你是否知道，我們身體肌肉裡的碳，骨骼中的鈣，血液裡的鐵，DNA中的磷……以及周邊的一切都是來自太空的獨特元素。要想了解這些元素，必須知道元素是如何形成的。
今天，學界普遍認同的觀點是，我們的宇宙源於138億年前的大爆炸（Big Bang）。元素的形成是恆星演化（Evolution of stars）的結果。大爆炸學說的框架是由美籍俄裔物理學家伽莫夫（George Gamow）在上世紀40年代提出的，英國天文學家霍伊爾（Fred Hoyle）提出了恆星演化的理論。
如果大爆炸理論正確，那麼大爆炸後空間迅速膨脹，物質密度和溫度都迅速下降。當宇宙溫度降到10MeV以下（大約幾百億度），質子和中子開始在空間中大量地產生。所謂氫原子核，其實就是質子。從這個意義上講，宇宙在這個時候已經形成了最輕的原子。
隨著宇宙膨脹，溫度進一步降低，大爆炸1秒鐘後，質子與中子的相互轉化停止了，兩種基本粒子的數量之比就凍結在了7:1這個比例上，質子多、中子少。自由的中子是不穩定的，它很快就會衰變一半，變成一個質子和一個電子。如果中子全部衰變了，宇宙中就全是氫元素了。
但宇宙膨脹非常快，100多秒後宇宙溫度就下降10億度，此時一個質子和一箇中子形成氫的同位素：氘。在原子核裡，中子是穩定的，所以大爆炸中產生的中子都在原子核裡保全下來了。氘原子可以透過多種渠道最終形成氦。到宇宙年齡為3分鐘時，幾乎所有的中子都到了氦裡面。
氦原子核的質量是一個氫原子核的4倍。前面提到宇宙質子和中子的比例是7:1，可以推算出這個時候氫和氦的質量比例是3:1，也就是宇宙元素的質量組成中75%是氫，25%是氦。在核合成過程中還形成了極其少量的鋰的同位素。
到宇宙年齡為一小時後，核合成已經停止，宇宙中元素組成是75%的氫、25%的氦和非常少的鋰。
隨著宇宙膨脹，引力變得慢慢重要起來。空間中密度稍微高一些的地方會吸引更多的氣態物質聚集。宇宙中最初的元素——氫和氦就這樣慢慢地聚集起來，形成一個個氣體雲。氣體雲越聚越大，其中心密度和溫度會再次升高，最終氣體雲中心最密集的地方溫度達到原子核聚變反應的要求。
最早進行核聚變反應的是氫元素，4個氫原子核聚變反應生成1個氦原子核，並伴隨能量的釋放。核聚變反應點燃了緻密的雲核，恆星就此誕生。
恆星演化過程中，較輕的元素可以合成較重的元素。小質量的恆星（比如太陽）的核心處可以產生碳元素和氧元素；更重的元素需要在大質量恆星（至少是太陽的9倍）的演化中形成。
大質量恆星會迅速燃燒自己的生命、劇烈地爆發。其死亡會將已經形成的重元素帶入星際氣體中，並幫助較小質量恆星的形成。
恆星首次將氫聚變為氦，氦在下一輪聚變反應中變成更重的元素，先是碳，然後是氧。由於引力對核心的擠壓加劇，結果就是，碳氧的密度和溫度比太陽大得多，足以引發又一輪的碳核聚變反應。
在大約1千年（具體取決於恆星質量的大小）的時間裡，碳轉化為氖、鎂、鈉，以及更多的氧。
一旦碳被耗盡，恆星的核心便再次坍縮。其密度和溫度驟升至更高，足以將氖轉化為鎂。幾年後大多數的氖也消耗完畢，恆星的核心充斥著氧和鎂。氧又被轉化為矽以及少量的硫和磷。
恆星核心耗盡氧後再次坍縮，溫度再次升高，然後在很短時間裡，矽聚變成多種重元素，包括氬、鈣、鈦、鉻、鐵和鎳。
如果我們把這顆恆星切開，看起來就像一個洋蔥。其核心是鐵和鎳，但不是固體金屬的形式，而是氣體，並處於極高的密度和溫度水平。包圍在鐵鎳核外的是矽和硫的殼層，往外是氧、氖和鎂的殼層。再往外依次是氧、碳、氦和氫的殼層。雖然此時大部分的氫已經被吹到了太空中，但在殼層之間，低溫的核聚變反應仍然在繼續。這顆恆星“洋蔥”充滿了核能。
隨著矽被耗盡，恆星的核能失去了來源，因為鐵鎳核不能自發聚變成更重的元素。頃刻間，恆星核心坍縮為一顆中子星，外殼（恆星的大部分質量集中於此）將會以爆破的姿態進入太空，這就是令人恐怖的超新星爆發（supernova explosion）。
被星風吹到太空中，在行星狀星雲裡，以及透過超新星爆發，元素以這些方式進入星際空間。小部分重元素，比如銅、鋅、金、銀、鉑、鈾等在超新星爆發後或者在中子星的災難性碰撞中被創造出來。
開頭提到的我們的身體，包含了許多的重元素，比如，碳、氧、氮、鈉、鈣、磷、鎂和鐵等。所有這些元素在宇宙誕生至今的138億年中、在恆星的內部被“製造”出來。它們只佔宇宙原子總質量的約1%，但卻影響重大。
這便是科學給我們講的元素形成的美妙故事。我們周圍的一切，包括人類自身，都是遙遠的恆星核聚變形成的。我們與恆星緊密相連，並與宇宙同在。
你是否知道，我們身體肌肉裡的碳，骨骼中的鈣，血液裡的鐵，DNA中的磷……以及周邊的一切都是來自太空的獨特元素。要想了解這些元素，必須知道元素是如何形成的。
今天，學界普遍認同的觀點是，我們的宇宙源於138億年前的大爆炸（Big Bang）。元素的形成是恆星演化（Evolution of stars）的結果。大爆炸學說的框架是由美籍俄裔物理學家伽莫夫（George Gamow）在上世紀40年代提出的，英國天文學家霍伊爾（Fred Hoyle）提出了恆星演化的理論。
一、宇宙中輕元素（氫、氦）的形成如果大爆炸理論正確，那麼大爆炸後空間迅速膨脹，物質密度和溫度都迅速下降。當宇宙溫度降到10MeV以下（大約幾百億度），質子和中子開始在空間中大量地產生。所謂氫原子核，其實就是質子。從這個意義上講，宇宙在這個時候已經形成了最輕的原子。
隨著宇宙膨脹，溫度進一步降低，大爆炸1秒鐘後，質子與中子的相互轉化停止了，兩種基本粒子的數量之比就凍結在了7:1這個比例上，質子多、中子少。自由的中子是不穩定的，它很快就會衰變一半，變成一個質子和一個電子。如果中子全部衰變了，宇宙中就全是氫元素了。
但宇宙膨脹非常快，100多秒後宇宙溫度就下降10億度，此時一個質子和一箇中子形成氫的同位素：氘。在原子核裡，中子是穩定的，所以大爆炸中產生的中子都在原子核裡保全下來了。氘原子可以透過多種渠道最終形成氦。到宇宙年齡為3分鐘時，幾乎所有的中子都到了氦裡面。
氦原子核的質量是一個氫原子核的4倍。前面提到宇宙質子和中子的比例是7:1，可以推算出這個時候氫和氦的質量比例是3:1，也就是宇宙元素的質量組成中75%是氫，25%是氦。在核合成過程中還形成了極其少量的鋰的同位素。
到宇宙年齡為一小時後，核合成已經停止，宇宙中元素組成是75%的氫、25%的氦和非常少的鋰。
隨著宇宙膨脹，引力變得慢慢重要起來。空間中密度稍微高一些的地方會吸引更多的氣態物質聚集。宇宙中最初的元素——氫和氦就這樣慢慢地聚集起來，形成一個個氣體雲。氣體雲越聚越大，其中心密度和溫度會再次升高，最終氣體雲中心最密集的地方溫度達到原子核聚變反應的要求。
最早進行核聚變反應的是氫元素，4個氫原子核聚變反應生成1個氦原子核，並伴隨能量的釋放。核聚變反應點燃了緻密的雲核，恆星就此誕生。
二、宇宙中重元素的形成恆星演化過程中，較輕的元素可以合成較重的元素。小質量的恆星（比如太陽）的核心處可以產生碳元素和氧元素；更重的元素需要在大質量恆星（至少是太陽的9倍）的演化中形成。
大質量恆星會迅速燃燒自己的生命、劇烈地爆發。其死亡會將已經形成的重元素帶入星際氣體中，並幫助較小質量恆星的形成。
恆星首次將氫聚變為氦，氦在下一輪聚變反應中變成更重的元素，先是碳，然後是氧。由於引力對核心的擠壓加劇，結果就是，碳氧的密度和溫度比太陽大得多，足以引發又一輪的碳核聚變反應。
在大約1千年（具體取決於恆星質量的大小）的時間裡，碳轉化為氖、鎂、鈉，以及更多的氧。
一旦碳被耗盡，恆星的核心便再次坍縮。其密度和溫度驟升至更高，足以將氖轉化為鎂。幾年後大多數的氖也消耗完畢，恆星的核心充斥著氧和鎂。氧又被轉化為矽以及少量的硫和磷。
恆星核心耗盡氧後再次坍縮，溫度再次升高，然後在很短時間裡，矽聚變成多種重元素，包括氬、鈣、鈦、鉻、鐵和鎳。
如果我們把這顆恆星切開，看起來就像一個洋蔥。其核心是鐵和鎳，但不是固體金屬的形式，而是氣體，並處於極高的密度和溫度水平。包圍在鐵鎳核外的是矽和硫的殼層，往外是氧、氖和鎂的殼層。再往外依次是氧、碳、氦和氫的殼層。雖然此時大部分的氫已經被吹到了太空中，但在殼層之間，低溫的核聚變反應仍然在繼續。這顆恆星“洋蔥”充滿了核能。
隨著矽被耗盡，恆星的核能失去了來源，因為鐵鎳核不能自發聚變成更重的元素。頃刻間，恆星核心坍縮為一顆中子星，外殼（恆星的大部分質量集中於此）將會以爆破的姿態進入太空，這就是令人恐怖的超新星爆發（supernova explosion）。
三、科學給我們講的故事被星風吹到太空中，在行星狀星雲裡，以及透過超新星爆發，元素以這些方式進入星際空間。小部分重元素，比如銅、鋅、金、銀、鉑、鈾等在超新星爆發後或者在中子星的災難性碰撞中被創造出來。
開頭提到的我們的身體，包含了許多的重元素，比如，碳、氧、氮、鈉、鈣、磷、鎂和鐵等。所有這些元素在宇宙誕生至今的138億年中、在恆星的內部被“製造”出來。它們只佔宇宙原子總質量的約1%，但卻影響重大。
這便是科學給我們講的元素形成的美妙故事。我們周圍的一切，包括人類自身，都是遙遠的恆星核聚變形成的。我們與恆星緊密相連，並與宇宙同在。