宇宙中为啥有如此多的氢?要出现比氢更重的元素,则需中子的参与

Posted September 18, 2019 in . view . Tagged: none.

在宇宙中,有超过3/4的化学组成或者在可见空间充满了大量的氢气。那么,我们会问:为什么宇宙中有如此多的氢气呢?为什么大爆炸会创造出最原始的化学元素与氦的混合物?

概括地讲,要出现比氢更重的元素,则需要中子的参与,但中子不常有。

人类已知的化学元素有118种。然而,这只是表面上的多样性;在整个宇宙中,有两种元素占化学元素总数的99%以上,其中氢约占78%。在宇宙中,这种化学结构可能会让一个没有经验的人而感到惊讶。注意,在恒星生命期的热核反应中,会形成其他化学元素,如碳、氧、氮、硅等。由于大质量恒星的爆炸,产生了比铁重的原子,同时在压缩的过程中,又产生了各种化学元素,然后在超新星爆炸期间,所有物质都被抛入外太空。

问题是什么?

整个元素周期表的大部分元素的出现,都要归结于恒星核心的压力和温度。那我们就有疑问,为什么这些元素不在大爆炸时期出现呢?在宇宙发展的最初阶段,由于氦的加入,为什么无数的基本粒子几乎只形成了氢气呢?

宇宙的化学结构

让我们回到宇宙存在的最初时刻,或者更准确地说,回到0.05秒。此时,宇宙被加热到200-300亿开尔文,里面充满了高能纸浆,在这里你可以看到电子和核子的第一元素。所以,我们有了创造原子所需的所有条件,但它们仍然具有巨大的能量来连接稳定的原子,这意味着,质子和中子暂时处于“自由”状态。

你应该知道,中子几乎是每个原子核(氢除外)所共有的且不可缺少的元素,但它是不稳定的。不要担心,这种不稳定只涉及到单个中子。尽管如此,除了原子核之外,在9分钟内,中子就会发生统计学上的分解,通常而言,它会释放出一个质子、一个电子和一个反中微子。相反,质子算是厉害的,因为它们的平均预期寿命可达6年半(基于研究)。

即便如此,在大爆炸后的最初时刻,两个核子的物理特性就决定了物质的未来组成。考虑到年轻宇宙的巨大动力和普遍存在的极端条件,尽管中子会在9分钟内消失,但瞬间就能打破这种平衡。众所周知,著名理论家乔治·伽莫(乔治·安东诺维奇·伽莫夫)在几十年前就计算过,在温度降到100亿开尔文之前,中子和质子的比率为3:5,而在100万开尔文的温度下,每100个质子的中子数不足15个。

接下来,在大爆炸后的三分钟时,由于存在强大的核相互作用,这样就开始“收集”原子的第一批原子核,这些原子核很快就会与电子相连。其中包括许多氘(1个质子+1个中子)、氚(1个质子+2个中子)和氦(2个质子+1个中子)。虽然这些同位素不是很稳定,但它们经受住了时间的考验,能够产生最简单、更耐用的氢和氦(2个质子+2个中子)。当然,由于存在巨大的差异,大多数质子都找不到中子伙伴。很明显,宇宙中,最常见的元素就是氢了,它仅由一个质子和一个电子组成。自那以后,经过了138.2亿年,宇宙中核子之间的比例并没有发生显著地变化。

然而,即使我们了解到氢气在宇宙中的普及程度,换句话说,氢气的量很大,但你可能仍然想知道为什么只有氦是由可用的中子合成的?为什么在宇宙刚开始时没有出现像氧、碳、镁、钙和其他元素呢?大自然似乎以一种相当明显的方式在运作,试图去形成最简单的事物秩序。同时,在出现氦之后,下一个则是含有五个核子的原子核了,但它本质上是不稳定的,这就迫使我们违反元素周期表的元素序列,并“跳”到锂-6和锂-7,然后转向铍和硼。原来的核合成可能结合了这些元素中的一些元素,但是,即使结合在一起了,它们也不会超过宇宙构成的千分之一。然后你需要再做一次“跳跃”,因为没有八个核子的稳定原子核。

应该指出的是,伽莫夫的结论是根据宇宙史上普遍存在的情况而得出的。后来随着人类对太空的观测,证实了伽莫夫提出的宇宙化学结构,这与大爆炸理论完全吻合。

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