相信每一個朋友都知道元素週期表,在這個表上有118種元素,它們是組成這個物質世界,物質宇宙的核心。我們都知道,世界萬物,宇宙萬物都是由物質構成,而構成物質的就是這些基本元素。即使是生命也是由各種元素構成的,而人體更是由多達60多種元素構成。
那麼這118種元素是如何誕生的?要揭開這個謎團,我們還需要從宇宙大爆炸的那一刻説起。根據現代科學理論,宇宙起源於138億年前的奇點爆炸,我們可以將這個奇點看成是一個無限能量的集合。當大爆炸發生的瞬間,奇點中的能量被釋放出來,於是元素的誕生也就開始了。
通過元素週期表,我們可以看出,氫排在第一名,而氦排在第二名,其它的元素按照輕重依次排序。這個排名可不是隨便排的,都是經過科學的研究和探索,而越是靠前的元素,它們誕生的時間往往越早。比如氫和氦排在第一和第二,所以是最早誕生的元素,在宇宙中的含量也最多。
宇宙大爆炸之後的很短時間內,是沒有任何元素存在的,那個時候只有由夸克、輕子、光子、膠子和反物質粒子組成的早期宇宙。這些粒子合成了第一批原子核,持續時間只有十幾分鍾,短短的十幾分鍾卻奠定了宇宙的物質基礎。
宇宙大爆炸之後最先形成的是氫元素,然後是氦元素,原因就是這兩種元素的結構簡單,在強大能量的作用下更容易形成。所以它們也佔據了宇宙所有元素含量的99%以上,其中75%是氫,接近25%是氦。其它的那些元素基本都是在這兩個元素的基礎上形成的。
只不過在這118種元素中,有三種元素非常特別,它們的形成機制跟其它的元素完全不同,這三種元素就是3號元素鋰、4號元素鈹和5號元素硼。可能有人會説了,這三種元素排名如此靠前,那在宇宙中應該是最容易形成的,含量應該也比後面的其它元素要高很多。
可真實的結果卻完全不是如此,這三種元素在宇宙中是非常罕見的,為什麼會這樣呢?主要跟它們的形成機制完全不同於其它元素有關。其它的元素形成機制基本都跟恆星有關,我們都知道,恆星是宇宙中非常普遍的一種天體,它們內部時刻進行着核聚變,給黑暗寒冷的宇宙帶來了些許光明和温暖。
當宇宙早期形成了大量的氫和氦之後,這些氫和氦的凝聚也開始形成恆星。而恆星的誕生徹底改變了宇宙的演化。我們都知道,恆星基本是由氫元素組成的,而恆星內部的核聚變也可以不斷將氫聚變成氦。這就是氫氦聚變,我們的太陽現在就進行着這樣的聚變轉化過程。
對於氫元素來説,核聚變反應能夠讓它們轉化為氦,可是對於鋰元素來説,這種極高的温度足以使它們爆炸,所以鋰元素無法通過核聚變反應形成,其它的四號元素和五號元素也是如此。
當恆星內部通過核聚變將氫元素全部轉變為氦元素之後,氫核聚變就會停止,這個時候恆星內部的輻射壓力降低,無法對抗引力坍縮,使得核心區域會不斷收縮。在此期間,恆星內部的温度將會進一步升高。那麼氫核聚變結束之後,是否意味着核聚變就會停止呢?當然不是。
當恆星的氫元素全部轉化為氦元素之後,另一種核聚變反應就開始了,這個時候氦元素又會聚變為6號元素碳以及後面的幾種元素。由於恆星內部的聚變能量有限,所以靠核聚變已經很難產生更重的元素,那麼元素週期表上的那些重元素是如何來的?
不要着急,恆星內部的核聚變結束之後,它的生命也走到了盡頭,這個時候根據恆星質量的不同,又會有三種演化,對於中低質量恆星,一旦氦聚變完全結束,它們的外層就會脱離,形成行星狀星雲,而核心則會坍縮成白矮星。
而大質量的恆星,它們核心還能進一步坍縮和升温,從而啓動碳核聚變。碳會聚變成氧,氧聚變成氖,氖又聚變成鎂,不停地合成下去,硅、硫、氬、鈣、鈦和鉻等元素會相繼產生,一直到鐵、鎳和鈷。鐵核聚變會吸收能量,導致大質量恆星的平衡被打破,它們將會發生猛烈的超新星爆發。
在超新星爆發的過程中,還會進一步合成出比鐵更重的元素。另外,白矮星和白矮星合併或中子星和中子星合併也會製造出重元素。以上這些就是各種重元素的形成誕生過程,它們都跟恆星有着密切的關係,由此可見,恆星在宇宙的地位有多麼的重要,科學家稱恆星為宇宙元素冶煉工廠。
相信細心的朋友也會發現,以上這些跟恆星有關的元素轉化過程並沒有第三號元素,第四號元素和第五號元素。沒錯,這三種元素前面我們已經説了,它們的形成機制跟其它元素是完全不同的,所以導致它們在宇宙中非常稀有。
那麼這三種元素又是如何形成的?其中鋰元素在宇宙大爆炸之後十幾分鍾內,在形成氫和氦的過程中,也同樣形成了大約0.0000001%的鋰,可見鋰元素其實早在恆星誕生之前已經存在了。
既然這三種元素不是通過恆星的演化形成的,那麼它們是怎麼來?根據目前的推測,這三種元素的存在要歸功於宇宙中最高能的粒子來源,比如脈衝星、超大質量黑洞、超新星等。我們都知道,這些可都是宇宙中天然存在的超級粒子加速器。
它們會向整個星系的各個方向噴射宇宙粒子,這些粒子甚至有足夠的能量來跨越浩瀚的星系際空間。宇宙粒子加速器發射出去的高能粒子朝着四面八方運動,它們有可能會與其他粒子發生碰撞。如果被撞擊的粒子是碳或者更重的原子核,那麼,碰撞產生的巨大能量將會引發另一個核反應。
當高能粒子撞擊重原子核時,巨大的原子核會分裂成各種各樣的粒子。這種過程被稱為散裂,它是鋰、鈹和硼的主要形成來源。鋰、鈹和硼是宇宙中僅有主要依靠散裂過程形成的元素,它們不像其他重元素那樣依賴於與恆星有關的過程。
由於鋰、鈹和硼的產生依賴於高能粒子在宇宙中的偶然碰撞,所以它們在宇宙中非常稀有。而這三種元素可是地球生命不可或缺的元素,雖然我們現在還沒有發現任何的地外生命,但是科學家猜測,宇宙生命誕生的機制有一定的共同,地球生命離不開這種元素,那麼其它的外星生命可能也離不開它們,尤其是像人類一樣的智慧生命。
事實上,元素周表上的大部分重元素在宇宙中都是非常稀有的存在,而生命的誕生和進化演化離不開這些重元素,人類的身體有60多種元素構成,相信高等級的外星智慧生命身體所需要的元素也是非常多的。再加上鋰、鈹和硼在宇宙中稀缺性,我們可以預知,生命在宇宙中可能非常稀有,尤其是智慧生命在宇宙中可能更是少到極致。
正是由於生命在宇宙中非常稀有,所以我們才很難發現外星生命。有可能在浩瀚的銀河系中,只有人類這一個文明也不是沒有可能,甚至有一些極端的科學家猜測,我們的宇宙有可能只有人類這一個智慧文明。
我們對宇宙的認知越多,越會感到人類有可能真的非常孤獨。如果銀河系或者更廣闊的星空範圍內只有人類這一個文明,那我們要搜尋到外星文明,可能只有等到什麼時候成為了強大的星際文明才有希望。那個時候,我們就可以前往各個星際探索,搜尋生命,搞清楚生命在宇宙到底是什麼情況?