世间万物的来源

我很想将这期专栏的标题定为《世间万物的来源之谜》，但可能谈不上是个谜。物理学对世间万物的来源有相当清晰的认知 —— 大概只剩下一点未解的悬念，这一讲我们会重点说说那个悬念。相信你了解之后更多的是赞叹，而不是疑惑。

简单说，世间万物都是由原子组成的。这个认知本身就非常了不起。这意味着，你别看万事万物形态各异，但其最底层的组成成分的结构是相似的，无非都是由质子、中子和电子构成。其中 ——

- 中子主要起到配合质子让原子核稳定的作用；

- 质子决定了这个原子是什么原子，或者说叫什么元素；

- 原子核外的电子数，则决定了这个原子的化学性质。

用科学作家比尔·布赖森（Bill Bryson）的话说：「质子决定了原子的身份，电子决定了它的个性。」[1]

科学家早已经把所有元素都编了号，组成「元素周期表」——

一个元素的编号，也叫原子数，就是这个原子拥有的质子的数量。

第92号元素是「铀」，也就是核电站和核武器用的那个铀，这也是周期表上最后一个能在自然界找到的元素。92号以后的元素叫做「超铀元素」，因为原子核中质子和中子的数量太多，变得非常大，也就非常不稳定，如果有的话也是在核反应堆里人工合成的，而且一合成很快就会核裂变成更小的原子，所以不会在自然界中存在。而118号以后的元素，哪怕是你想人工合成，似乎也只在理论上可以存在。

一个你不一定知道，但是很了不起的事实是，元素周期表上1-92号所有的元素，我们都在地球上发现了 [*]。

这意味着宇宙再大，也不会有一个遥远的星球上有一种我们得不到的神奇元素。换句话说就是宇宙没有卡我们的脖子。试想如果有一种关键元素地球上没有，而外星人能用这个元素制造武器，那我们岂不是很难受。

所以我们既感到庆幸，也感到敬畏。地球什么都有。

那么问题来了，所有这些元素都是从哪里来的呢？

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元素不是从地里长出来的。你把十根金条埋到后院，过多少年它们也不会再给你生一根出来。所有元素都来自宇宙中很遥远的地方。

周期表上头两个元素，氢（有一个质子）和氦（两个质子），是宇宙大爆炸的遗迹。大爆炸起源的那一刻，极小的空间有一个极高能量密度的量子场，这个量子场的波动产生夸克和胶子这些最小的基本粒子。大爆炸开启后的百万分之一秒，宇宙已经膨胀到太阳系那么大，温度下降，夸克们三个三个地聚集在一起，形成了质子和中子 —— 单个的质子，也就是氢原子核。

而此时的宇宙仍然是极高密度、极高温度的所在。大约三分钟后，温度进一步冷却，有些质子和中子结合在一起，形成氘 —— 氘也算是氢元素，是氢元素的一种同位素：它跟一般的氢原子的区别是多了一个中子。氘和氘再进一步发生核聚变，形成了有两个质子和两个中子的氦原子核。偶尔氢和氦还会发生核聚变，形成少量的锂原子核（它有3个质子）。

大爆炸就只能给你这么多。我们今天绝大多数的锂元素，以及周期表上序号大于3的所有其他元素，都不是大爆炸产生的。

它们都来自恒星。如果这个世界没有恒星，它就只是一大堆氢、氦的尘埃。

好在那些尘埃会在引力作用下聚集在一起形成星云，星云又形成薄厚不均的结构。中间不知道要经过多少机缘巧合 —— 这里要求宇宙必须不是完全均匀的，某些地方的密度得稍微高一点点 —— 但是剪断截说，那些一开始就比较“重”的地方在引力作用下吸引周围的尘埃，变得更重，通过持续的正反馈，最终形成了恒星 [2]。

你可以简单地把恒星理解为一个烧氢的装置。无数氢原子核在引力作用下聚集在一起，在恒星内部的高温高压之下发生核聚变，释放能量，从而发光发热。

青壮年的恒星，比如我们这个太阳，基本上只是把氢变成氦。更重的元素要等到恒星进入晚年才能烧出来。

等到恒星内部的氢全部被烧成了氦，它就会膨胀得越来越大，外层的氢开始燃烧，恒星的体积扩大无数倍，终于变成红巨星。到某一时刻，内核的氦积累得如此之多，压力如此之大，以至于氦跟氦会发生核反应。那可能是一次快速的「氦闪」，也可能没那么快，但结局是内核的氦被烧成了碳和氧。

氦闪之后，红巨星外围的氢只剩下一片「行星状星云（planetary nebula）」，未来会被星际间的风吹散。

[行星状星云非常美丽，中间那个亮点就是恒星烧剩下的内核。]

像我们的太阳这样的恒星，因为质量太小，最终剩下的那个由碳和氧构成的内核就不会继续燃烧了。它会慢慢冷却，最终所有原子排列成晶体，就如同一颗巨大的钻石。这就是「白矮星」。它将孤零零地度过宇宙中余下的漫长岁月……

要制造比碳和氧更重的元素并且把它们扩散到其他地方，你需要一颗质量至少超过太阳8倍的恒星。这样的恒星经历了红巨星阶段之后，会继续演化，变成「红超巨星」。这时候核心的碳和氧会进一步发生核聚变，形成氖、镁、硅这样的元素，最终会形成铁（26个质子）。

[一颗即将爆发的红超巨星]

红超巨星内部的铁元素积累到一定程度，极高的压力之下，核心就会坍缩，导致爆发，这就是超新星。

超新星爆发是宇宙中最耀眼的事件，能照亮整个星系。对观察者来说，因为离得太远，可能它要是不爆发你都不知道那里有颗星，你以为那是个新星 —— 其实那是恒星的死亡。

正是因为超新星的爆发导致了极高的温度和压力，铁元素才有机会跟自由的中子、电子、质子发生反应，形成镍和铜等更重的元素。也是因为超新星爆发，这些重元素才被抛洒到宇宙各处，那些尘埃又随机聚集在一起，变成行星，这才有了地球。

所以我们都应该感谢超新星。这真是一星落，万物生。

科学家原本以为这就是故事的全部。

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你可能听说过，体育界有个说法叫「GOAT」，意思是“史上最伟大球员（Greatest of all time）”。比如梅西就被视为GOAT。

天文学界也有个说法，叫「BOAT」，意思是“史上最明亮事件（Brightest of all time）”。2022年10月9日，天文学家观测到了一次BOAT级的伽马射线暴，那是一场超新星爆发 [3]。这是一次难得的机会，因为当前技术手段可以分析超新星爆发产生了什么元素。

结果发现，这次几乎没有产生任何重元素。

以前人们一直以为像黄金（79个质子）这样的重元素是超新星爆发过程中产生的。但是你不会经常遇到超新星爆发事件，没有那么好的数据，所以之前主要是推测。然而这次的观测却发现超新星爆发不能产生重元素，那重元素是从哪来的呢？

之前物理学家就知道另一种机制，但是那个机制似乎太难得了。

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我们前面说了，如果一颗恒星的质量不到太阳的8倍，它就会经历红巨星，最终变成白矮星。如果质量超过太阳8倍，它就会变成红超巨星，并且经历超新星爆发。而爆发之后，它又有两种可能的命运。

如果超新星爆发剩下的那个内核的质量超过太阳质量的3.2倍，这个内核将会成为一个黑洞；如果剩下内核的质量不足太阳的3.2倍，它将会成为一个中子星，主要成分就是中子。

所以任何恒星的大结局只有三种：白矮星、中子星或者黑洞。

白矮星、中子星和黑洞是恒星的尸体。它们默默地存在于宇宙之中，长期不变。黑洞咱们这里不管，咱单说中子星。

本来中子星的剧情已经落幕，但如果机缘巧合之下，一颗中子星附近又遇到另一颗中子星，它们就会在引力作用下互相吸引，一边旋转一边合并，引发剧烈的爆炸事件。

2017年8月17日，科学家很幸运地探测到一次中子星合并事件。那正好是刚出炉的引力波探测器LIGO小试身手，当时赶上我们专栏第二季，我们还专门做了讲解 [4]。

我们当时没注意到的是，这次中子星合并产生了大量的重元素，其中就包括相当于20倍月球重量的黄金。就在那次发现的发布会上，LIGO执行主任戴维·赖茨（David Reitze）还特意把他曾祖父传下来的金表带来了，说你看，这些黄金可能就是几十亿年前一次中子星合并生成的。

这很有道理。如果超新星指望不上，那么合理的推测是，周期表上所有锆（40个质子）以上的元素，都是中子星合并产生的。这可不仅仅是金的问题，这意味着如果不是因为中子星合并，我们地球上就不会有像锡、碘、钨、汞、铅等等这些常用的元素！

但是这里有个问题。中子星合并事件应该是非常罕见的。从2017年到现在，我们已经观察到了超过100个引力波事件，这些事件通常都是黑洞和黑洞合并，或者黑洞和中子星合并 —— 而中子星和中子星合并，除了2017年那次，到现在只有一次。而且那一次的烈度不够，没有产生任何重元素。

理论天体物理学家，同时也是科学作家，伊桑·西格尔（Ethan Siegel），认为 [5] 中子星合并不足以解释这么多重元素的来源。他推测了几种可能性，比如也许早期宇宙有更多的大烈度中子星合并事件，也许更大的超新星事件能产生很多重元素，又或者有些红超巨星能在内部产生重元素……但是这些猜测目前都不符合观测证据。

[Ethan Siegel]

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所以地球上如此之多重元素的来源，目前还是个悬念。

重元素不是在宇宙中均匀分布的，但的确是很多地方都有 [6]，地球在这一点上并不特殊。

但中子星合并的确是非常罕见的事件 —— 你想想，怎么就那么巧，一颗中子星能遇到另一颗中子星？你要知道宇宙中比太阳重的恒星本来就少，大约只占10% [6]，其中正好能坍缩成中子星的就更少了。

对科学家来说，这种观测数据的「对不上」是大好事 —— 他们绝对不会说什么“物理学不存在了”然后纷纷自杀 —— 这里面蕴含着新科学发现的可能性！每一个对不上都是大机会。

对老百姓来说，想想家里的黄金不知道是从哪来的，也是一种趣味。

注释

[1] Bill Bryson, A Short History of Nearly Everything (Crown, 2003).

[*] 其中第43号元素锝，因为具有放射性会衰变，自然界几乎没有，主要是人工合成的；除此之外都是地球上天然就有。

[2] 本文部分图片来自 Siegel, Ethan. "This Is Where the 10 Most Common Elements in the Universe Come From." Forbes, May 25, 2020. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/05/25/this-is-where-the-10-most-common-elements-in-the-universe-come-from/.

[3] Siegel, Ethan. "Gamma-ray Burst is the New B.O.A.T. — Brightest of All-Time." Big Think, March 29, 2023. https://bigthink.com/starts-with-a-bang/gamma-ray-burst-brightest-all-time/.

[4] 精英日课第二季，引力波事件到底牛在哪

[5] Siegel, Ethan. "Our Best Idea for the 'Origin of Gold' Doesn't Add Up." Big Think, May 8, 2024. https://bigthink.com/starts-with-a-bang/origin-gold/.

[6] Stevenson, John. "Research Provides Insight into How Heavy Elements Such as Gold and Platinum Reach Our Galaxy." Clemson News, December 8, 2022. https://news.clemson.edu/research-provides-insight-into-heavy-elements-such-as-gold-and-platinum-reach-our-galaxy/.

[7] NASA. "Stars Basics" NASA Science. https://science.nasa.gov/universe/stars/.