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1 # 量子科學論
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2 # 科學黑洞
構成我們的物質從何而來,為何鐵元素是核聚變的終結者?
這個話題還是非常值得討論一下的,世間萬物包括地球上的動植物、微生物等生命體,岩石礦物、大氣層、水等非生命體,以及仰望星空看到的繁星、星系,等等這一切都源頭都是138.2億年前的那個奇點,經過漫長時間的演化,最終形成了各種各樣的物種,或者說不同的元素構成不同的物質。那麼本質出來了,只要去尋找元素從哪裡來就可以了。
宇宙大爆炸按照目前的主流科學觀點,宇宙起源於138.2億年前的奇點大爆炸,經過漫長時間的膨脹演化,宇宙變成了我們現在看到的模樣。但是認識宇宙大爆炸的過程是曲折的,因為老一派物理學家不喜歡這樣的模型,一直以來宇宙都被認為是穩態的,既不膨脹也不收縮。
甚至愛因斯坦也深受這樣的思想影響,在他提出廣義相對論後曾用自己的場方程來研究宇宙演化的問題,最後得出一個沒有人願意看見的結論,那就是動態宇宙模型。為了消除這樣的影響,愛因斯坦在自己的方程中加入了宇宙學常數,讓宇宙重歸穩定。但是後來哈勃橫空出世,透過望遠鏡觀測到了宇宙紅移現象,這意味著這些星系都在遠離我們不斷的退行。愛因斯坦知道後來到哈勃工作的天文臺親自檢視,最後又把宇宙學常數給去掉了,因為宇宙是在膨脹的。
在後來愛因斯坦的自轉中他曾評價過這件事情,認為這是自己一生中最大的錯誤。因此星系紅移現象成了宇宙大爆炸的一個證據,而後來發現的宇宙背景微波輻射,宇宙大爆炸後的一縷餘暉,被認為是第二個證據。
宇宙大爆炸的一秒鐘之內統一場開始分解為強力、電弱力和引力,質子、中子和中微子開始形成,隨著時間的推移質子和中子的比重開始下降,正負電子湮滅反應出現,在極高溫的反應下核聚變開始進行,生成氫、氦以及極少量的鋰,當然還有其它重元素,但是宇宙大爆炸之處主要的元素還是氫和氦。
元素生產機-恆星恆星是宇宙中最重要、最常見的一類天體,它們的主要構成就是氫和氦,例如在銀河系中就有2000多億顆恆星,而宇宙中類似於銀河系的星系有2萬億個,當然這並不是我數出來的,是根據哈勃太空望遠鏡的深空場預估出來的。那麼最終宇宙中的恆星數量就是數不勝數了。
恆星在自身的引力塌陷作用下,在核心處形成了高溫高壓的環境,氫核在這樣的極端條件下,距離近了、運動速度變快了,最終碰撞融合的機率也就高了,在某個臨界點“砰”的一聲核聚變就開始了。一般前期的核聚變物件主要是氫,氫核聚變最後生成氦,但是在恆星的後期隨著氦含量的增高,達到一定程度就會發生氦核的聚變,但是氦聚變生成碳氧元素過程很劇烈,這也就是大劉《流浪地球》中提及到的氦閃。
當然太陽這樣的黃矮星,核聚變的結局就是白矮星,主要是碳和氧構成的。但是當恆星質量較大的時候,核聚變會繼續進行,只要條件滿足就可以進行,因此碳氧元素可以繼續進行核聚變。
尤其是超大質量恆星演化到生命後期,一波超新星爆炸,那個瞬間的高溫高壓環境會生成比鐵更重的元素,但是一般這種情況很少發生。
為何把鐵元素稱之為核聚變的終結者?目前已知宇宙中共有118個元素化學元素,世間萬物都是由這些元素構成的。恆星演化並不能把這些元素全部生成,一般認為只進行到鐵56,就很難再繼續核聚變下去了。
為什麼鐵-56這麼特殊哪?在這裡要提到一個新的概念-比結合能,物質都是由微觀粒子構成的,原子內包含原子核和核外電子,原子核主要是由中子和質子構成,這些粒子僅僅的聚在一起,甚至那麼多帶正電的質子擠在一起,相斥的電磁力都沒有把它們分開,主要就是因為核子之間存在強相互作用。如果想要抵消這種力把核子分開,就需要提供很大的能量,我們把這種所需要的能量就稱為結合能。
用結合能除以核子總數最後得到的就是“比結合能”,而比結合能越大的原子,種子和質子的結合就更加的緊固,要想把它們分離需要非常大的能量。而在118種元素中鐵56的比結合能是最大的,這也就意味著鐵56是最穩定的。比鐵56更重的會核裂變成鐵56,而比鐵56更輕的就會核聚變成鐵56。總之鐵56就像是一座大山,兩邊的元素會更容易向它靠攏。因此有科學家提出過這樣的設想,在未來宇宙可能會趨向於變成“鐵”的世界。
總結可以說構成這個宇宙的一切物質能量從根源上來講都源自於138.2億年前那個奇點,而隨著宇宙的不斷演化,一代恆星、二代恆星的不斷進行,宇宙中的元素含量也會不斷的變化,最終全部都趨向於鐵56。當然這種情況即使發生也是在很久很久之後,至少數百億年都不止。
屆時隨著太陽變成白矮星,地球被吞噬,人類如果僥倖延續到那個時代,就需要尋找新的家園了,銀河心中數千億顆恆星還是足夠我們選擇的,但前提是我們需要有足夠高的科技,這才有選擇的機會。
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3 # 張金強
有曰:自從一讀楞嚴後,不看人間糟粕書。《楞嚴經》說,清靜明白的本體,何以成為地水火風的世界?答案是覺明。覺明為咎!
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4 # 優美生態環境保衛者
構成我們的物質從何而來,為何鐵元素是核聚變的終結者?
這個問題不錯,涉及到了對宇宙的起源、發展演化、物質迴圈的系統性認知。從我們所生活的地球上的物體,再拓寬視野進入太陽系,然後是銀河系,再到更加廣袤的河外星系,共同組成了我們可觀測宇宙的一部分,而這些宏觀物體都是由微觀原子構成,而微觀原子又由於質子和中子的不同組合,形成了豐富多彩的物質世界。那麼,我們追根溯源,這些物質都是怎麼來的呢?
宇宙大爆炸-所有物質的起源其實在人類剛開始探測宇宙的奧秘時,並沒有意識到我們的宇宙到底從何而來,直到科學家們相繼觀測到宇宙微波背景輻射時,應用現有理論體系根本無法進行合理解釋。後來,隨著哈勃利用天文望遠鏡長期觀測到目標星體與地球的距離在逐漸遠離,距離越遠的星系紅移現象越明顯,科學界才逐漸形成了宇宙逐漸膨脹的事實,然後以現在的時間點進行倒推,提出了現在的宇宙來源於最初質量無限大、體積無限小、能量無窮高的奇點大爆炸假說。
大約138億年前,在奇點大爆炸的瞬間,隨著巨大能量的釋放,宇宙空間呈現大暴漲,以指數級體積增長的方式奠定了原始宇宙的基礎。在大暴漲之後,能量在真空環境下發生衰變,逐漸產生質子、中子、電子、夸克等所有基本粒子。幾十萬年之後,透過真空衰變的長時間醞釀,質子和中子才慢慢地結合形成原子核,然後又過了幾十萬年,這些原子核和電子才進行了結合,從而誕生了宇宙中第一批中性原子,其中佔比最高的為氫、其次為氦,氫的比例可以達到90%以上,從而為宇宙中星體的誕生創造了最基本的條件。
恆星核聚變-接納大爆炸後產生的物質並且創造新物質根據科學家推測,在宇宙奇點大爆炸之後的幾億年時間裡,星際空間中充斥著的物質主要是氫和氦等質量非常輕的氣體,宇宙中沒有一點光明。隨後,在星際氣體相互之間引力的作用下,這些氣體開始抱團,有些規模較大的氣團又相互聚合,形成原始星雲團。
這些星雲團與星雲團之間開始發生了比較明顯的引力擾動現象,促使一部分割槽域形成氣體密度更大的空間,從而可以吸聚更多的星際氣體,而且吸聚的速度越來越快,在氣體相互撞擊和引力壓縮的影響下,形成了溫度逐漸上升的核心區,恆星的“胚胎”逐漸登上了歷史舞臺,因此宇宙中最原始的一批恆星,是誕生於宇宙大爆炸之後5-6億年左右的。
當核心區積聚的物質規模達到一定程度,使得核心區溫度上升到700-1000萬攝氏度時,就會觸發之前吸聚大量氫元素的核聚變臨界點,核心區就會開啟氫元素的核聚變程序,從而拉開了恆星的序幕。之後,透過4個氫原子核聚變形成1個氦原子核、同時釋放若干光子和相應能量的鏈式反應,恆星內部持續進行著氫元素的消耗,而向外源源不斷地釋放著光子和能量。
維持恆星內部核聚變程序的主要因素在於核心的溫度,溫度的維持依賴著參與核聚變物質的不斷輸入,而恆星核心在核聚變的過程中,會向外產生一定的輻射壓,這個輻射壓在一定程度上阻止了恆星繼續從外界吸收星際氣體的能力,所以恆星的核聚變能夠進行到什麼程度,取決於在發生聚變前的原始質量。在聚變過程中,隨著氫元素的不斷消耗,內部溫度逐步下降,向外的輻射壓不足以支撐重力作用引發坍縮,而在坍縮過程中,恆星外層原來沒有參與核聚變的氫元素,補充進核心,從而又提升了核心的溫度和壓力,確保恆星內聚變的持續。可見,恆星之所以能夠維持相對穩定的形態,與輻射壓和重力相互之間的博弈有直接關係。
然而,當恆星質量較小時,在反覆的坍縮之後,外層也沒有多作的氫元素了,恆星內部的溫度就會逐漸降低,恆星的核聚變就會慢慢終止,此時恆星核聚變的產物就以氦為主,慢慢過渡到紅矮星行列。當恆星的質量較大時,可以維持內部核聚變溫度條件的物質基礎就比較雄厚,可以滿足支撐到氦到碳、碳到氧等等後續的核聚變條件。也就是說,不同質量的恆星,其最終核聚變的產生不盡相同,於是就相應地在產生氦、碳、氧、氖、鎂、矽、磷、硫、鐵之後完成恆星主序期的使命。
而一旦聚變形成鐵元素,因為其比結合能在所有元素中是最高的,其發生核聚變所釋放的能量要低於需要輸入的能量,無論恆星質量多大,都不能再引發後續的核聚變,聚變也到達了終點。
超新星爆發-推動更重元素的產生當恆星在完成所有的核聚變之後,如果殘餘的質量仍大於錢德拉塞卡極限(1.44倍太陽質量),則恆星外殼的引力將會超過簡併壓,恆星發生劇烈收縮,使得內部某些區域的溫度和壓力迅速升高,電子簡併氣體中電子會被原子核俘獲,引發電子俘獲反應,進一步減小簡併壓,使得坍縮更為加劇。
另一方面,電子俘獲反應相應釋放一定量的伽馬射線(光子),使得區域溫度迅速升高,達到重新啟動核聚變的條件,不過這個核聚變是處於失控狀態的,會在區域性區域產生高能量的激波向外層反彈,從而將恆星的部分組成物質從內向外與恆星本體剝離,引發超新星爆發,根據激波能量的大小,這種爆發持續的時間有長有短,也有可能短時間內就將恆星炸燬。
由於超新星爆發時溫度超高,可以達到1000多億攝氏度,所激發的超高能量可以釋放大量的高能中子,這些高能中子如果與其它同時被釋放的其它元素相結合,就會在高溫環境下形成比鐵元素更重的其它元素。
總結一下透過恆星的這種從吸聚物質、核聚變、釋放聚變物質、合成新物質的週期性變化過程,從而形成了目前宇宙中豐富多彩的元素,而這些元素又作為其它恆星、行星、衛星以及星際塵埃的重要組成部分。因此,構成地球以及我們人體的所有物質,其元素來源即可以追溯到最初的宇宙大爆炸,也來源於這一區域上一任恆星的發展演化以及超新星的爆發,同時也是太陽系形成過程中對這些物質的吸聚和重組的過程。
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5 # 空間的奧秘
這個問題涉及到物理學最根本性的問題,即粒子的質量是怎麼來的?雖然希格斯機制似乎作了一些解釋,但依據某些物理事實,希格斯機制並不成立。因此,按當今物理學的狀況,仍需努力尋找這一問題的答案。
幸運的是,本人的《負空間論》對此問題作了探索性的研究,可以作出自洽的回答。
從狹義的角度看,物理上的物質通常指的是有非零靜質量的東西,與此相應為零靜質量的純能量。
當前主流的觀點是,宇宙來自於奇點的大爆炸,奇點是一個無窮能量的集合點。透過宇宙大爆脹產生了宇宙物質及相應的空間。
可見,宇宙物質來自於能量,這也被愛因斯坦的質能方程所揭示,即E=MC2。因此,物質來自何方,就是要問,物質粒子的質量是如何來的。
就目前物理學的前沿成果而言,僅有希格斯機制在這一方面進行了闡述,但是無法完備回答這一問題。這就要尋找新的物理機制,以揭示能量轉變成質量的機制。
作者的《負空間論》(可能)發現了這一物理機制。
《負空間論》認為,宇宙大爆炸,不僅僅只產生宇宙(正)空間,而是按空間尺度守恆的原理,同時產生了一種負空間性質的粒子,稱為化子。在化子粒子的作用下,將純能量轉化成了質量粒子,由此形成了物質(粒子),並且在質能相互轉化的過程中,伴隨各種力的產生,即四大相互作用(力)。
通俗講,就是能量促發宇宙空間彭脹,宇宙空間膨脹的同時產生負空間性質的粒子(化子),此化子粒子將純能量(粒子)"凝結"成質量粒子。這是一種簡潔的,能量與空間相互作用,相互制衡的宇宙發展機制過程。
這就是《負空間論》對物質從何而來的最基礎性的揭示。
換個角度看,宇宙空間膨脹的目的,就是用產生的化子凝結能量,抗衡能量促發宇宙膨脹。
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6 # 剛剛好100810081008
組成原子的中子質子的夸克是由什麼組成的?目前不知道。。最小的物質單位是什麼?還是說最小的物質單位不存在,最小的物質單位是能量振動形成形態?什麼時候弄清楚了物質是怎麼來的,弄清楚了物質本質是什麼,自然而然就弄明白了宇宙從哪裡來的。。。。在不清楚物質的本質之前,討論宇宙起源都是猜想。。。我也來猜想!!有沒有可能宇宙不是大爆炸產生,而是之前存在一種未知的能量平衡狀態(沒有中子質子等物質),後來因為未知原因導致平衡被打破,從而一部分能量出現坍塌聚集形成粒子,而以前平衡這部分能量的某種能量在這部分能量坍塌聚集後產生某種作用力,這種作用力反坍塌聚集,抗拒坍塌聚集,也就是這種作用力導致人類可以觀測到的宇宙(坍塌聚集形成物質的部分)在不斷膨脹。這個假說也可以解釋宇宙中可以廣泛觀測到背景微波。可以合理解釋一切觀測到的現象。。。呀,我無意中提出了宇宙起源另外一個假說(宇宙來自於能量平衡被打破)
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7 # 星球上的科學
人類生存於地球之上,地球這顆星球又與其他星球一起生活在宇宙之中,而宇宙又由物質構成,就像在細胞內有100多種化學元素,其中的氧、碳、氫、氮這四種元素佔我們人體構成的96%,那麼構成我們的物質從何而來?
首先是牛頓,眾所周知牛頓提出了著名的萬有引力定律,但是他依然不明白宇宙是如何誕生的,可以說這個問題困擾了他的一生,但是始終沒有一個滿意的答案。在萬有引力定律的基礎上,牛頓認為宇宙中的任何萬物都在萬有引力的作用下向中心聚攏,最後聚攏成一個點,但是這些天體被誰推動的,卻無法解釋。
直到愛因斯坦廣義相對論的場方程提出,他發現宇宙是隨著時間的流逝而發生膨脹,在他看來宇宙是靜態的,是永恆的,因此愛因斯坦在這個場方程中加了一個宇宙學常數,換句話來說,只要這個常數進行合理的取值,那麼宇宙就可以處於靜態。
但是在當時有許多科學家不認同愛因斯坦的觀點,他們則認為宇宙學常數應該去掉,宇宙就應該是膨脹,如果按照時間往回推演,宇宙的誕生是源於一個奇點。
在上世紀20年代的時候,哈勃突破了這一問題,由於他長期觀測銀河系的天體發現絕大多數的天體都在離我們遠去,而且離我們距離越遠,其速度就越快,這進一步說明了空間在膨脹,以致於這些天體也在遠離我們,這是對於宇宙大爆炸這一問題的第一個觀測證據。
隨後在上世紀60年代宇宙微波背景輻射的發現以及氦元素丰度的確定讓科學家們更加確信宇宙大爆炸的理論。目前根據普朗克衛星觀測,我們知道了宇宙大約誕生在138億年前,現如今宇宙中的物質粒子都是在宇宙大爆炸之後4分鐘內形成的。
直到宇宙大爆炸後來的38萬年,宇宙溫度才下降到3000度左右,而宇宙也從粒子粥一樣的混沌狀態變得透明,光子開始在宇宙中穿梭,原子結構得以形成,而太陽系也形成於46億年前。
氫元素位於元素週期表中的第一位,在宇宙中的含量要比其他的元素都要多得多。一顆恆星誕生之後,其成分主要都是氫元素,隨著恆星內部溫度升高,發生核聚變反應,而這個時候氫元素就會進行一系列的化學反應。核聚變的反應順序大致為氫元素——氦元素——碳元素——氧元素——氖元素——鎂元素——矽元素——鐵元素……
恆星內部的核聚變反應每顆恆星的內部都有極高的壓力和溫度,所以在恆星的核心可以發生核聚變反應,由於氫元素髮生核聚變反應所需的要求是最低的,而且氫元素也是恆星的主要構成成分,所以在恆星內部,核聚變反應都由氫元素開始,產物為氦元素;
如果當恆星的內部溫度和壓力足夠時,那麼氦元素將會開始聚變從而生成更重的元素,產物主要以碳和氧為主,同時還會有一些少量的氖元素;恆星內部溫度再度升高,碳元素氖元素、氧元素開始發生聚變,最後的產物主要是矽元素,還有一些鈣、硫等元素。
對於宇宙中的低質量恆星來說,當核聚變到引力不足以對抗內部核聚變時,會膨脹為紅巨星;對大質量的恆星來說,在演化的末期溫度極高,最終就會引發矽元素的聚變反應,產物主要是鐵。
而當恆星內部有鐵元素產生後,恆星會變得不穩定起來,而聚變生成的鐵元素會在大質量的恆星內部聚集,最終在內部形成一個鐵核心,此時在恆星內部,核聚變反應不再對外釋放能量,還會吸收外部能量,此時恆星的內部就會失去抵抗重力的能力,而恆星的體積也會急劇收縮,導致外部物質迅速坍塌,引發超新星爆炸,在這個過程中,還會形成原子序數大於鐵的元素,但是這種情況一般不容易發生。
為什麼鐵元素是核聚變的終極者呢?迄今為止,我們宇宙中已知的化學元素共有118個,世間萬物都是由元素構成的,而元素是由恆星聚變產生的。但是恆星的演化卻只能進行到鐵56,就不會再繼續核聚變,大家應該都知道物質都是由微觀粒子構成,原子內包含原子核和核外電子,而原子核又是由中子和質子構成,這些各種各樣的粒子聚在一起,甚至是帶正電的質子聚在一起,再加上核子之間又存在很強的相互作用。
換句話來說,如果想要把這些核子分開,那麼需要的能量則是巨大的,這種能量我們稱作為結合能,“比結合能”則指的是結合能除以核子總數,比結合能越大的原子,其結合會更加緊固,要想把它們分離必須需要非常大的能量才可以。
在118種元素中,鐵56的比結合能就是最大的,這說明了鐵56是最穩定的,不會輕易被分開。我們可以理解成,如果比鐵56更重的會核裂變成鐵56,比鐵56更輕的就會核聚變成鐵56,總的來說就是鐵56是這些元素的“首領”,兩邊的元素都會傾向它。
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8 # 適物
宇宙中構成了物質的因素是物質的核聚變化過程中的恆值所表現出來的衡值。我們地球上的物質的構成也是這樣的,物質的核聚變是太陽系形成初期的黑洞產生過程中的核聚變原理,地球上和其他行星球的核聚變的運動屬性的狀態不同而產生了不同的物質元素週期表的現象,物質的核聚變的溫度和壓強以及時空長久的不同恆定性原理變化產生了不同的物質結構體的變化過程,鐵元素是在一定一般化的溫度和一般化的壓強下的時空比較久的衡值作用下的元素罷了,不是什麼終極者的元素。宇宙中的物質元素沒有終極者的說法,物質元素永遠是在運動變化過程中提取更高可能的元素。比喻黃金就比鐵元素的更高更密更穩定的元素,在其他外星球上很可能有比黃金更高上層的元素存在。地球上物質侷限於地球上的表達,我們的思維不能停在地球上。外面的星球的星系更是閃耀的光彩,是我們意想不到的輝煌和燦爛,也是我們地球上的人們嚮往進步向往太空星系的物質探討而努力地進化和進取。
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9 # 業餘天文學
一、構成我們的物質從何而來
生物學家一致認為,構成生命的基本元素有28種,包括氫、 硼、碳、氮、氧、氟、鈉、鎂、矽、磷、 硫、氯、鉀、鈣、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、砷、硒、溴、鉬、錫和碘。除了硼之外,其他27種是構成人體的必要元素。其中氧、碳、氫、氮、磷、硫、氯、鉀、鈉、鈣和鎂又稱作常量元素,共占人體總質量的99.95%,鐵、銅、鋅、鈷、錳、鉻、硒、碘、鎳、氟、鉬、釩、錫、矽、鍶、硼、銣、砷成為微量元素,總質量只佔生物體總質量0.01%以下,但又不可或缺。
在最原始的開端,宇宙大爆炸只產生了氫、氦以及少量的鋰,隨著宇宙的演變,恆星在生命最後紅巨星階段的核聚變產生了中等質量元素(重於碳但輕於鐵)。而重於鐵的元素基本都是在超新星爆炸時合成的。超新星是超新星特別是II型超新星,是比鐵重的元素的重要來源,幾乎佔到宇宙總產量的一半。超新星以爆炸的方式將重元素擴散到宇宙空間,形成超新星遺蹟,這些擴散的物質經歷一萬年的時間逐漸冷卻並與周圍星際物質混合,在經歷漫長的歲月後,這些物質的準穩定狀態被附近的超新星爆炸所打亂,開始坍縮、吸積、聚合,形成了太陽以及圍繞它的行星。超新星標誌著恆星的毀滅,卻有為生命的誕生創造了條件,正所謂:死亡是另一個開始。這就是構成我們物質的來源。
二、為何鐵元素是核聚變的終結者?
恆星在一生中,不斷將輕元素聚變為更重的元素,從氫到氦、從氦到碳、從碳到氧、從氧得矽、從矽得鐵。恆星在聚變元素的時候,向外形成輻射壓,與自身產生的向內引力保持平衡。而恆星內部開始形成鐵元素時,這種平衡被打破,因為鐵元素聚變是吸熱反應,恆星內部無法再承受自身引力,鐵聚變只能持續很短的時間,之後很快將產生核心的坍縮以及超新星爆炸。
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10 # 原黃烈平
物質不是大爆炸產生,雞蛋三層,細胞三層,水果三層,地球三層,這些鐵證說明地球為緩慢自然生成。
地球上的原素,岩石內化合物,油氣,水,空氣皆是地球內電磁能之高溫高壓高磁緩慢合成,材料就是低能電磁波(暗物質),本質就是場或電場(暗能量),行星內就是電磁效應。
高低場誕生宇宙,電磁能創造一切。鐵原素合成停止,核聚變造原素是想象的,無依據,被某些人經常吹的神乎其神,神吹,怪談,謬論。
依據就是原子就是由電場組成。由原子再成細胞。
黃氏宇宙新論,引用宣告。
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11 # 鍾銘聊科學
其實真是一個很好的問題,它主要涉及到宇宙大爆炸、恆星內部的機制以及超新星爆炸,我們可以按時間線捋一捋這個問題到底是咋回事。
宇宙大爆炸話說,我們的宇宙起源於一次大爆炸。
這是目前主流的看法,主要的證據有宇宙微波背景輻射,氦丰度,以及哈勃觀測到的星系的退行。詳細點說,就是哈勃發現了宇宙裡的星系正在遠離我們,但是不是星系在動,而是它們所在的空間在膨脹,我們觀測就會感覺好像是在退行。如果把時間往回追溯,那宇宙最早不就是一個點?
從宇宙大爆炸出發,科學家不斷地完善宇宙模型。而按照目前的理論,宇宙大爆炸之後,1秒內特別精彩,如果總結一下就是:
空間:宇宙膨脹得超級快,在10^-33秒內,經歷100次加倍,空間變大為原來的10^30倍,這也被稱為大暴脹。
物質:一開始宇宙充滿能量,沒有任何物質,慢慢地,各種比原子尺寸小的粒子出現了,諸如:質子、電子、夸克等等
作用力:四大作用力也分離了出來,分別是:強相互作用力、弱相互作用力、電磁力,萬有引力。它們是萬物的粘合劑,如果沒有四大作用力的柞村,就不會有物質的存在,不會有太陽,更不會有地球和我們,宇宙萬物將成為一片散沙。
這些事情都發生在宇宙大爆炸的第一秒內,宇宙的溫度,密度都降了下來,在大概30萬年後,質子俘獲電子形成了中心的原子。
所以,我們宇宙當中,大量的元素都是氫和氦,這是前兩個順位的元素,原子核內的質子數都特別少,氫只有一個,而氦只有兩個。氫和氦的佔比超過了99%。那其他大號的元素到底從哪裡來呢?
恆星而產生更大順位的元素就需要更強的外界作用才行,在宇宙大爆炸之後的5億年之前,宇宙是一片漆黑的,因為沒光源。宇宙中的主要成分就是一些氣態物質。這些氣態物質在引力下慢慢地形成了密度稍微高一些的氣體雲塊,然後再逐漸形成了恆星。所以,第一代恆星大概出現在宇宙大爆炸之後的5億年前後。
那恆星為什麼會發光呢?
這其實是因為核心內部有聚類的核聚變反應。
發現沒有核聚變反應前後,有可能會造成原子序數變大,說白了就是產生更高順位的元素。不過,恆星內部的核反應要比普通的氫核聚變複雜一下。主要是有兩種方式,
一種叫做:質子-質子反應鏈(簡稱P-P鏈),最終生成氦-4
另外一種叫做:碳氮氧迴圈,最終也是生成氦-4,其中碳氮氧以及少量氟在這個過程中會充當反應的催化劑。
這兩種反應是漢斯貝特等科學家提出來,並且得到了觀測的驗證。他們的理論還影響了粒子物理標準模型,並且獲得了諾貝爾獎,可以說是相當堅實的理論。
所以,恆星在主序星時期,會燃燒氫(核聚變),生成氦-4。質量不同的恆星,其實內部的情況或多或少有些差異,主要就是PP反應鏈多一點,還是少一點的問題。而之所以可以發生核聚變反應,是因為自身引力導致中心溫度升高,加上量子隧穿效應,最終達到了可以點燃氫的水平,就會發生核聚變反應。
元素煉丹爐&超新星爆炸恆星在主序星時代結束時,會變成紅巨星或者超紅巨星。
這是因為由於質量的減少,自身引力減弱,導致引力無法與核心核聚變反應產生向外的壓力抗衡,所以會膨脹起來。我們以太陽為例來分析,就是下面這樣:
緊接著,恆星會繼續燃燒氦,然後是碳,氧等,發現沒有,開始有其他元素的出現了。大多數的恆星其實都停在了鐵元素之前,這是因為鐵元素太穩定了,它核聚變反應所需的能量比所釋放的能量還要多,這不是入不敷出了麼?所以,如果質量不夠大的恆星,一般來說說就會停在鐵之前。
如果質量足夠大,那恆星由於自身引力足夠大,還會繼續壓縮核心,溫度不斷升高,最終達到鐵核聚變反應的條件,然後發生超新星爆炸。
超新星爆炸由於能量巨大無比,就會可以合成順位在鐵之後的元素,宇宙中大號的元素基本上都來自於一場場超新星爆炸。
所以,我們可以來總結一下,
宇宙大爆炸之後,宇宙中主要的元素是低順位的氫和氦。
隨後,恆星出現了,他們是元素的煉丹爐,在恆星核心處可以合成鐵元素之前的元素。
而鐵元素之後的元素要依靠超新星爆炸的能量才能夠合成。
鐵並非是終結者,它只是很穩定,它的核聚變反應所需要的能量比反應產生的能量高,因此只有超新星爆炸才足以引發鐵的核聚變反應。
回覆列表
仰望天空,宇宙中充滿了大大小小的物質結構,佈滿了無數的恆星、星系、星系團;環顧四周,在我們身邊可以看到各種各樣的物質形式,有空氣、有水、有高樓大廈、有汽車、有各種生物等等,看到這樣一個紛繁的世界,我們難免不去想這些物質是怎麼來的?追其根本,物質的起源其實就是宇宙的起源,因為我們地球也只不過是宇宙中的一顆普普通通的由物質構成的星球。
那麼宇宙的起源是怎樣的?我們對宇宙起源的瞭解得益於愛因斯坦相對論的提出,這為我們人類能正確理解時空的性質奠定了基礎,相對論告訴我們,時間和空間是一個統一的整體,並且時空會因為物質/能量的存在而改變其形狀曲率,反過來時空的曲率又會影響物質在空間中的運動狀態。
因此在廣義相對論控制下的宇宙是一個動態的宇宙,它會因為引力的存在發生收縮,最終坍縮到一個點上,不過在愛因斯坦的心中更加崇尚一個靜止的宇宙,所以他就為自己的引力方程引入了一個宇宙常數,這個宇宙常數可以對抗平衡物質引力的作用,以保證整個宇宙是靜止的。
不過事實證明,愛因斯坦的引力常數只是他的一廂情願,宇宙並不需要靜止,更不會收縮,而是一直在膨脹,這一重大的發現是埃德溫·哈勃在1924年發現的。膨脹的宇宙為現代宇宙學的誕生以及人類對宇宙模型的建立提供了一個絕好的思路。
現在我們知道宇宙在138億年前起源於熱大爆炸狀態,也就是一個溫度、密度、能量非常高的狀態,這個狀態又來自於宇宙暴漲階段,在暴漲階段,宇宙空間以指數膨脹的方式迅速的擴張,暴漲結束後,真空能量衰變到物種和輻射中,產生了我們在標準模型中已知和未知的所有基本粒子。
隨著宇宙的膨脹溫度的降低,夸克被束縛在和質子和中子中,質子和中子結合產生原子核,直到宇宙誕生後的30萬年,隨著溫度的降低,原子核和電子得以結合在一起,宇宙首次誕生了中性原子,不過宇宙早期進行的大爆炸核合成所創造的中性原子只有氫、氦、鋰,其中氫的數量約為92%,氦的數量約為8%,及其微量的鋰可以忽略不計。現在氫元素有了,那麼元素週期表中其他比氫和氦重的元素是怎麼來的?
恆星:宇宙重元素的加工廠中性原子誕生以後,宇宙充滿了以氫為主要成分的氣體雲,這些物質的分佈從嚴格意義上來說並不是均勻的,而且在大小尺度上都存在及其微小的密度波動,這一點我們可以在微波背景輻射中發現。這些物質密度為微小不均勻就為更大的物質團塊的誕生提供了基礎。
我們知道物質密度越大引力就越大,所以那些物質密度稍微高的地方就會開始在引力的作用下吸積周圍的物質,由於引力是一種失控的力,也就是密度越大的區域形成物質團塊的速度更快,而物質聚集就會導致核心溫度的升高,超過一定的閾值就會在核心區域點燃核聚變。核聚變的過程就是一個將輕元素融合為重元素的過程,並且損失的質量會以能量的形式釋放出來,這就是恆星發光發熱的根本原因。
以太陽為例,其核心的溫度可以達到1500萬攝氏度,密度可以達到鉛的13倍,但是就是這樣的高溫高壓,還不足以克服質子之間的庫侖力,使得它們融合在一起。不過,多虧了量子力學的作用,兩個質子可以發生量子隧穿效應,在極端和極小的機率下瞬間靠近對方並被太陽高溫和高壓的環境融合成為氘,雖然雙質子融合機率很低,但是太陽有10^57個質子,大約10%位於太陽核心,因此從這麼大的基數來看,發生質子-質子融合的數量還是很多的。
在氘形成以後,會迅速在捕獲一個質子變為氦-3,兩個氦-3會繼續融合為氦-4,太陽內部每秒鐘大約有4×10^38個質子會聚變為氦-4,而這個過程中會有400萬噸的質量轉化為能量。上圖就是太陽聚變重元素的過程,但最後也只能將元素聚變為碳、氮、氧,併發生迴圈,最後太陽會在行星狀星雲中死亡,在其核心會留下以碳為主的白矮星。
但是在質量更大的恆星中,會將元素一路聚變到鐵,上圖展示了更大質量的恆星各種元素聚變發生位置,那麼恆星最後的聚變為何會在鐵元素停止,發生超新星爆發,核心要麼坍縮為中子星,要麼變為黑洞呢?
上圖可以看到在鐵元素以前,元素的聚變都會釋放能量,而到了鐵以後會發生了變化,這些元素融合聚變以後就不再釋放能量,反而會吸收能量,因此恆星到鐵以後都無法在繼續聚變,而鐵核達到了一定的質量會在引力的作用下劇烈的收縮,釋放出巨大的引力勢能,將整顆恆星炸燬。既然恆星無法聚變比鐵更重的元素,那麼元素週期表中的其他重元素是咋來的?
其他更重的元素的誕生得益於超新星爆發或者是中子星相撞後產生的巨大能量並且會釋放出大量的高能中子,這些中子會被其他元素捕獲,使得元素變為更重的元素,鐵以後的元素都是這麼來的,而這個過程被稱為快中子和慢中子捕獲過程。
總結一下宇宙最基礎的元素氫來自於大爆炸的核合成,而比氫重的元素來自於各種質量恆星聚變的結果,鐵元素之所以聚變不下去是因為它不再釋放能量,或導致核心聚變停止塌縮,毀滅整顆恆星,恆星在毀滅的過程中發生的中子捕獲過程,又為宇宙創造了比鐵更重的元素。