其實一直以來,人類一直都在思考一個終極的問題,那就宇宙到底是如何演化的。而奇妙的是,這個問題的解決,竟然是由一幫核物理學家搞清楚的,核物理學家其實就是研究微觀世界,比如:原子模型,原子核內部的世界,基本粒子等等。
換句話説,宇宙這個最大的尺度的演化,實際上和與最小尺度的微觀世界是統一起來的。兩者並不如一般人所想象的那樣是撕裂的。
那具體是咋回事呢?其實這要從宇宙大爆炸説起。
元素的起源
按照目前的主流宇宙學理論,我們的宇宙起源於138億年前的一次大爆炸。大爆炸之後,宇宙的温度極其高,宇宙開始劇烈的膨脹,膨脹過程中,温度急劇下降。
在宇宙大爆炸之後的前3分鐘,在極其高温的狀態下,光子對撞產生了各種粒子,其中就包括正負電子,正反質子等等。
而這些正負電子對和正反質子對等,還會繼續對撞,每十億對會留下一個正物質粒子,至於為什麼,其實目前還不得而知。到了宇宙誕生後的前4分鐘內,大部分的如今的粒子就基本構成了。宇宙誕生後38萬年左右,宇宙的温度降低到3000度左右,原子結構得以構成。
早期的宇宙構成的原子主要是氫原子和氦原子,這兩者是元素週期表最靠前的兩個元素,其中氫原子核內只有一個質子,氦原子核內只有兩個質子。
並不是説不能形成其他的元素,實際上在這個過程中還真的形成了其他的元素,只不過由於不穩定,最後還是分解成了穩定的氦原子核。
也就是説,如今宇宙的氫原子都有138億歲了,都是在宇宙早期形成的,而絕大部分氦原子也是如此,兩者佔據了目前宇宙元素總量的99%以上。只有極其少的氦原子不是這樣來的。那它們是咋來的呢?
核聚變反應
氫原子之後的元素,基本上都來自於核聚變反應,產生的場所來自於恆星。我們都知道,恆星是宇宙中的發光天體。它之所以可以發光發熱,主要是因為恆星的質量巨大無比。質量特別大,就使得自身的引力特別大。舉個例子,太陽在恆星家族中並不算是質量大的,但是它卻佔據了太陽系總質量的99.86%以上。
恆星的引力會使得自身在引力的作用下極度壓縮,當這個程度達到一個的強度時,就會誘發氫原子的核聚變反應。這個反應也被稱為質子-質子反應鏈,還有另外一條路徑叫做碳氮氧循環。
無論是哪種,最終產生的都是氦-4,也就是説還有一部分氦原子是後來形成的,而且如今太陽內核中也在發生類似的反應。氦之後的元素也是類似的路徑完成的,氫原子核核聚變把氫原子核耗完後,就會啓動氦原子核的反應,這裏有個前提,那就是恆星的質量要足夠大。
只要恆星的質量足夠大,就可以一直反應下去,一直到生成鐵原子核。
也就是説,鐵之前的元素,除了氫元素和大部分的氦元素,都是由恆星的核聚變反應生成的。那你可能要問了,那鐵元素之後的呢?
超新星爆炸和中子星合併
如果恆星演化到可以最終產生鐵原子核,並且質量足夠大。那這個時候,就會引發超新星爆炸。
在超新星爆炸的過程中,就會產生大量鐵元素。除了這個路徑之外,這類恆星有一部分會演化成中子星。當兩個中子星合併的時候,就會產生大量鐵元素之後的元素,包含許多高順位的,金元素和銀元素基本都是從這裏來的。
也就是説,如今地球上的元素,基本上的來源都來自於這些途徑。而且由於地球已經有45億年的歷史上,這就意味着,這些元素基本上都是來自於至少45億年前的恆星核聚變,超爆炸和中子星合併,它們的年齡一定是要大於地球年齡的。所以,説他們有幾十億歲是一點都不過分。
有沒有辦法消滅原子?
實際上,要消滅原子是有可能的。而且人類也確實做得到。那具體如何操作呢?
實際上,這就是我們非常熟悉的大型強子對撞機。
比如,在歐洲的LHC,就有利用質子束來對撞,我們知道,氫原子説白了就是一個質子加上一個電子。也就是説,我們可以消滅質子,其實也可以理解成消滅了一個氫原子核。
再比如:其實我們核聚變反應和核裂變反應,某種程度也是消滅了原來的原子核,再造出新的原子核。
除此之外,我們可以利用正反物質粒子的湮滅來消滅原子。所以,上個世紀基礎物理的大規模發展,使得我們其實是可以在原子層面消滅掉它們的。但是實際上它們並不是完全不見了,而是以能量的形式釋放出來。