎發展起來的計算機
將人類帶入了
資訊時代
（這個被沙烏地阿拉伯向授予了國籍的機器人，能通過臉部和頸部的62個肌肉結構來表達自我，它使用的AI技術會分析正在進行的對話，推斷信息，圖片來源@VCG）
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宇宙大爆炸產生的微量元素
鋰
被製成了輕便可靠的
鋰電池
創造了一個
移動電子設備的世界
（浙江省長興縣，一家公司自主研發生產的一輛輛純電動汽車，圖片來源@VCG）
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環顧四周
我們已被自己的創造包圍
100多種元素
構築起一個物質的世界
另一方面
我們也掌握了毀滅的力量
在超新星爆發中誕生的重元素
鈾和鈽
擁有極其不穩定的大原子核
它們會自發地分裂成較小的原子
同時釋放出能量
這一過程被稱為
核裂變
而當裂變的過程如雪崩一般
連續不斷地發生時
其釋放的巨大能量
就成了毀滅世界的武器
原子彈
（原子彈爆炸過程，圖片來源@Wikimedia Commons）
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而如果
將氫原子聚合在一起
模擬恆星的聚變過程
釋放出的能量將更為驚人
這就是
氫彈
（氫彈爆炸過程，圖片來源@United States Department of Energy）
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所幸
對核能的利用
逐漸走上正軌
成為日常電力的來源之一
（中國西部首座核電站——廣西防城港核電2號機組首爐核燃料裝載完成，圖片來源@VCG）
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除了利用已有的元素
人類還通過更極端的手段
將原子核打碎重組
探究物質結構的終極秘密
產生地球上不存在的新元素
（美國費米加速器國家實驗室的粒子加速器，圖片來源@Department of Energy from United States）
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這些元素構築了這個龐雜的世界
而這一切的一切都源於
138億年前的那場宇宙大爆炸
我們都來自星塵
當宇宙視角被開啟
從更高的維度去觀察這個世界
我們才清晰地認識到
人類在宇宙中所處的位置
才能以全新的視角去看待自我
認識宇宙
也就是認識人類自己
當我們對世界的探索愈發深入
我們就越深刻地發現
這是一個充滿不確定的世界
舊的元素碰撞出新的可能
生命形態在演變中無序迭代
即使現存的認知是否也有別的可能？
人類覺醒於未知
也終將走向自己的未來
（一件退役的俄羅斯太空服，被人類「故意」從國際空間站拋出，成為一顆獨特的人造衛星，被稱為「Suitsat 1號」，圖片來源@NASA）
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在這不斷探索的過程中
我們也劃出自我的軌跡
正如星星在宇宙中劃出的星軌
其實
星辰一直與我們同在
組成我們軀體的氫
來自宇宙大爆炸
隨血液流淌的鐵
曾是某顆恆星的核心
攜帶著遺傳信息的氮和磷
也曾在原始的大氣與海洋中遊蕩
（人體元素組成，比例按照各元素原子數量計算，製圖@趙榜/星球研究所）
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我們的肉體終將消逝
還有所有的生命形式
所有的山川與湖海
地球、太陽、整個星系
都將化為塵埃
但這一切
也將以另一種形式繼續存在
直到宇宙的盡頭
它們就是元素
是宇宙諸子
本文創作團隊
撰稿：張照
編輯：李張子薇
圖片：任炳旭
設計：趙榜
審校：雲舞空城，馬超，朝澈
文首圖片：星系NGC 3783中心的超大質量黑洞，來源@ESO
P.S. 本文主要參考文獻：
[1]柴之芳. 從宇宙大爆炸談起[M]. 湖南教育出版社, 2012.
[2]尼爾·泰森. 140億年宇宙演化全史[M]. 北京聯合出版公司, 2019.
[3]唐曉東等.宇宙中元素的起源[J]. 物理, 2019.
[4]陳豐等. 太陽系行星系統的形成和演化[J]. 礦物巖石地球化學通報, 2010.
[5]汪品先等. 地球系統與演變[M]. 科學出版社, 2018.