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温度比超新星高10万亿亿倍!大爆炸为何没有一口气形成所有元素?

作者:企业家鞠文豪

我们的宇宙是一个浪漫的世界,那些闪亮的恒星就像一个个“元素加工厂”,它们在生成新元素的同时又不停地发光发热,并在生命终结的时候,将自己一生创造的各种元素抛洒到宇宙中的各个角落,这些元素又通过无比精妙的排列和组合构成了宇宙万物,当然也包括了我们人类。

温度比超新星高10万亿亿倍!大爆炸为何没有一口气形成所有元素?

恒星形成元素的过程大概是这样的,较轻的元素都是由恒星内部一轮接一轮的核聚变反应生成,每一轮核聚变都会生成更重的元素,而要点燃下一轮的核聚变,就需要更高的温度,如果恒星的质量足够大,核聚变反应将会一直持续到铁元素的生成。

在此之后,大质量的恒星就会发生威力惊人的超新星爆发,释放出高达1000亿K的温度,在这个过程中,较轻元素的原子核通过中子俘获生成了大量的重元素,自此宇宙中的所有自然元素就全部生成。

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在知道了恒星形成元素的过程后,我们似乎发现了一个规律,即元素的形成与温度的高低密切相关,具体表现在要形成更重的元素就需要更高的温度。换句话来说,就是在温度极高的环境中,似乎就可以生成所有元素。

根据现代宇宙中的主流观点——“大爆炸”理论的描述,在宇宙诞生时温度高达10^32K,其温度比超新星高10万亿亿倍!现在问题就来了:既然宇宙诞生时温度这么高,大爆炸为何没有一口气生成所有元素?

要搞清楚这个问题,我们只需要简单回顾一下大爆炸的过程就可以明白了。

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因为原子是由质子、中子以及电子构成,所以我们的讨论只有在这些粒子全部出现之后才可以进行。根据理论推演,大爆炸后10^-35秒就生成了电子,而直到大爆炸后的10^-12秒,中子和质子才开始出现,此时的温度已从10^32K降低至10^15K了。

虽然组成原子所需要的所有粒子都已经出现,但是它们在这个时候并不能形成原子,原因就是此时的温度太高了。温度的本质就是微观粒子运动的激烈程度,在10^15K的高温下,即使是宇宙最强的力——强相互作用力都无法束缚住高速运动的质子和中子。

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大爆炸后的温度下降得非常迅速,在10秒钟后,宇宙的温度已降至大约30亿K,强相互作用力的威力开始显现,我们期待的核聚变开始了。然而此时宇宙的温度和密度,已经不再支持那些重元素的生成了,因此在这个时间段内的核聚变反应只能生成一些简单的原子核。

这段“美好的时光”并没有持续多久,在大约35分钟后,宇宙的温度就已降低到约3亿K,此时的宇宙通过核聚变反应生成了占宇宙质量25%的氦、0.01%的氘以及10^-10%的锂。在此之后,所有的核聚变反应也就停止了,一直到很久很久以后第一颗恒星诞生时,核聚变反应才会重新点燃。

以上就是大爆炸为何没有一口气生成所有元素的原因,看到这里可能有人会问了,在大爆炸的过程中,为什么没有出现像超新星那样的,通过中子俘获生成的重元素呢?这是因为中子俘获只会发生在原子核足够大的情况下,比如说能够发生中子俘获的铁-56的原子核就有26个质子以及30个中子,通过前面的介绍,我们已经知道了这样的原子核并不是大爆炸初期能够生成的。