宇宙是如何制造第一個(gè)元素的？
2021-01-25 09:04:12郎思策
大科技·百科新說(shuō) 2021年11期
郎思策
我們或多或少都聽(tīng)說(shuō)過(guò)宇宙大爆炸的故事。一切從令人難以置信的高溫和密集狀態(tài)開(kāi)始，然后宇宙不斷擴(kuò)展。這種擴(kuò)展，將宇宙中的一切散布開(kāi)，同時(shí)降低了它的能量和溫度，并迫使粒子相互作用，不斷衰減和凍結(jié)……
大爆炸后的第4秒鐘，宇宙中就不存在自由的夸克，不再有反物質(zhì)，中微子也不再與任何剩余的粒子發(fā)生碰撞或相互作用。這時(shí)，宇宙中的物質(zhì)比反物質(zhì)多，每個(gè)質(zhì)子或中子都對(duì)應(yīng)有10億個(gè)光子，此時(shí)宇宙的溫度也只是略低于1010 K。但是，它還不能制造出任何元素。
那宇宙第一個(gè)元素是如何被制造出來(lái)的呢？這需要從大爆炸后的3秒內(nèi)發(fā)生的事情說(shuō)起，它對(duì)于接下來(lái)的元素的產(chǎn)生尤為重要。
不穩(wěn)定的質(zhì)子和中子
這時(shí)的宇宙中充滿(mǎn)了質(zhì)子和中子，它們與電子或中微子碰撞并相互轉(zhuǎn)化，從一種類(lèi)型變?yōu)榱硪环N類(lèi)型。這些反應(yīng)都遵循能量守恒定理，即重子數(shù)（質(zhì)子和中子的總數(shù)，設(shè)為10）和電荷總量是不變的。那么，這意味著在最初的階段，質(zhì)子和中子占比是5：5，并且，電子的數(shù)量等于質(zhì)子數(shù)。
但是，由于中子比質(zhì)子重，依愛(ài)因斯坦質(zhì)能公式E=mc2可知，產(chǎn)生中子比產(chǎn)生質(zhì)子需要更多的能量。在這種條件下，中子和電子（或中微子）發(fā)生碰撞依然可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，但質(zhì)子和電子（或中微子）發(fā)生碰撞無(wú)法轉(zhuǎn)化為中子（因?yàn)樾枰嗟哪芰浚?，所以只能保持還是質(zhì)子。這樣，隨著時(shí)間流逝，中子持續(xù)在轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，中子越來(lái)越少，質(zhì)子卻越來(lái)越多。到第3秒的最后，宇宙中，質(zhì)子——和相等數(shù)量的電子——大約占70%，中子大約占30%。
質(zhì)子、中子和電子都是在溫度非常高、密度非常大的環(huán)境下四處飛行，這很像今天正發(fā)生在太陽(yáng)中心的事情。是的，我們很自然就會(huì)想到，質(zhì)子和中子會(huì)融合在一起，然后產(chǎn)生原子核，并釋放出能量（遵循愛(ài)因斯坦的E=mc2）。并且接下來(lái)，這些原子核又與電子結(jié)合，然后開(kāi)始源源不斷產(chǎn)生我們?cè)刂芷诒碇械哪切┓€(wěn)定的、中性的元素。
喬治·伽莫夫——大爆炸理論的創(chuàng)始人，聲稱(chēng)所有這些元素都是在大爆炸時(shí)形成的——即在最熱、密度最高的地方。可惜，他的看法并不正確。宇宙確實(shí)在大爆炸期間，在最高、最熱的地方產(chǎn)生了元素，但只不過(guò)是極少數(shù)而已。
最早的原子核——氘核
我們知道，為了制造元素，需要有足夠的能量，將這些質(zhì)子、中子、電子等融合在一起。并且為了保留它們，用它們來(lái)制造更重的東西，首先要確保它們不遭到破壞。但是在宇宙的早期，幾乎做不到這一點(diǎn)——它們很快就會(huì)遭到破壞。
假設(shè)大爆炸后的第3秒鐘，宇宙充滿(mǎn)了70%的質(zhì)子（和相等數(shù)量的電子），30%的中子，并且每個(gè)質(zhì)子或中子都對(duì)應(yīng)有10至20億個(gè)光子。為了制造重元素，第一步必須是使質(zhì)子與中子產(chǎn)生碰撞，或是質(zhì)子與另一個(gè)質(zhì)子產(chǎn)生碰撞。這么做的目的，是制造一個(gè)將兩個(gè)核子（如質(zhì)子和中子）結(jié)合在一起的原子核，這是構(gòu)建更復(fù)雜的元素的第一步。
這部分很簡(jiǎn)單，宇宙毫無(wú)問(wèn)題地制造了大量的氘核。但問(wèn)題是，這些氘核被制造出來(lái)后，又很快被消滅了。
容易遭破壞的氘核
在宇宙最高熱的時(shí)候，光子的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)質(zhì)子和中子，所以它與氘核發(fā)生碰撞的概率極大。大到什么程度呢？幾乎可以說(shuō)是百分之百——反過(guò)來(lái)說(shuō)，不是光子與氘核發(fā)生碰撞的幾率小于十億分之一。
在高熱的情況下，光子擁有足夠多的能量，可以立即將氘核分解為質(zhì)子和中子。于是，出現(xiàn)這種情況——宇宙不斷制造氘核，但它很快又被毀滅（如果不是這樣，那么宇宙產(chǎn)生元素會(huì)變得簡(jiǎn)單很多）。
只要宇宙溫度足夠高，那么，這種情況就會(huì)一直存在。這就是為什么宇宙學(xué)家稱(chēng)“氘核是宇宙制造元素的瓶頸”：宇宙樂(lè)意并且有能力制造元素，但是必須經(jīng)歷氘核容易被破壞這個(gè)階段。
因此，只有等到宇宙冷卻，等到它的溫度降至某個(gè)值——該溫度下光子能量不足以分解氘核。但這需要3分鐘以上的時(shí)間，與此同時(shí)，宇宙中還會(huì)發(fā)生其他事情。只要中子是自由未受約束的，它們就會(huì)變得不穩(wěn)定并開(kāi)始衰變。
其他核子的產(chǎn)生
宇宙擴(kuò)展和冷卻至氘核不立即被分解所需的實(shí)際時(shí)間，約為3.5分鐘。在這段時(shí)間內(nèi)，又有約20%的中子會(huì)變成質(zhì)子。質(zhì)子和中子在早期是5：5的比例，在3秒后變成了7：3的比例。現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)3分多鐘的時(shí)間，變成了約是9：1。
這時(shí)，宇宙已冷卻到一個(gè)合適溫度——氘核不再被破壞。氘核終于被制造了出來(lái)，緊接著，我們?cè)刂芷诒砩系钠渌俗右查_(kāi)始被制造。例如，向氘核中添加另一個(gè)質(zhì)子，將得到氦-3。在氘核中再添加一個(gè)中子，就會(huì)得到氫-3，也就是氚。如果隨后在氦-3或氚中添加氘核，則會(huì)分別得出氦-4和一個(gè)質(zhì)子或一個(gè)中子。到宇宙誕生3分45秒時(shí)，幾乎所有的中子都已經(jīng)被用來(lái)形成氦-4了。
從質(zhì)量上來(lái)看，這時(shí)的宇宙是這樣的：氫（質(zhì)子）占76%，氦- 4（2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子）占24%，氘（1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子）占0.01%，氚和氦- 3（氚是不穩(wěn)定的，會(huì)衰變?yōu)楹? 3，帶有2個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子）占0 . 0 0 3%，鋰-7和鈹-7（由氚或氦- 3和氦- 4融合一起形成，帶4個(gè)質(zhì)子和3個(gè)中子）占0.00000006%。
當(dāng)宇宙已經(jīng)膨脹并冷卻到其密度僅為太陽(yáng)核心密度的十億分之一時(shí)，核聚變就不再發(fā)生了，并且也沒(méi)有辦法將質(zhì)子與氦-4或?qū)蓚€(gè)氦-4核穩(wěn)定地融合，所以鋰-5（由質(zhì)子與氦-4組成）和鈹-8（由兩個(gè)氦-4組成）都非常不穩(wěn)定，會(huì)在幾分之一秒后消失。
宇宙最早的元素——?dú)洹⒑?/h3>
宇宙確實(shí)在大爆炸之后立即形成元素，但幾乎形成的所有元素都是氫或氦的原子核（不帶電子）。大爆炸后，宇宙中殘留著少量的鋰，因?yàn)殁?7會(huì)被分解為鋰，但按質(zhì)量計(jì)不到十億分之一。
當(dāng)宇宙溫度降到足以使這些原子核束縛電子時(shí)，我們才擁有了我們的第一個(gè)元素——第一代恒星將由其制成。然而，宇宙這時(shí)還無(wú)法制造出我們認(rèn)為對(duì)生存至關(guān)重要的元素，例如碳、氮、氧、硅等，那時(shí)宇宙中只有氫和氦，并且達(dá)到99.9999999%的水平。從大爆炸開(kāi)始到形成第一個(gè)穩(wěn)定的原子核只用了不到4分鐘的時(shí)間，這個(gè)過(guò)程是在高熱，高密度，不斷拓展和冷卻的環(huán)境下進(jìn)行的。從那時(shí)起，我們宇宙中的物質(zhì)故事開(kāi)始了。
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