從物理角度談人類的起源：構成人體的元素是怎麼來的？

當今主流觀點認為人類起源於非洲，基因研究也表明人類擁有共同的祖先。事實上，當今地球上人類的生物學學名叫智人。經過古人類學家的長時間研究發現，歷史上曾經出現過十幾種人，但只有智人還繁衍至今，其它的都在進化的過程中滅絕了。

     

上圖為歷史上曾經出現過的人

化石證據表明，人類是由幾百萬年前的一種古猿進化而來的。注意是猿，不是猴子，而且是幾百萬年前的古猿，不是如今的猿類。這兩者是有明顯區別的，猿沒有尾巴，而猴子有尾巴。

從生物學角度已經能夠很好的解釋人類的起源，那麼從物理學角度如何解釋人類的起源呢？物理角度看待問題更深刻，人類的起源其實就是萬物的起源，沒有地球又怎麼會有人類。萬物都是由各種元素構成的，形成有機物的關鍵就在於碳元素，那麼這些元素是怎麼來的呢？今天科學探索菌就帶大家了解一下元素的起源。

古代元素論

關於萬物的構成，古人很早就進行了相關的思考。古希臘的四元素說和古代中國的五行說都是最早的元素論，古人認為世間萬物就是由幾種簡單的元素構成的。不過由於當時人類的認知水平落後，總結出來的觀點都是錯誤的，但這確實是最早的元素論。

     

除了古代元素論，還出現了古代原子論，在歷史記載中最早提出該觀點的人是古希臘哲學家德莫克利特。德莫克利特猜想世間萬物是由不可分割的微粒構成的，整個世界就是由原子和虛空組成的。這在當時來說，確實是天才般的想法。

顯然，複雜的人體是不可能由這麼簡單的幾種元素構成的，想用該理論指導治病救人更是行不通的。

什麼是元素？

就人類目前的認知來說，除了暗能量和暗物質以外，宇宙中的普通物質都是由各種元素構成的。不管是人，還是太陽地球，它們都是由各種元素構成的。

現代科學對元素的定義：元素就是一類具有相同質子數的原子。一個原子由原子核和核外電子構成，而原子核又由質子和中子構成。質子和中子的質量差不多，原子核則佔據了原子總質量的99%以上。那是因為一個質子的質量是一個電子質量的1836倍。

     

上圖為原子的內部結構示意圖

具有一定質子數和中子數的一類原子，被稱之為核素。一類元素的質子數必須相同，但中子數可以不同。一種元素一般有好幾種核素，核素之間互為同位素。比如氫元素就存在三種天然核素：氕、氘、氚，通常我們所說的氫原子就是指的氕。不同同位素佔元素的比重也不同，比如宇宙中的氫元素主要就是氕原子。

人體由哪幾種元素構成？

古人曾認為世間萬物是由金木水火土5種元素構成的，如今科學家們總共已經發現了118種元素，其中有92種是在地球上天然存在的。一種元素對應著許多種核素。目前人類已經發現2000多種核素，其中僅有300多種是天然存在的，餘下都是人工製造的。人造核素大多不穩定，具有放射性。

地球上雖然有92種天然存在的元素，但一般只有質子數在84及以下的元素才具有穩定的核素。據科學家們統計，地球上的生命主要有28種元素構成，而人體中主要含有11種元素，它們是氧、碳、氫、氮、鈣、磷、鉀、硫、鈉、氯和鎂，這11種元素佔人體總質量的99%。

     

除了這些常量元素，還有一些必要的微量元素，它們之間通過化學反應形成了種類繁多且複雜的化合物。這些化合物（主要是有機化合物）通過極奇複雜的方式進行組織，於是便形成了生命，人體就是由這些化合物構成的。

元素周期律和元素周期表

19世紀中葉，人類已經發現了60多種元素，人們總是嚮往簡潔有序，於是便有科學家開始著手研究元素的分類問題。

世界上最早發現化學元素的性質具有周期性變化規律的是英國化學家紐蘭茲，他提出了關於元素周期變化的八音律。此後，俄國的化學家門捷列夫在此基礎上，通過大量的工作完善了元素周期律，並發明了元素周期表。

     

上圖為晚年的門捷列夫

科學家們發現，元素的物理化學性質會隨著相對原子質量的遞增而呈現周期性的變化。元素周期律的本質是質子數的遞增，以及核外電子的周期性排布。外層電子的分布對元素的化學性質具有很重要的影響，比如化合價等。

元素周期表的誕生，對指導人類發現新元素、研究物質的化學變化及化學性質起到了非常重要的作用。現代版的元素周期表已經非常完善了。

     

上圖為現代版的元素周期表

元素的數量還能繼續增加嗎？

人類如今已經發現了118種元素，那麼還會發現第119種，甚至更多的元素嗎？有一點很明確，元素的數量是有限的，元素周期表不可能無限擴張。

依據規律，元素的原子量不可能無限增長，這主要受限於原子核的穩定性。核內質子帶有同性電荷，雖然同性相斥，但強大的核力蓋住了庫倫斥力，將它們強行粘合在一起，而中子正是起了穩定原子核的作用。此外，呆在原子核內的中子，其壽命會更穩定，而自由中子的壽命只有10多分鐘。除了氕原子核（一個質子），其它核素都需要中子。

     

如圖所示，中子衰變後會轉變為質子，並釋放出一個電子和一個中微子。

隨著質子數的增加，原子核內所需要的中子數也越來越多，這會導致原子核的穩定性變差，最終發生放射性衰變。研究表明，原子序數或者質子數在84以上的元素，大多都是放射性元素，有些放射性元素的原子的壽命只有數秒鐘。實驗還發現，核素中質子數和中子數為幻數時，核素的穩定性要高很多，並且穩定核素中質子數和中子數有各自成對的趨勢。

目前有一種叫做穩定島的理論，該理論預言，在質子數為114、中子數為180附近，有可能存在一些比較穩定的核素。若該理論正確的話，這就意味著還存在更多種類的元素。這些元素可能要在特定環境下才能夠穩定存在。

     

目前看來，理論上還可能存在119號及更多種類的元素，元素周期表還有可能發生改變。

這麼多元素從何而來？

元素的種類雖多，卻由質子數決定。

科學家們研究發現，宇宙中元素的分布是不均勻的，其中氫元素的豐度最高。隨著原子序數的增加，元素在宇宙中的佔比也呈下降趨勢。不存在一些不同，比如鐵和鉛的豐度的異常升高，這與元素的穩定性以及核融合有關。

     

上圖為不同元素在宇宙中的相對豐度

不同元素之間可以通過核反應相互轉換。至於宇宙中重核元素為何比輕核元素少，這得從元素的誕生說起。

眾所周知，宇宙誕生於大爆炸，宇宙中最早的一批原子是氫原子。宇宙中數量眾多的恆星就是由氫構成的。恆星在它的生命周期中會發生數輪核聚變反應，那些質量較大的恆星在聚變到鐵元素後就不會再聚變了，這是因為鐵的平均結合能最大。鐵之後的重元素則誕生於恆星死亡時的那一刻，大質量恆星在衰老死亡時會發生超新星爆炸，那時產生的高溫高壓才足以創造金、銀之類的重元素。而重元素又存在較多的不穩定核素，會衰變成更輕的元素，因此才會產生發生重元素的豐度比輕元素少的情況。因為重元素更難合成，並且核素的不穩定性更高。

          

上圖為不同元素的結合能，其中鐵元素最高。

根據預測，隨著恆星的不斷形成及衰老，宇宙中鐵元素的含量還將持續升高，氫元素的含量還將會持續下降。

由此可見，宇宙中種類眾多的元素都是從氫原子開始構建的，在恆星這個大熔爐中，不斷鍛造生成其它種類的元素。

來自星星的我們

沒錯，你沒聽錯，構成我們的材料來自於天上的星星。天上的星星千千萬，絕大多數都是恆星。不過我並不是外星人，而是土生土長的地球人。

                 

從上面兩張圖可以看出，晚期恆星內部中的元素同樣可以在地球上和人體中找到。構成我們身體的材料就來源於死亡後的恆星，恆星消亡時那美麗的一瞬間，為生命的誕生創造了可能。宇宙中要是沒有碳元素，很有可能就不會誕生人類。