宇宙第三元素之謎

「宇宙中最常見的元素第一是氫，第二是愚蠢。」

——哈蘭·埃里森

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那麼第三呢？

現實世界中的一切物質都是由兩樣東西組成的——帶正電的原子核和帶負電的電子。原子間的推動、拖拽、吸引、排斥，原子間的相互結合，由原子形成的分子、離子，以及電子的能量狀態——構成了整個世界。

雖然我們看到的宇宙特性是由這些原子的量子、電磁特性，以及它們的成份決定的，我們也有必要了解，宇宙並不是一開始就擁有今天我們所知的所有原材料。實際上，最初的宇宙十分單調。

物質多樣的結構方式，以及作為基本材料的複雜分子，依賴於種類繁多的原子。我們需要的不僅是大量原子，還需要它們有各種不同的品種，它們原子核內的質子數量要各不相同——這也就是不同元素得以相互區別的根本原因。

我們的軀體需要碳、氮、氧、磷、鈣和鐵。地殼是由硅和大量重元素構成的；要使地核能夠產出熱量，則需要元素周期表最上端的一系列最重的自然元素——釷、鐳、鈾，甚至是微量的鈈。

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但是回到宇宙的極早期，回到人類和生命、太陽系、行星、恆星還未出現的時代，世上所有的一切，只不過是一片熾熱的、電離的質子、中子、電子之海。那時什麼元素也沒有，也沒有原子和原子核——宇宙太熱了，以致於這些東西全都無法凝聚在一起。只有隨著宇宙的逐漸膨脹和冷卻，穩定的物質才得以出現。

隨著時間慢慢流逝，第一種原子核開始聚合，氫及其同位素出現了，隨後是氦及其同位素，以及微量的鋰和鈹。鈹通過衰變也變成了鋰。這個宇宙，以原子核的數量來統計，大約包含92%的氫、8%的氦和0.00000001%的鋰；如果用質量來統計，則包含約75-76%的氫，24-25%的氦和0.00000007%的鋰。不管用哪種方式，都可以看出，那時的宇宙幾乎全是氫和氦。而排在第三位的是鋰。

幾十萬年後，宇宙的溫度降低到了足以使中性的原子得以形成；幾千萬年後，引力的坍縮又引發了恆星的出現。恆星內核中的核聚變，不但照亮了宇宙，還為宇宙提供了更重的元素。

第一顆恆星誕生之時，大約是宇宙大爆炸後5000萬至1億年，那時大量的氫開始聚變為氦。但是這些最為巨大的恆星（質量大約是太陽的8倍以上）消耗速度非常快，大約只能存在幾百萬年。一旦氫燃料耗盡，恆星的氦核開始收縮。三個氦原子核開始聚變為一個碳原子核。整個宇宙中這類巨星的數量大約只有一萬億（1012）（在首個一億年中，宇宙中大約出現了1022顆恆星）。此時，原本排位第三的鋰開始被其它元素超過。

那麼此後排在第三的元素是否會是碳？

因為這樣的聚變存在於恆星內部洋蔥一樣的結構層內。氦變成碳，隨後在更高的溫度下，碳聚變成氧，氧聚變成硅和硫，硅最終變成鐵。最終，鐵無法繼續聚變，恆星內爆，把自己變成超新星。

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超新星把恆星內部的氫、氦、碳、氧、硅和所有通過非核聚變反應過程產生的重元素奉獻給了宇宙。這些過程如慢中子俘獲；氦原子核和其它較重元素的聚變（產生了氖、鎂、氬、鈣等等）；以及快中子俘獲（產生了鈾等重元素）。

恆星不只有一代，今天的恆星並非由原初的氫氦構成，而是許多前輩恆星的後代。這一點非常重要，因為若非如此，宇宙中就不會出現岩石行星，僅有的都會是由氫氦構成的氣體巨人。

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在幾十億年中，恆星經歷了一代代的生死輪迴，它們的成份也越來越複雜多樣。現在，大質量恆星內核中發生的聚變不是簡單的由氫變氦，而是出現了一種被稱碳-氮-氧循環的方式，通過這種方式，恆星積累了越來越多的碳、氧和氮。

在這種聚變方式中，當氦聚變為碳時，極易因為獲得一個額外的氦原子而變成氧（氧又會因為獲得另一個氦原子而變成氖）。我們的太陽在到達紅巨星階段時也可能會發生類似的事情。

太陽（右上角最小的）、變成紅巨星後的太陽（右上角太陽下方，與橙巨星大角類似）和紅超巨星心宿二（最大的那個）的比較。維基百科

因此在碳成為季軍的半路上，殺出了個程咬金。當質量足夠大的恆星開始碳聚變時，碳幾乎會全部轉變成氧。當恆星爆發時，氧的含量會比碳多得多。

如果我們對超新星遺迹和行星狀星雲進行觀察，就會發現那裡氧的含量都要明顯高於碳。而且也沒有任何一種重元素的含量能夠超過氧。

因此，在當今的宇宙中，氫和氦的含量排在第一和第二。排在第三的是氧，隨後是碳、氖、氮、鎂、硅和鐵，硫排在第十。

那麼未來呢？

在很長一段時期內，在宇宙的年齡至少達到當前的數千甚至數百萬倍前，宇宙中的恆星仍將不斷地形成，直到它們的燃料全被拋入星系際空間，或被完全耗盡。那時，氦有可能將取代氫，成為宇宙中含量第一的元素；但如果宇宙中隔離的、未被消耗的氫足夠多，氫的含量仍會排在第一。在極其遙遠的未來，由於未被拋出星系的物質，會被反覆地利用進行聚變，碳和氧的含量可能會超過氦；今天排名第三和第四的元素，也許有一天會登上冠軍和亞軍的寶座。

很久以後將合併成一顆恆星的兩顆褐矮星。這類天體在經歷了足夠長的時間後，最終會觸發核聚變。NASA

我們無法下確切的定論，因為宇宙一直在變化。今天，氧是宇宙中含量第三的元素，但在極其遙遠的未來，排名有可能上升，氫和氦的含量也有可能會下跌。

別忘了那些逝去的恆星，我們呼吸的氧，都是由它們提供的。

伊桑·西格 文 / 老孫 譯

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