宇宙94種自然元素中,有三種元素非常罕見,生命離不開它們

2021-01-11 探索宇宙說

相信朋友們對於元素周期表都不陌生吧,上面一共有118種元素。這上百種元素中並不都是自然元素,其中94種是宇宙自然存在的元素,其它的24種則是人工合成的。

科學家根據質量的大小對這些元素進行了一個排列,排在第一的則是氫元素,第二是氦元素,第三則是鋰元素,隨後是鈹,硼,碳,氮,氧等。豐富的元素組成了宇宙這個物質世界,而地球這樣的生命星球,94種自然元素也都是存在。

科學家又通過科技的力量合成了24種新元素,而隨著人類科技的不斷進步,未來有可能還會合成更多的新元素。我們不討論那些人工合成的元素,這些人工合成的元素也是在自然元素存在的基礎上才實現合成的。如果沒有自然元素,也就不會有人工元素的出現。

豐富的元素對於一個生態星球是非常重要的,因為它們是誕生生命的關鍵。只有豐富的元素才能夠演化出早期的原始生命,人類是地球上的智慧生命,我們人體包含的元素是非常多的,達到了60多種,佔到了94種自然元素的一多半。

人體生命的延續離不開這麼多的元素,缺少任何一種都會讓我們的身體出現各種各樣的毛病。當然,這些元素在大自然中都可以找到,理論上來講,周期表排名越靠前的元素,宇宙中的含量應該是越多的,比如氫排第一位,它的含量佔到了宇宙元素的70%,

可是在眾多排名靠前的元素中,有三種元素卻是一個命名,它們在宇宙中的含量非常稀少。這三個元素就是排名第三的鋰,排名第四的鈹和排名第五的硼。理論上來講,這三種元素是輕元素,只比氫和氦更重一些,否則也不會成為3號,4號,5號元素。

在元素周期表上,排名越靠後的元素越重,自然界的含量應該越少,越靠前的含量應該越多,是宇宙中比較常見的元素。可為什麼這三個元素卻成為了例外,非常罕見呢?要揭開這個謎團,我們還需要從宇宙大爆炸到元素的形成來分析。

我們都知道,宇宙是起源於138億年前的時空奇點大爆炸。這個時空奇點就相當於是一個聚集了巨大能量的超級壓縮點。當奇點大爆炸發生之後,巨大的能量被瞬間釋放出來,根據愛因斯坦的質能方程式我們知道,物質和能量其實是相同的東西,只是質量的兩種表現形式。

當溫度達到極高的時候,質量就會以能量的形式存在。時空奇點內部的溫度自然是極高的,其中的物質只能以能量形式存在,當大爆炸發生之後,在很短的時間內,能量爆發出來,同時宇宙空間也急速暴漲。

在宇宙空間暴漲的過程中,溫度也在水斷下降,於是能量開始轉化為早期宇宙的各種粒子。夸克、輕子、光子、膠子和反物質粒子是早期宇宙最早出現的粒子,它們合成了第一批原子核。而光子由於能量太高,無法合成最簡單的原子核,只能被困在其中無法出來。

雖然這個過程只有短短的十分分鐘,可是卻奠定了宇宙的物質基礎,形成了75%的氫,不到2%的氦-4,大約0.01%的氘和氦-3,以及大約0.0000001%的鋰。你沒看錯,早期的宇宙已經誕生了極少量的鋰元素,不要小看這麼點鋰元素,它對於我們來說是非常好的事情。

如果沒有這點鋰元素,人類的生命形式可能就不是現在這樣,而且鋰對於人類科技的發展也非常重要的,在很多領域都需要應用到它。隨著宇宙的不斷膨脹,溫度繼續冷卻,大經30萬年後,光子終於突破封鎖釋放了出來。

光子的大量出現對於宇宙的演化太重要了,這個時候早期的恆星也開始誕生。上文我們說了,早期宇宙只形成了最基礎的元素,其中氫佔到了75%,那麼宇宙後來出來的90多種元素是如何來的?這裡我們不得不提供另一個功臣,那就是恆星。

元素轉化的關鍵就是溫度,只有在極高的溫度之下,氫元素才能聚變成氦,氦元素才能繼續聚變成其它的重元素。而在宇宙形成之後,這樣的高溫環境是沒有的,直到恆星的出現。

恆星的內部就相當於是一個巨大的核聚變反應堆,它的核心溫度非常高,從數百萬度到數億度不等。氫元素在這種高溫環境下,很容易就會發生聚變反應轉化為氦元素。當恆星燃料完氫元素之後,氫核聚變就會減慢並停止,這個時候引力坍縮導致核心區域不斷收縮,同時內部溫度會進一步大幅提升。

恆星內部的氫氦聚變停止之後,新的聚變模式會啟動,將氦元素繼續聚變合成更重的元素。而不同質量的恆星最終能夠聚變合成的元素種類也不同,像太陽這樣的恆星,最終只能合成到6號元素碳。然後氦聚變完全結束 ,外層脫離,核心則坍縮成白矮星。

可是對於大質量的恆星,聚變反應則會更加持續劇烈,核心進一步坍縮升溫,啟動碳核聚變,將碳元素聚變成氧,氧聚變成氖,氖又聚變成鎂,就這樣不停合成下去,矽、硫、氬、鈣、鈦和鉻等元素會相繼產生,一直到鐵、鎳和鈷。

而這樣的核聚變反應還不足以合成全部的94種元素,當大質量恆星走到末期會發生猛烈的超新星爆發,在這個過程中,還會繼續合成更重要的元素。而恆星演化形成的白矮星,中子星發生碰撞融合的時候同樣會製造出更重的元素。

由此我們可以看出,宇宙中自然存在的94種元素,它們的出現基本都跟恆星有關。通過這些元素誕生過程,我們會發現鋰元素,鈹元素和硼元素並沒有出現。氫聚變生成氦,氦聚變產生碳,碳聚變產生氧,可是鋰、鈹和硼它們哪去了?

科學家通過研究發現,恆星的聚變過程是無法合成這三種元素的,如果把氫與氦結合在一起,結果會得到鋰-5,但它極為不穩定,很快就會衰變。其它兩種元素同樣也是如此,即使勉強合成了也極不穩定,很快就會衰變。所以這三種元素的誕生不是恆星的聚變能夠做到的,那它們是如何出現的?

目前科學家的推測,這三種元素可能跟宇宙中最高級的粒子來源有關,而在宇宙中能夠產生高能粒子的主要是脈衝星,超大質量黑洞,超新星,千行星和活躍星系。對於脈衝星相信大家都知道,它其實也屬於中子星的一種,只不過脈衝星是比較特殊的中子星,能夠產生調整的旋轉,速度快的甚至能夠接近光速。

這些高能粒子源能夠加速粒子,各宇宙各個方向噴射宇宙粒子,粒子在加速運動的過程中可能會與其它粒子發生碰撞,從而有一定的機率製造出鋰,鈹和硼元素。由於它們的產生依賴於這種高能粒子在宇宙中的碰撞,所以非常稀有,而它們又是地球生命不可或缺的元素。

對於人類來說,我們太需要這三種元素了,可是它們在宇宙的含量太低了,怎麼辦?可能只有依靠我們不斷強大的科技。只要我們的科技實力更進一步,或許就有辦法人工來合成這三種元素,那個時候它們就不再是稀少的元素。如此稀少的元素,同樣出現在了地球上,由此也可以看出,地球是多麼不平凡的一個星球。

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