天文学与粒子物理学
20世纪初,随着相对论和量子力学的提出,人类观测技术的提升,人类对于宇宙的认知也就相应的提升。
这时候就出现了一些问题,那就是宇宙的起源和物质的起源,这些都成为了科学家们的触手可及的命题。但是当时很多科学家是一头雾水的,因为他们不知道用什么样的手段去研究这些课题。后来,一群粒子物理学家加入到了这个研究行列当中。其实当时很多人都觉得这根本就是风牛马不相及的。
毕竟,粒子物理学家们都是研究小尺度的问题,可是宇宙的一些问题,都是大尺度上的。可万万没有想到的是,正是这些粒子物理学家实现了天文学,物理学双重的大跨越。他们利用核物理学解决了“太阳为什么会发光?”、“宇宙是如何起源的?”等问题,其中他们把元素的起源和恒星的演化合并成为了一个问题来解决,并且最终解决了这些问题。
我们要知道的是,地球的内核温度不到6000度,地球自身是没有办法合成元素的。地球上的元素实际上都要比地球年长许多,至少都有45亿年以上的寿命,来自于至少是上一代甚至是上两代的恒星。那具体是咋回事呢?
恒星:元素炼丹炉
我们都知道,恒星的燃烧本质是核聚变反应。但是实际上这个核聚变和我们地球上人类发明的氢弹是不太一样的。人类要点燃一颗氢弹,一般会像点着原子弹,原子弹可以创造出一亿度以上的环境,这时候就可以达到氢弹的引爆条件。
而宇宙中绝大多数的恒星内核是达不到这个温度的,就拿我们的太阳来说,太阳内核的温度仅仅只有1500万度。这距离1亿度的要求还想去深远,理论上点不着的。
那为什么太阳还能燃烧呢?
不知道你有没有想过,太阳为什么没有像氢弹那样一下子全炸了?
这其实是一个问题。太阳的温度足以点燃核聚变反应。但是由于太阳是等离子态,意思就是说,其中的原子核,电子等粒子是自由移动的。电子已经摆脱了元素的束缚。这就意味着原子核就有一定的概率发生核聚变反应。
但是由于原子核都是带正电,同种电荷相排斥,所以这个反应从宏观的视角来看是不可能完成的,这需要输入大量的能量才有可能实现。可是在微观世界中是和宏观稍稍不同的。微观世界中存在着一种量子隧穿效应,意思是说,即使需要大量能量才能实现的反应,在微观世界里也有极低的概率会发生。这个概率大概就是一对原子核发生核聚变需要10亿年左右的时间。关键是太阳足够大,粒子数足够多,所以这个反应就会被点燃,但是只能慢慢地反应,而不能氢弹那样一下子全炸了。
在恒星内部,首先发生的反应是氢原子核的核聚变反应,生成的氦原子核。在内核氢原子核烧得差不多时,恒星内核会在引力的作用下极度收缩,直到诱发氦原子核的核聚变反应,生成碳原子核或者氧原子核。(这里补充一点,有的恒星质量不够,所以引力不够,就不会诱发这个反应,后面也是一样的。)
当氦也烧完之后,就会继续碳原子核和氧原子核的核聚变反应。你就应该能感觉到,这个过程就是不断的生成原子序数更大的元素。
只要恒星的质量足够大,就可以一直沿着元素周期表原子序数增大的方向合成原子序数更大的元素,一直到铁元素。
铁之后的元素咋来的?
铁原子核是最稳定的原子核,这意思是说,想要让铁原子核发生核聚变反应是十分困难的,需要输入大量的能量。
但是只要恒星的质量足够大,就还可以引爆自身,这也就是超新星爆炸。在这个过程中,就会产生一部分原子序数比铁更大的元素。
而在超新星爆炸的同时,恒星一般会留下一个中子星或者黑洞。
它们都是宇宙中致密的天体。其中中子星如果和另外一个中子星相遇,就会发生合并。
在这个合并的过程中,还会产生大量的原子序数比铁原子大的元素,比如:金和银。这其实也是为什么铁元素之后的元素都比较少的原因。
也就是说,地球上的这些比原子序数比铁元素更大的元素其实来自于上一代恒星的超新星爆炸,或者来自于更上一代的恒星的超新星爆炸。甚至有可能是来自于一场中子星的合并。