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两性生殖器官互插 _构成我们的物质从何而来,为何铁元素是核聚变的终结者

2019-08-22 00:40:16

哈勃空间望远镜拍摄的侏儒星云,这是一团船底座 η 核合成过程中产生的物质云。这颗恒星已近生命终点,正在吐出云团。在一百万年间,它会成为一颗超新星,并在一次极为壮观的高能爆发中向宇宙空间抛射物质。

构成我们的物质从何而来,为何铁元素是核聚变的终结者


在婴儿期,我们的宇宙拥有的唯一元素是氢,这是一种最简单的元素——靠它几乎不足以形成什么有趣的东西,如行星或人类。随着宇宙逐渐冷却,每个单一质子都会得到一个带负电荷的电子并成为氢原子,宇宙中大约 92% 的原子是氢。剩下的大多聚合成了氦以及极少量的锂和其它轻元素。在那个时候,由于过份寒冷,其它元素无法形成,宇宙进入了一个持续 3.8 亿年的黑暗时代。


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随着宇宙的扩张和冷却,引力开始发生作用。星系结合起来,很快第一颗恒星开始发光。最初,光仅由恒星的体重决定:当一颗恒星在它自身的重量下坍缩时,氢堆积在一起,这会导致它变热,这就如同你把油灰攥在手心。凭借它自己,引力只能让这些恒星保持发光数百万年,但这已足以让这些恒星的核心变热,并使核聚变炼金术开始。

实际上,这些聚变反应以许多令人震惊的方式发生着。聚变不是两个原子核的简单联合。在大多数恒星内,氢原子核无法靠近到足以发生聚合。

一对氢原子核靠得越近,正电荷的互相排斥就越强烈。但是因为原子核是一种量子物体,因此它们不需要通过靠得足够近的方式来发生聚变,而只需要靠近到适当的程度。然后一种被称为量子隧穿的效应就会接管。此刻两个原子核几乎接近到足以发生聚变,而一下刻它们就突然结合在一起了。这就好比原子核没有足够的能量来打开门走过去,但是它们偶然会用瞬间移动来穿越墙体。

但是即便是这种量子魔法也不足以使一颗恒星成功。因为不仅仅是要发生聚变,还需要产生足够稳定的物质。由两个质子聚合成的氦-2(包含两个质子,但不包含中子),是极端不稳定的,它常会分解回两个单独的质子。但是存在有万分之一的机会,其中一个质子会转变为中子,使原子变成氘,一种稳定的氢同位素。氘和氢可以聚合成稳定的氦,并释放出巨大的能量,开启神奇的恒星创世序幕。


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从氢到其它元素,每一步转变都依赖于罕见的天体与量子过程。从原初物质到我们人类,充满了侥幸。

对于小型恒星来说,氢是它们唯一的燃料;燃料耗尽后,它们就陷入黑暗。但当首批恒星中最大的把它们的氢转变成氦后,它们的燃烧方式就不同了。当这些大恒星停止氢聚变后,它们的内部压力开始下降,引力使它们再次坍缩,而它们的核心温度就会再次升高。当它们核心的温度达到一亿 K 时,氦开始聚变为铍(一种原子核中拥有 4 个质子的元素),而铍和氦聚合为碳(6 个质子)。地球生命的元素中心开始在炽热的恒星心脏处形成,尽管这些碳还需要经历漫长的旅程才能成为我们的一部分。碳聚变成为氮和氧(分别拥有 7 个和 8 个质子),又产生了两个生命必须的元素,而从它们开始,经历一连串的聚变反应后,最终形成铁(26 个质子)。

将铁聚变为更重的元素不能产生更多的能量,而较轻的元素聚变则然——铁如果聚变,它会吸收能量,但这实际上是件好事。假如元素会无止境地聚变成较重元素,那第一批恒星就会无休止地聚变下去,直到变成中子星,那是一种巨大的不可分化的原子核物质球体。因为铁的聚变实际上会冷却恒星的核心,所以聚变的链条关闭了。聚变停止后,第一批大质量恒星最终在它们自身的重量下坍缩,引起的便是超新星爆发。这些恒星的外层富含碳、氮和氧,它们被抛入星际空间,而只有它们的核发生了再次坍缩,成为了中子星。


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长久以来人们一直以为恒星的聚变和超新星足以产生我们周围的所有元素。但是现在我们知道,其它还有一些奇特的过程在此间扮演了关键的角色。最近的研究显示,那些稀有的重金属,如金,其大部分是在两颗中子星的碰撞过程中产生的。地球上所有的金子似乎都是由这样的一次碰撞产生的。

从氢到其它元素,每一步转变都依赖于罕见的天体与量子过程。从原初物质到我们人类,充满了侥幸。在这个链条上的每一个环节都不仅仅是可能性极小,而且在物理学上也是极端敏感的。假如结合质子的强互作用力再高仅仅 2 个百分点,那氦-2 就会变得稳定。聚变发生得会更为容易,因此第一代的炽热高密度恒星就不会出现。改变这一过程中的任何一部分,宇宙就会变得非常不同,而我们也可能就不会存在了。

这就是有时候会被人提及的所谓“精准宇宙”理念,这一理论认为,生命的存在依赖于象恒星核聚变这样的现象以正确的方式发生。它引发了关于宇宙起源的神学争论,当然另外一些人持的观点则完全相反。不论怎样,有一件事是清楚的:是我们让宇宙变得显而易见。我们所有及所见的一切都是氢,它们在引力和时间的钳锅中诞生。


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