宇宙與人 | 元素製造基地和它們的終點

來自谷博士的化學武器

每年高一講元素周期律的時候，我都給學生推薦過這部紀錄片：《宇宙與人》。這的確是我看過大陸地區拍的最高質量的科教片了，但估計應該是沒什麼人看。沒關係，我來推送。

化學反應只能改變原子核外電子數目，並不能改變元素的種類（即原子核）。而製造元素或改變原子核，就要在宇宙中億億億億億億計的場所中進行——恆星。

我們的太陽，只是很普通的一顆恆星，它和浩瀚宇宙中的其他恆星一樣，時刻都在進行核聚變反應。太陽的燃燒和篝火原理完全不同，它在讓原子核燃燒。愛因斯坦用著名的質能轉換的公式計算出，核能量能達到普通化學能量的2000萬倍。宇宙中最高效的核能是氫聚變成氦，也就是4個氫原子聚變成一個氦原子，這個過程可以有千分之七的物質轉換成能量，雖然只有千分之七，但物質的能量太大，如果把1000克氫原子中千分之七的物質轉換成能量，就相當於4000噸石油和6000噸煤。舉個例子，在一節只能燒幾分鐘的樹枝中所蘊藏的核能，足以把一盞100瓦的燈泡點亮100萬年。

太陽每秒鐘使用5億噸的氫原子參與聚變，其中有400萬噸的物質轉化為能量。這些數字聽起來挺大，但和太陽的總質量相比，就微不足道了。太陽自存在以來，只損失了萬分之一的物質。能量在它的大約70萬公里的深處的核心產生，要經過1000萬年才能上升到表面，光在太陽的肚子里走得比蝸牛還慢，正因為這樣，這個能量的「億萬富翁」才能從容地使用自己的存款，坐吃而不山空。

太陽只有2次核聚變，90億年的氫聚變和大約10億年的氦聚變。當氦燃燒完的時候，太陽的引力會繼續塌縮而且將沒有抵抗，此時，它的力結構將會出現一些不穩定而噴出一些外圍的物質，然後這些物質會形成艷麗的光環。在宇宙中有許多這樣的氣體光環，這些都是類似我們的太陽這樣的恆星的死亡符號。死亡太陽的大部分的物質依然被引力牢牢控制著，但因為引力不足以引發比氦元素更重的碳元素的核聚變，所以這顆星球只有忍受塌縮，成為一顆和地球直徑差不多，但比地球重幾十萬倍的白矮星。

在宇宙中，恆星的分類是按照它們死亡的方式，一類像我們太陽這種，最終安靜地成為白矮星，另一類是比太陽大8倍以上的恆星，它們的死亡是爆炸。

宇宙在過去有過一個非常單調的開端，只有氫元素和少量的氦元素，然而宇宙在成長，成長的標誌就是重元素的增加，這種增加使宇宙越來越豐富。宇宙的所有的奇蹟，都是在有了完整的元素製造之後。而製造元素，就是把氫元素以不同的數目聚合，而要完成所有元素的聚合的場所，就是擁有巨大引力的大恆星。

從豐富物質角度來說，大恆星是宇宙中的精品，它們不僅能生產所有的元素，而且由於恆星越大，壽命越短，因此周期也短。所以，恆星的巨無霸是宇宙製造元素效率最高的工廠。不過，宇宙中最大的恆星的質量極限是一百個太陽，如果再大，就會因為自身的核反應過猛而解體。

引力製造元素，但也束縛元素，小恆星大約能製造出十來種元素，但這些元素最終不能在宇宙中流動。大恆星能製造更多的元素，一般超過太陽質量8倍以上的恆星就能使聚變一往無前，其核心達到幾十億度的高溫不斷地創造不可思議的聚變，每次聚變所產生的能量都使恆星膨脹得更大一些。於是它就像洋蔥一樣形成令人吃驚的多層核聚變的巨大空間，這個空間可以達到100億公里，裝下整個的太陽系。

在聚變的深入過程中，恆星變得越來越危險了。因為元素越重，聚變提供的能量越少，而巨大的恆星又必須靠不斷釋放的核能支撐，然而，當聚變到排列第26號的鐵元素時，搖搖欲墜的恆星遭受到最致命的破壞——因為鐵元素的結構極其穩定，它在聚變時不釋放能量。於是，巨大而膨脹的恆星將會因核心失去支撐而倒塌。因此，恆星粉碎性的爆炸，能量的狂飆掃蕩天庭，這就是超新星爆發。此刻它的能量相當於正常恆星的100億倍。在這個超能量的瞬間，宇宙中所有的元素都被聚變出來了。

像金銀首飾這種重元素，就是在超新星的爆炸中誕生的。當我們佩戴它們時，要記住宇宙製造高檔產品確實是代價很高，它需要報廢一顆至少比太陽大8倍以上的恆星，才能使我們披金戴銀。

超新星的爆炸使物質擺脫了引力的束縛，但鐵元素的核卻墜入引力的深淵，巨大的塌方把電子都壓進了質子，於是質子全變成了中子，而中子之間沒有電磁力的排斥，原子核可以相互緊緊地挨在一起，這就形成了最緻密的物質——中子星。它1立方厘米的質量能達到10億噸，而它引力強大到讓光都要成拋物線才能掙脫。

把一個幾百萬公里直徑的物體壓縮成只有30公里的直徑，就是中子星，而同時被壓縮的還有磁場。這是一個匪夷所思的超高能核電站，它可以把表面附著的電子像高壓水柱一樣噴射出去，它們所具有強烈的方向性可以成為宇宙定位的燈塔。十幾年前，人類尋訪外星生命的一艘飛行器上所攜帶的人類的自我介紹，就是用多顆中子星為地球做定位。

一些大的超新星爆炸之後，將會產生引力的奇蹟——黑洞，巨大的引力把物質化為無形，因為連光都要被吸回它的表面。如果把地球壓縮成一個核桃，就是黑洞，因為地球其實是一個強力和電磁力支撐的物體，如果把原子核都毀滅了，地球就將成為幾厘米直徑的濃縮引力的載體，黑洞的存在已經被證實。

超新星是宇宙中4種力配合的傑作，它們共同建造一個巨大的原子鍋爐，然後以鍋爐的崩潰所激發的能量完成所有元素的製造，並且在最後的瞬間把元素都徹底地拋灑出去。正因為有這種拋灑，物質才有可能演化。恆星以自身的毀滅，造就了宇宙中最偉大的新生。

在超新星的物質瀰漫之後，引力將會再次把這些物質凝聚成天體，大的塌縮成恆星，小的形成行星，如果這顆恆星有較長的壽命，而它的周圍有若干合適的行星圍繞，那麼這個長壽的核能和比較靠近它的行星上豐富的宇宙元素的光和熱交流，就可能最終產生宇宙中最複雜的物質形態——生命。

最後附上《宇宙與人》的完整紀錄片