其实一直以来,人类一直都在思考一个终极的问题,那就宇宙到底是如何演化的。而奇妙的是,这个问题的解决,竟然是由一帮核物理学家搞清楚的,核物理学家其实就是研究微观世界,比如:原子模型,原子核内部的世界,基本粒子等等。
换句话说,宇宙这个最大的尺度的演化,实际上和与最小尺度的微观世界是统一起来的。两者并不如一般人所想象的那样是撕裂的。
那具体是咋回事呢?其实这要从宇宙大爆炸说起。
元素的起源
按照目前的主流宇宙学理论,我们的宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。大爆炸之后,宇宙的温度极其高,宇宙开始剧烈的膨胀,膨胀过程中,温度急剧下降。
在宇宙大爆炸之后的前3分钟,在极其高温的状态下,光子对撞产生了各种粒子,其中就包括正负电子,正反质子等等。
而这些正负电子对和正反质子对等,还会继续对撞,每十亿对会留下一个正物质粒子,至于为什么,其实目前还不得而知。到了宇宙诞生后的前4分钟内,大部分的如今的粒子就基本构成了。宇宙诞生后38万年左右,宇宙的温度降低到3000度左右,原子结构得以构成。
早期的宇宙构成的原子主要是氢原子和氦原子,这两者是元素周期表最靠前的两个元素,其中氢原子核内只有一个质子,氦原子核内只有两个质子。
并不是说不能形成其他的元素,实际上在这个过程中还真的形成了其他的元素,只不过由于不稳定,最后还是分解成了稳定的氦原子核。
也就是说,如今宇宙的氢原子都有138亿岁了,都是在宇宙早期形成的,而绝大部分氦原子也是如此,两者占据了目前宇宙元素总量的99%以上。只有极其少的氦原子不是这样来的。那它们是咋来的呢?
核聚变反应
氢原子之后的元素,基本上都来自于核聚变反应,产生的场所来自于恒星。我们都知道,恒星是宇宙中的发光天体。它之所以可以发光发热,主要是因为恒星的质量巨大无比。质量特别大,就使得自身的引力特别大。举个例子,太阳在恒星家族中并不算是质量大的,但是它却占据了太阳系总质量的99.86%以上。
恒星的引力会使得自身在引力的作用下极度压缩,当这个程度达到一个的强度时,就会诱发氢原子的核聚变反应。这个反应也被称为质子-质子反应链,还有另外一条路径叫做碳氮氧循环。
无论是哪种,最终产生的都是氦-4,也就是说还有一部分氦原子是后来形成的,而且如今太阳内核中也在发生类似的反应。氦之后的元素也是类似的路径完成的,氢原子核核聚变把氢原子核耗完后,就会启动氦原子核的反应,这里有个前提,那就是恒星的质量要足够大。
只要恒星的质量足够大,就可以一直反应下去,一直到生成铁原子核。
也就是说,铁之前的元素,除了氢元素和大部分的氦元素,都是由恒星的核聚变反应生成的。那你可能要问了,那铁元素之后的呢?
超新星爆炸和中子星合并
如果恒星演化到可以最终产生铁原子核,并且质量足够大。那这个时候,就会引发超新星爆炸。
在超新星爆炸的过程中,就会产生大量铁元素。除了这个路径之外,这类恒星有一部分会演化成中子星。当两个中子星合并的时候,就会产生大量铁元素之后的元素,包含许多高顺位的,金元素和银元素基本都是从这里来的。
也就是说,如今地球上的元素,基本上的来源都来自于这些途径。而且由于地球已经有45亿年的历史上,这就意味着,这些元素基本上都是来自于至少45亿年前的恒星核聚变,超爆炸和中子星合并,它们的年龄一定是要大于地球年龄的。所以,说他们有几十亿岁是一点都不过分。
有没有办法消灭原子?
实际上,要消灭原子是有可能的。而且人类也确实做得到。那具体如何操作呢?
实际上,这就是我们非常熟悉的大型强子对撞机。
比如,在欧洲的LHC,就有利用质子束来对撞,我们知道,氢原子说白了就是一个质子加上一个电子。也就是说,我们可以消灭质子,其实也可以理解成消灭了一个氢原子核。
再比如:其实我们核聚变反应和核裂变反应,某种程度也是消灭了原来的原子核,再造出新的原子核。
除此之外,我们可以利用正反物质粒子的湮灭来消灭原子。所以,上个世纪基础物理的大规模发展,使得我们其实是可以在原子层面消灭掉它们的。但是实际上它们并不是完全不见了,而是以能量的形式释放出来。