鐵是一種金屬元素,而且是我們生活中最常見的一種金屬元素。鐵在我們的生活中有著太多太多的用途,包括人體自身也不能缺鐵。但是在化學家、物理學家眼中,鐵不僅僅是金屬元素,也有可能是我們生命的盡頭。
鐵是萬物的分界
鐵的物理化學性質已不必再多言,今天更重要的是鐵在化學元素周期表中的位置——26號元素。
這有什麼特別的呢?表面上看上去並沒有什麼特別的。有趣的是,正是因為它處在26號位置,使得鐵成為了輕重元素的唯一分界線。
科學家們將鐵之前的25種元素稱為輕元素,後面的所有元素稱為重元素。這樣的位置使得鐵有一個得天獨厚的優勢——鐵原子的比結合能比任何元素的都大。
這意味著鐵原子是所有元素原子中最為穩定的。我們知道,氫更容易發生聚變,鈾更容易發生裂變。雖說根據相對論E=mc,任何原子只要有足夠的能量都可以裂變或聚變,但是那需要的能量將是非常大的,這也就解釋了為什麼氫彈的威力大於核彈,因為光速c是一個非常大的數。
也因此,我們得到了這樣的一個分界元素——鐵。所有的核聚變和核裂變到鐵這裡便會因為需要的能量數量級倍增而暫時停止(在壓力和溫度相當高,能量極大時,鐵也可以聚變,但目前宇宙中能發生鐵聚變的條件幾乎沒有)。於是鐵便成了「萬物」的分界。
宇宙終結論
為什麼是「萬物「的分界呢?我們先來設想一下我們所居住的宇宙在未來的某一天會如何滅亡。
宇宙的終極命運是物理宇宙學中一個主要的議題。許多科學理論都對宇宙的命運做出預測,包括時間的無限及有限的爭論。自從大爆炸理論被科學家廣泛的接受後,宇宙的終極命運也就成為一個可以被探討的問題。目前被學術界廣泛接受的學說不多,以熱寂說和大撕裂結局為主。
「大撕裂「假說
「大撕裂」假說認為如果暗能量是狀態方程小於-1的「幽靈暗能量」,那麼它的密度就會隨著時間增加而增加,從而導致宇宙膨脹的速度越來越快,那麼隨著宇宙的不斷膨脹,宇宙中的所有物質(甚至時空本身)最終都會被逐漸撕碎,瓦解為不受束縛的基本粒子和輻射。
熱寂說
根據熱力學第二定律,作為一個「孤立」的系統,宇宙的熵會隨著時間的流異而增加,由有序向無序,當宇宙的熵達到最大值時,宇宙中的其他有效能量已經全數轉化為熱能,所有物質溫度達到熱平衡。這種狀態稱為熱寂。這樣的宇宙中再也沒有任何可以維持運動或是生命的能量存在。
然而,除了這兩種終極命運,科學家們提出了另一種觀點——鐵終結宇宙。根據熱寂學說和量子力學觀點,宇宙在足夠長的時間後,會因為衰變和量子效應,全部物質的熵將變得最大,甚至黑洞也將蒸發殆盡。在所有物質中,鐵原子是最穩定的,也既是熵最大的物質,那麼在熱寂學說成立的條件下,所有的衰變和裂變在鐵元素處終止,如果質子不發生衰變,那麼宇宙最後就只剩下鐵元素,既是題目所說的觀點。如果質子存在衰變現象,那麼鐵元素中的質子最後會衰變為輕子(比如電子、中微子等等),而中子會先衰變為質子,再發生質子衰變,這個時間數量級長達10^1500年。
對於宇宙終結論的質疑
大撕裂:目前人們對暗能量的研究還是停留在(甚至剛開始)發現理論階段,所有的假說必需要有足夠的理論支持才能站住腳跟,但是直至目前,學術界一致認為大撕裂是最有可能也是最科學的使宇宙終結的方式。
熱寂:熱寂說單純地考慮熱力學第二定律,沒有考慮引力效應。而引力系統是負比熱容系統,不存在穩定的平衡態。我們的宇宙在引力效應的作用下雖然可以看作孤立系統,但它並不是穩定的。
鐵終止:中等數量核子比結合能差異不大,在宇宙自然環境中,無法形成足夠強大且持續穩定的(恆星)高壓環境,能將質子數略小於鐵的元素都轉化成鐵;略高於鐵的元素,也無法全部自發裂變成鐵元素。對於略高於鐵的元素,越靠近鐵的核裂變,釋放的能量也越少。要使其能轉化成鐵,就需要高能量粒子轟擊才能實現,宇宙環境下,其不可能自發裂解。
也正是由於這些中等數量核子的自身穩定性,包括地球在內的宇宙中,還廣泛存在矽(Si)、鈣(Ca)、氙(Xe)、鎢(W)、金(Au)等。雖然這些元素相對於氫是少之又少,但卻穩定存在了至少45億年之久。
總而言之,宇宙的奧秘仍然需要我們不斷地探索,作為一個化工工作者,我也希望某一天能夠親自解開這其中的奧秘。
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