相信朋友對元素週期表比較熟悉。上面有118個元素。這幾百種元素並不都是自然元素,其中94種是宇宙中的自然元素,另外24種是合成的。
科學家們根據這些元素的質量對它們進行了排列。第一種是氫,第二種是氦,第三種是鋰,其次是鈹、硼、碳、氮和氧。豐富的元素組成了宇宙的物質世界,像地球這樣的生命星球有94種自然元素。
豐富的元素對於一個生態星球非常重要,因為它們是生命誕生的關鍵。只有豐富的元素才能進化出早期的原始生命。人類是地球上的智慧生命。我們人體內的元素很多,達到60多種,佔94種自然元素的一半以上。
人類生命的延續離不開那麼多元素,任何一個元素的缺失都會導致我們身體的各種問題。當然,這些元素在自然界是可以找到的。理論上講,元素週期表中的元素越高,宇宙中的含量就應該越多。比如氫排第一,佔宇宙元素的70%。
但排名靠前的元素中,有三種元素同名,它們在宇宙中的含量非常少。這三種元素是排名第三的鋰,排名第四的鈹,排名第五的硼。理論上講,這三種元素都是氫元素,只比氫、氦重,否則不會成為3號、4號、5號元素。
在元素週期表上,等級越低,元素越重,自然界的含量越少,含量越高,是宇宙中常見的元素。但是為什麼這三種元素都是例外,而且非常罕見呢?要解開這個謎團,需要從BIGBANG到元素的形成進行分析。
眾所周知,宇宙起源於138億年前的時空奇點大爆炸。這個時空奇點相當於一個能量巨大的超壓縮點。奇點大爆炸後,巨大的能量瞬間釋放。根據愛因斯坦的質量和能量方程,我們知道物質和能量其實是一樣的東西,只是質量的兩種形式。
當溫度極高時,質量會以能量的形式存在。時空奇點內部的溫度自然極高,裡面的物質只能以能量的形式存在。大爆炸後,能量在極短的時間內爆發出來,空間也急速飆升。
在太空翱翔的過程中,斷水期間溫度也下降了,於是能量開始轉化為早期宇宙中的各種粒子。夸克、輕子、光子、膠子、反物質粒子是早期宇宙中最早的粒子,它們合成了第一批原子核。因為光子能量太高,無法合成最簡單的原子核,所以只能被困在裡面,出不來。
雖然這個過程只持續了十分鐘,但卻奠定了宇宙的物質基礎,形成了75%的氫,不到2%的氦-4,約0.01%的氘和氦-3,約0.000001%的鋰。你沒看錯,早期宇宙中誕生了非常少量的鋰。不要小看這一點點鋰,對我們來說是一件非常好的事情。
沒有這種鋰元素,人類的生命形式可能不會是現在的樣子,鋰對於人類科技的發展也是非常重要的,需要在很多領域得到應用。隨著宇宙的不斷膨脹,溫度持續冷卻,30萬年後,光子終於突破封鎖被釋放出來。
光子的出現對於宇宙的演化是如此重要,以至於早期的恆星就在這個時候開始誕生。就像我們上面說的,宇宙早期只形成了最基本的元素,其中氫佔了75%,那麼後來90多種元素是怎麼從宇宙中來的呢?這裡我們要提供另一個英雄,就是明星。
元素轉化的關鍵是溫度。只有在極高的溫度下,氫才能凝結成氦,氦才能繼續凝結成其他重元素。宇宙形成後,直到恆星出現,才出現這樣的高溫環境。
恆星內部是一個巨大的核聚變反應堆,其核心溫度非常高,從幾百萬度到幾億度不等。在這種高溫環境下,氫很容易發生聚變反應,轉化為氦。當恆星的氫耗盡時,氫聚變會減慢並停止。這時候核心區域會因為重力坍縮而不斷縮小,內部溫度會進一步大幅上升。
恆星內部的氫氦聚變停止後,新的聚變模式將開始,氦將繼續聚變為更重的元素。而不同質量的恆星最終可以融合合成不同的元素。像太陽這樣的恆星只能合成6號元素碳。然後氦聚變完全結束,外層脫離,核心坍縮成白矮星。
但是對於大質量恆星來說,聚變反應會繼續更加劇烈,核心會進一步坍縮升溫,開始碳核聚變,將碳元素變成氧,氧變成氖,氖變成鎂,從而繼續合成,矽、硫、氬、鈣、鈦、鉻等元素會陸續產生,直到鐵、鎳、鈷。
但是這個核聚變反應不足以合成全部94種元素。當一顆大質量恆星到達末級時,會發生劇烈的超新星爆發,在這個過程中,更重要的元素會繼續合成。恆星演化形成的白矮星和中子星在碰撞融合時也會產生更重的元素。
由此可見,宇宙中有94種自然元素,它們的出現基本上與恆星有關。透過這些元素的誕生過程,我們可以發現鋰、鈹、硼並沒有出現。氫聚變產生氦,氦聚變產生碳,碳聚變產生氧,但鋰、鈹、硼在哪裡?
科學家透過研究發現,這三種元素在恆星的聚變過程中是無法合成的。如果氫和氦結合在一起,結果會得到鋰-5,但它極不穩定,很快就會衰變。其他兩種元素也是如此,即使勉強合成也極不穩定,很快就會衰變。那麼這三種元素的誕生不是靠恆星的融合就能實現的,那麼它們是怎麼出現的呢?
目前科學家推測,這三種元素可能與宇宙中最高級別的粒子源有關,而脈衝星、超大質量黑洞、超新星、數千顆行星和活躍星系則可以在宇宙中產生高能粒子。眾所周知,脈衝星其實是中子星的一種,但脈衝星是一種特殊的中子星,可以產生調整後的自轉,其速度甚至接近光速。
這些高能粒子源可以加速粒子。宇宙粒子從宇宙的各個方向噴射出來。粒子在加速運動的過程中可能會與其他粒子發生碰撞,從而以一定的機率產生鋰、鈹、硼。因為它們的產生依賴於宇宙中這種高能粒子的碰撞,所以非常罕見,是地球生命不可缺少的元素。
對於人類來說,我們太需要這三種元素了,但是它們在宇宙中的含量太低了。我們做什麼呢可能只能靠我們不斷成長的技術。只要我們的科技實力再進一步,也許有辦法人工合成這三種元素,然後就不再是稀有元素了。這樣的稀有元素也出現在地球上,說明地球是一個多麼不平凡的星球。