我們的身體是由星塵構成的。我們身體中的每一個原子都在時空中旅行了億萬年,最終走到一起給了我們生命。周期表大家都熟悉,然而上面卻沒有每個元素的起源的信息,所以它是不完整的。俄亥俄州立大學的天文學家珍妮弗·約翰遜(Jennifer A.Johnson)最近重新繪制了周期表,以顯示宇宙中的每一個元素是如何形成的。下圖就是珍妮弗用不同顏色標記的“時空元素周期表”:
在一開始,空間和時間都是在大爆炸中創(chuàng)造出來的,發(fā)生在137億年前。之后,宇宙開始膨脹變熱,充滿了基礎粒子。宇宙在膨脹期間迅速擴張,現(xiàn)在以一個差不多恒定的速度擴張。隨著它的增長,宇宙開始冷卻。能量逐漸被進一步禁錮起來,成為我們常說的“質量”,也就是各種原子、分子等等(當沒有質量、感知不到時間的能量被禁錮在很小一個范圍的時候,就能產生時間和質量)。元素周期表開始形成了。
藍色:大爆炸聚變
大爆炸聚變,也稱為大爆炸核子合成,是指在宇宙的早期階段,較輕元素原子核的產生。原子核合成被大多數(shù)宇宙學家認為在大爆炸后大約10秒到20分鐘的時間間隔內發(fā)生,并且被計算制造了大部分作為同位素氦-4(4He)宇宙中氦的存在,以及少量的氫同位素氘(2H或D),氦同位素氦-3(3He)和非常少量的鋰同位素鋰-7(7Li)。除了這些穩(wěn)定的核外,還產生了兩種不穩(wěn)定或放射性同位素:重氫同位素氚(3H或T);和鈹同位素鈹-7(7Be);但是如上所述,這些不穩(wěn)定的同位素后來衰變?yōu)?He和7Li。
粉色:宇宙射線散裂
宇宙射線融合也稱為宇宙射線散裂,是引起核合成的天然存在的核反應。它是指宇宙射線對物體的撞擊形成化學元素。宇宙射線是從地球以外的高能帶電粒子,例如質子,α粒子和許多較重元素的核。約1%的宇宙射線也由自由電子組成。當射線粒子(例如質子)與物質(包括其它宇宙射線)相撞時,宇宙射線會引起散裂現(xiàn)象。碰撞的結果是大量的核子(質子和中子)從物體中被排出。這個過程不僅在太空深處,而且還因地球的上層大氣層和地殼表面(通常在十米以上),這是由于宇宙射線的持續(xù)影響。宇宙射線引起的聚變反應可以產生鋰元素、鈹元素和硼元素。
綠色:巨型恒星爆炸
每50年,我們銀河系就有一顆恒星爆炸,這個現(xiàn)象成為超新星。超新星是宇宙中最為暴力的事件之一,在爆炸的過程中產生大量耀眼的輻射和沖擊波。那么恒星為什么會爆炸呢?原來,恒星質量巨大,要克服自身引力引起的塌縮,需要不斷通過核聚變反應提供能量,一旦比較輕的元素全部都被核聚變反應消耗掉,恒星就不能平衡引力而變得不穩(wěn)定,最終通過爆炸把大部分產生的質量釋放到空間中去。超新星能夠制造、聚變以及彈射出大部分制造出的化學元素。對于巨型恒星(幾十倍、上百倍太陽的質量),其爆炸后主要彈射出元素周期表第二到第四列的輕核金屬和非金屬。彈射后的剩余物主要是中子星或者黑洞。
淺藍色:爆炸的白矮星
(圖:超新星示意圖)
質量小于太陽8倍的恒星的核一般不會塌縮成中子星或者黑洞,而是會失去表面的大氣變成白矮星,構成白矮星的主要元素是碳元素和氧元素。如果白矮星的質量過大(超過1.4個太陽)就可能會爆炸,這是通常會彈射出第二列的非金屬元素和第三列的金屬元素。質量在9-12個太陽的恒星演化就比較有趣,它們會呈現(xiàn)出像洋蔥一樣的一層一層的元素分布,越是容易發(fā)生聚變的輕元越素是在外層,如下圖所示。
黃色:瀕臨死亡的低質量恒星
橘黃色:合并的中子星
在這兩類中,重金屬元素就產生了。不過讓我們先來了解一下中子星。剛剛說了,中子星是質量超大的恒星(10-29倍太陽質量)爆炸之后留下的殘骸,除了表面之外幾乎由純中子構成(巨大的引力導致電子跌入原子核,把質子轉化為中子),且是宇宙中已知密度最大的恒星。盡管中子星通常的半徑尺寸只有10千米,和一個小行星差不多,但是它們的質量通常是太陽的兩倍。我們都知道,中子是費米子,所以要遵循保里不相容原理,這也是阻止中子星進一步塌縮為黑洞的因素(雖然黑洞的形成研究很多,而且理論也比較完備,但是張老師認為中子可能在巨大的引力作用下首先形成某種自旋為整數(shù)的波色子,比如“黑洞子”)。當兩個中子星互相纏繞運動,逐漸合并的時候,不僅會產生巨大的引力波,還能不斷向外拋射各種物質,經過衰變之后就成為我們熟知的重金屬,包括黃金、白金和鈀金等。
由此可以看出,宇宙中像碳、氧和鋁這樣的輕質元素是到處都有的,但是金銀等重金屬產生需要相繼經歷超新星爆炸和一對中子星合并才能形成少量,所以鉆石、各種寶石從這個角度來看是遠遠沒有貴重金屬值錢的,這就是為什么各國都把黃金作為戰(zhàn)略儲備,而不是被市場虛高炒作的鉆石。
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