宇宙的盡頭也許會變成鐵?鐵真的可能是萬物最終的歸宿嗎?

2020-12-05 意想不到的化學

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。

哈哈哈我是小意,非常感謝大家的閱讀,喜歡小意的可以點一下關注哦,每天都會科普化學元素小知識哦~~O(∩_∩)O

(本文章素材來源於網絡,旨在科普趣味知識,不代表個人觀點。)

號外:小意在充分的準備後會在不久後連載美劇《絕命毒師》以及《車諾比》裡的化學知識科普,具體時間會在文章下方說明,敬請期待。

相關焦點

  • 為什麼宇宙所有元素最終都可能會變成鐵?
    理論上,在遙遠未來的某一時刻,宇宙中的所有元素有可能都會轉變成鐵元素,準確的說是鐵-56。熱力學第二定律表明,作為孤立系統的宇宙,它的熵始終在增加,即混亂度會越來越高,有用能會越來越少,這就是熵增原理。
  • 據說「宇宙最後所有元素都會變成鐵」,你以為是真的?
    最近,很多自媒體科普文章(含視頻)表示:質子數低於鐵的元素可以聚變釋放能量,質子數高於鐵的元素可以裂變釋放能量,宇宙所有元素最終都會變成鐵。這個說法有哪些依據,結論又是否正確?今天,扒一扒一周刊對該觀點的看法,以及宇宙最終形態。
  • 核聚變能夠產生鐵元素,為什麼恆星最終結局卻不是變成鐵球?
    核聚變最初從氫元素開始,逐漸向越來越重的方向演化,最終能產生鐵元素。那麼問題來了,為什麼恆星沒有變成鐵球呢?在早期對宇宙的探索過程中,科學家們發現了一個值得注意的現象,有一種元素幾乎存在於每個星球上,它在相當一部分天體中還佔到了主導地位,它就是氫元素。氫元素在地球上的存在並沒有那麼明顯,但是在恆星中則尤為明顯,因為一顆恆星有超過90%的元素成分都是氫元素。
  • 氫、氦消耗殆盡後的太陽會變成什麼樣?恆星最終的歸宿
    地球因為太陽而富有生機,人類每天都在接受太陽的恩澤,太陽創造了能量,創造了生命,對人類而言太陽的偉大不言而喻,每天清晨出生太陽火紅火紅的從東邊的地平線上冒出來,美麗壯觀,幸福的一天開始了,沉浸在幸福之中的我偶爾會手搭涼棚,抬頭看看這耀眼的大火球,「你是那樣的高高在上,聖神莊嚴,人的一生不過幾十秋,最終化為塵土,那你的最終歸宿又是什麼呢?
  • 元素怎麼核聚變的,為什麼最終元素是鐵,恆星真會變成大鐵球嗎?
    恆星聚變的最終元素確實是鐵,但鐵卻不是最終的元素,而恆星呢也會成為一個鐵球,但卻不全是鐵球,要理清這個關係,必須來了解下這個過程。元素的秘密元素是怎麼誕生的?也許很多朋友會啞口無言,因為這問到了一個本質問題,根據現代天文理論,最早的元素誕生於宇宙大爆炸,也就是從宇宙從一個能量的濃湯中溫度下降到夸克膠子相變溫度以下時,夸克和膠子誕生,溫度繼續下降,夸克和膠子結合組成了重子,到3分鐘宇宙溫度下降10億K時,質子與中子結合,形成大量氫原子,以及少量氦原子與微量鋰原子核,但真正的元素需要等宇宙37.9萬年以後冷卻到捕獲電子構成原子時。
  • 宇宙的最終歸宿是什麼?黑洞?大撕裂?還有一種解釋令人恐懼!
    行星的歸宿取決於它所在星系的恆星,當恆星走到生命盡頭,變成一顆紅巨星時,離得較近的行星將會被吞噬,離得較遠的行星將變得異常寒冷,並脫離恆星的引力,在宇宙中「孤獨」地「流浪」。恆星的歸宿無非有三種,矮星,中子星和黑洞。
  • 據說宇宙最後所有的元素都會變成鐵,這是為什麼?你知道原理嗎?
    據說宇宙最後所有的元素都會變成鐵,這是為什麼?你知道原理嗎?從理論上可以解釋宇宙中所有元素最終都將變成鐵-56.在整個元素周期表中,元素按質子數從小到大排列,鐵是第二十六號元素。在所有的元素中鐵56的結合能最大,最穩定。
  • 宇宙只是一個循環?科學家推算出宇宙的盡頭,最終會變成什麼樣?
    宇宙對於人類是神秘的,雖然人類已經研究宇宙多年,對它大部分的結構比較熟悉,可是了解過於片面,沒有一個人知道宇宙究竟是如何誕生的,它的邊界又在何處,這些問題似乎是無解的,前段時間一位科學家竟然推算出宇宙「終結日」,難道宇宙將要走到盡頭了嗎?宇宙將要走到盡頭?
  • 難道科學的盡頭真的是神學嗎?
    在過去由於科技沒有那麼先進,很多自然現象,人類都沒有辦法去解釋,所以久而久之有一些宗教的教徒,用神學的角度去解釋了自然界的一些現象,不過隨著科技的不斷發展,現在有很多的謎團都已經解開了,曾經用神學去解釋的一些事情,現在也能用科學的角度去解釋的通,但是後來有一些科學家也是提出了這樣的一個觀點,在科學的盡頭到底有沒有神存在呢
  • 水能被壓縮嗎?無限壓縮它將變成鐵
    這就是試圖壓縮水的後果,但世界萬物都不是那麼絕對,如果施加以無窮大的壓力,從理論層面上來看水是否真的可以被壓縮?有朋友認為繼續壓縮,氫原子的電子會被壓入原子核與與質子中和成中子,其實這個結果最終確實會發生,但事實上會先經歷另一個過程,因為繼續壓縮下的超高溫會導致氫原子的電子會游離,而原子核靠的比較近,形成一種金屬氫的怪異物質,因為存在自由電子,它是會導電的!
  • 宇宙真的源自大爆炸嗎?宇宙會有生命的盡頭嗎?宇宙之外是什麼?
    並且,此時可以推算出宇宙的密度,相當於水的40億倍。也就是說如果有個當時宇宙相同體積的水,那麼當時宇宙的質量就是水的40億倍。到大爆炸後的十分之一秒宇宙的溫度已經下降到10億攝氏度。此時可以形成重氫核。在此後的幾十萬年的時間裡,溫度不斷地下降,形成了氫原子,氦原子。最後形成星雲,恆星,最後則形成了我們如今的世界萬物。雖然這是如今最被認可的理論,但是也並不是完美無缺。
  • 萬物盡頭,宇宙的至暗時刻,會發生什麼
    最終,宇宙將終結。而且不會很漂亮。——《萬物盡頭(The End of Everything)》。《萬物盡頭》是美國理論天文學家凱蒂·馬克(Katie·Mack)所著,討論了宇宙滅亡之時的幾種可能的情景。
  • 宇宙中會不會存在鐵基生命?
    鐵原子核雖然是宇宙中最穩定的原子核,但是鐵元素卻並不穩定,而且鐵元素還無法形成穩定的共價鍵,所以鐵基生命基本上是不存在的。鐵元素有人可能會說,未來的人工智慧發展到一定程度就基本上算是生命力,難道它們不是以鐵為基礎的生命嗎
  • 恆星核聚變的最終產物是鐵,為何恆星卻不會變成一個大鐵球?
    在宇宙誕生之後,各類天體也都紛紛出現,恆星便是宇宙重要的組成部分之一。根據科學家們研究得知,恆星在誕生之後,主要成分大部分都是氫元素,此後,伴隨著恆星內部被點燃,開始進行核聚變反應,氫元素也伴隨著恆星內部的活動,進行一系列的化學反應。
  • 為什麼有人說核聚變到產生鐵元素時就停止了?
    宇宙誕生之初,主要的元素就是氫和氦,這兩個元素是元素周期表最靠前的兩個元素。並不是說,在那個時候沒有形成原子序數更高的元素,只是因為那些元素還不夠穩定,因此,又裂變為氦原子核了。我們從元素周期表中也能看出,原子核比氫原子核和氦原子核大的元素原子核多了去了,現在的元素周期表都已經可以排到110多位,而且還沒有達到盡頭。
  • 為什麼26號元素鐵,可能是宇宙最後一種元素?
    理論上,人類還可以合成出更重的元素,最重的元素有可能是第184號元素。在地球上,氧、矽、氮、鋁、鐵等都是十分常見的元素。但在宇宙中,最為常見的元素是元素周期表中的前兩種元素——氫和氦,其中氫的質量佔比為75%,氦的質量佔比為24%。氫和氦合計佔到了宇宙總質量(重子物質)的99%,其他更重元素的佔比僅為1%。
  • 變形金剛也許不只是電影?宇宙遠超我們想像,或存在鐵基生命?
    在尋找外星文明過程中橫衝直撞了多年仍無頭緒之後,有科學家提出,或許我們需要擴展新的思路,因為宇宙是遠超我們想像的,也許除了碳基生命之外還存在其他的生命形式,比如氧基生命、鐵基生命等。受有限的技術影響,我們現在還不能研製出電影中那樣先進的智能的變形金剛,只能通過影視方式將其詮釋出來,但是有人對此想法進行了延伸,認為變形金剛也許不只是電影。他們認為,在浩瀚的宇宙中,或許有比我們人類更高級的文明存在,而他們可以輕而易舉地做到我們無法做到的事情,比如製造出變形金剛。
  • 宇宙有盡頭嗎?如果一直朝一個方向走,你會發現什麼?
    至於宇宙的起源,目前的主流觀點是起源於138億年前的一次奇點爆炸。一個小小的奇點就能變成一個浩瀚的宇宙,真的顛覆了很多人的認知。雖然目前對於大爆炸理論還沒有足夠確切的證據,但是很多宇宙觀測數據都支持這個理論的正確性。
  • 鐵基生命有沒有可能存在?會不會像是賽博泰星球的汽車人一樣?
    但是根本不可能,因為以鐵或者鐵基化合物很難在宇宙中發展演化。世界上有許多勞動奇特的科學家提出各種關於基礎生命的理論,比如有人提出過碳基硫基生命嘆氣,抨擊生命碳基氨基生命,甚至是能量電磁生命等等,不過從來沒有一個科學家考慮過鐵基生命,這是為什麼呢?
  • 恆星核聚變到鐵就停止了,比鐵更重的元素是如何形成的?
    ,再從氦三聚變成氦四,再到碳、氧、氖、鎂、矽、硫、鈣,直到鐵元素…… 迄今為止,我們宇宙中已知的化學元素共有118個,而宇宙萬物都是由元素所構成的,但恆星的演化卻只能進行到鐵56。 核聚變為什麼到鐵元素?