元素太初怎么做文章列表:

• 1、细说大爆炸后的核融合过程，为什么没有生成重元素？
• 2、宇宙中各种不同原子量的物质都是怎么生成的？
• 3、宇宙中的元素如何产生？宇宙是否有地球上没有的元素？
• 4、江苏发现11亿吨页岩油！石油越采越多，石油枯竭论真是谎言？
• 5、宇宙中什么时候才可能会进化出智慧生命？

细说大爆炸后的核融合过程，为什么没有生成重元素？

放眼望去，我们地球上存在着各种各样的物质形式，从元素周期表最氢的元素到最重的元素，充满着丰富的多样性，但我们知道这些元素都来自太阳系前几代的恒星，并非来自宇宙大爆炸本身。宇宙诞生后只为我们提供了92%的氢原子和8%的氦原子，还有少量的锂、铍。那么问题来了，宇宙诞生后，温度那么高，密度那么大，为什么没有融合出重元素呢？今天我们就来说下：大爆炸的核合成是咋回事？

正反物质湮灭时期

在宇宙诞生的早期，只有由光子以及物质基本粒子（包括物质的和反物质的）组成的等离子体辐射，而且这些东西在以近乎光速的疯狂速度“暴走”，可以称为“原生汤”。粒子之间的撞击几乎每时每刻都在发生。在充沛的能量支持下，大量的“粒子一反粒子对”也在随时创生，随时湮灭。随着所有这些纷乱的活动，这个炽热、紧密的宇宙也在以一种难以置信的速度扩张并因此冷却下来。

在仅仅经过了大约1秒钟后，宇宙的温度就下降到了“只有”大约110亿摄氏度的水平。“冷”到这个程度，已经让“粒子—反粒子对”不再继续形成了。由于物质和反物质拥有彼此相反的电荷，所以一旦相碰就会相互湮灭。鉴于当前宇宙中的星系主要是由物质（而非反物质）构成的，我们认为当年大量的反物质已经与数量相等的物质相接触而湮灭掉了，留下的物质只是在当初的辐射粒子（包括光子、中微子等）的“轰炸”中幸存的很小一部分，其幸存比例也许仅为十亿分之一。

质子和中子的比例变化

这样留下来的物质粒子包括质子、中子和电子，但由于此时宇宙的温度仍然较高，它们暂时还无法彼此联结起来。但是，如果一个具有足够能量的质子与电子相碰的话，且碰撞的能量级别也够的话，它们可以转变为中子或者中微子。相反的过程同样可能发生：中子和中微子碰击，也可以变身为质子和电子。

当宇宙的温度还足够高的时候，这两种反应会以基本相等的概率发生，所以我们得到了一个质子和中子大约各占物质之50%的、初始的物质宇宙（当然这个宇宙里还需要相应数量的电子去平衡质子的电荷，以保证整体上的电中性）。这肯定说得通，因为质子和中子的质量相差无几，二者所含的能量也几乎是相等的：一个静止中子的质量只比一个静止质子的质量多出0.138%。

这些事实带来了一些有趣的状况。首先，在上述时间节点之后再过大约1/3秒，温度就微妙地降到了低于上述质量差值的水平（这句话看似费解，但没有错，见后文），此时质子与电子碰击变成中子和中微子的那个反应发生的难度就增加了，其发生频率开始低于其他反应。为何会有这样的现象？

由于宇宙的温度随着其扩展而不断下降，各种粒子的动能也会降低，“质子一电子对”在相碰时最终会因能量不够高而“凑不出”中子比质子多的那点质量。但此时中子和中微子若相碰，暂时还是足以变成质子和电子的（尽管这一反应此后也终会因温度继续下降而更难发生）。上述差异导致初始的物质宇宙中50：50的质子与中子之比，在宇宙年龄达到几秒钟之后就变成了大约85：15，质子的数量近乎中子的6倍。

氘瓶颈

这之后，发生了第二件重要的事情：宇宙的温度下降到了足以停止中子和中微子反应生成质子和电子的水平（其逆向反应此前也已停止），尽管如此，此时的温度仍足以让质子和中子聚合在一起。是的，这时宇宙的温度和密度还是能导致核融合反应的发生的，但是密集的辐射“轰炸”会带来一个叫作“氘瓶颈”的问题（氘也叫“重氢”，是氢的同位素）。

氘的原子核含有一个质子和一个中子，而氘核的形成乃是核聚变反应链条的第一环，这个链条不启动，就产生不了更重的元素。要形成氘核，就要让一个质子和一个中子联结起来，且二者联结之后的总质量将比联结之前减轻大约 0.2%。但是在此时宇宙纷乱的辐射“弹雨”之中，氘核刚刚形成就会被辐射粒子击中，若后者携带的能量大于形成气核所需的结合能，氘核就又会被打回成单独的质子和中子。即便辐射粒子带有的能量的平均值已经远远低于气核所需的结合能，氘核被毁坏的速度仍然高于其形成的速度（不要忘记，宇宙中每对应于一个质子，就有不少于十亿个光子），因此这个阶段的宇宙仍然充斥着自由质子和自由中子。

自由质子虽然暂时不能通过聚合而形成更重的原子核，但它们至少不会被毁灭，所以可以等待下去。可是，自由中子是不稳定的！尽管自由中子已经是各种不稳定的单体粒子中最长寿的了，但其平均寿命也达不到15分钟。

虽然宇宙中的质子与中子之比从50：50变成85：15只用了大约3秒，但要说辐射温度降到不会再把刚形成的氘核打散成质子和中子的水平，却耗费了不少于3分钟的时间。在这段时间里，不少自由中子会衰变：一个自由中子会分解成一个质子、一个电子和一个中微子（在更为特别的情况下，出现的是反电子中微子）。到了氘核可以稳定地由质子和中子生成的时期，宇宙中的物质里接近 88% 是质子，而以中子形式存在的只有12%多一点。

你可能很好奇：为何我会如此注重谈论关于宇宙中的质子和中子形成的这些细节？毕竟在当时那一片超级高温的、急速扩张的辐射之海中，它们好像显得微不足道。但是，请不要忘了，质子和中子是所有种类的原子核的“砖石”，只有理解刚才那些过程，才能明白在第一颗恒星诞生之前，元素是如何（以及以何种数量）得以存在的。这是你继续向下阅读的基础。

大爆炸后核融合开始

当宇宙温度下降到“仅剩”约摄氏800万度的时候，氘核终于可以在形成之后稳定下来了。此后，质子和中子大量结合，以奇快的速度变成新的氘核。在又过了大约4分钟后，自由中子就很快地消亡殆尽了。但宇宙的变化显然没有在此停滞！由于温度依然很高、密度依然很大，有些氘核又与一个新的质子结合了，形成了氦元素的一种同位素——氦-3（其原子核含有两个质子、一个中子）的核。另一些氘核则与一个中子结合，形成基本稳定的氚核，即一个质子、两个中子的原子核。不论是氦-3 核还是氚核，都可以和另一个氘核相互作用，变为氦-4（即两个质子、两个中子）。

如果是氦-3与氘结合成氦-4，就剩下一个质子；如果是氚与氘结合成氦-4，就剩下一个中子。这些暂时孤独的质子和中子，就回到了反应链的始端。但比氦-4更重的元素呢？人们试过把一个质子或一个中子加进去以求形成锂-5 或氦-5。这虽然确实可以得到预期的原子核，但其只能存在不到10^-21秒钟，几乎是一刹那就会衰变为氦-4。结果，由质子和中子组成的、原子量达到5的原子核没有任何一种是稳定的。

人们也试过让两个氦-4 聚合在一起成为一个铍-8，这也能成功，而且新核的维持时间稍长了一些，但也不会超过10^-16秒就会变回氦-4。这种稍纵即逝的过程，使得铍-8 来不及变成更重的、稳定的原子核（哪怕再加一个中子变成铍-9也来不及）。由于这个阶段的核聚合反应消耗了将近 4分钟的时间，其间宇宙已经变得更冷、更弥散了，所以就不再能形成任何比氦更重且有实际意义的原子核了。

到这段时间结束，所有幸存的中子基本都加入氦-4 核里了，所以此间能形成的元素周期表第3号元素锂、第4号元素铍的核都少得可怜（处于“痕量”水平），高于4号的元素则完全不会留存。

总结

寥寥数秒内完成的这个由质子和中子聚合为氦的过程，给宇宙留下了 75%至76%的质子（即氢核）和24%至25%的氦-4核。这个比例是按质量计算的，如果按核的数量算，则有92%的质子和8%的氦-4核。残留下的氘和氦-3 则各有大约0.001%，锂也有残留，但少到了0.0000001%。（至于铍核，绝大部分都是铍-7，这种核的半衰期是53天，会衰变成锂-7。）由于此时温度和能量都已足够低，各种原子核都已经不会再被破坏，同时也不再有新种类的原子核生成，这种局面会持续数百万年。

上述整个过程就是宇宙中最轻的几种元素的诞生过程，也被称为“太初核合成”，当代顶级的观测者们几乎都认可这一推演。而这个过程留下的各种元素的比例，也在接下去的数百万年时光里保持了不变，直到第一颗恒星诞生的时候。

宇宙中各种不同原子量的物质都是怎么生成的？

除了氢元素以外的各种元素都是在恒星的生命过程中形成的。

由于目前的物理学并没有弄清楚引力的产生原因和星球之间的引力相互作用问题，所以根本算不准恒星的质量。实际情况是恒星都是由实体物质构成的，太阳的真实密度至少要比目前认识的大上5倍之多。太阳表面就是液态物质，这是简单观察就能够确定的。太阳耀斑爆发抛射的物质能够以极快的速度返回，就已经毫无疑问地明确了太阳是实体星球，如果太阳是气体星球，抛射的也是气态物质，那么就会象原子弹的蘑菇云一样膨胀才对，而绝不会出现快速下落的情况。

由于太阳一类恒星都是实体星球，她们吸收的是最简单最原始的氘元素（氘元素是原始零性态空间分化质能、形成氕氢和中子后自然组合的最基础物质，请参看我以前的答题）。恒星的内部压力足于制造任何重元素。即便聚合形成铁元素真的要吸收能量，由于太阳内部合成轻元素释放的能量十分巨大，且难于挥发，所以也足于提供合成重元素需要的能量。况且，合成铁元素需要吸收能量只是一种猜测，并无实际证据。

星球的最终结果都是产生超新星爆发，超新星爆发将恒星一生所制造的物质元素抛撒于广袤的宇宙空间，就是为了繁衍子孙星球、繁衍生命万物提供的物质基础。宇宙的发展，就是在元素的制造与积累，星球的繁衍与成长过程中实现的。

如果要追根溯源的话，组成物质的不同原子均是源自宇宙大爆炸。在宇宙刚刚诞生之时，由于密度和温度极高，任何元素都没有形成。到了大爆炸之后三分钟，随着宇宙空间经历了暴涨和膨胀的过程，宇宙的温度大幅下降，此时质子和中子得以稳定的存在。质子和中子在高温高压的环境中结合形成了氘原子核、氦原子核、锂原子核以及铍原子核，这个过程被称为太初核合成，仅持续了不到二十分钟。最终的结果形成了75%的氢原子核（质子）和25%的氦原子核，其他几种原子核的占比极少。大约在38万年后，宇宙的温度变得足够低，使原子核俘获电子形成了中性原子。因此，在宇宙早期，宇宙中几乎只有氢和氦两种元素，比铍更重的元素是不存在的。

直到宇宙诞生一两亿年之后，弥漫在宇宙中的氢和氦的气体云开始坍缩形成恒星。在恒星的核心区域，氢会被核聚变为氦，氦又能聚变为碳。如果恒星的质量超过太阳8倍，这个过程可以一直持续到生成铁，然后猛烈爆发为超新星。在此期间，还会合成更重的元素，比如钙、金、铂等重元素。在46亿年前，正是由于一颗超新星的冲击波引发了太阳星云坍缩为太阳系，并给太阳系中注入了重元素，地球上的重元素均是来自于此。如果没有大质量恒星产生的重元素，地球上也就不可能存在包括人类在内的所有生命。

此外，根据今年观测到的首例双中子星合并事件，宇宙中的重元素可能有一大部分是来自于这个过程。

生产不同原子量原子的过程就是核反应。我们一般所说的化学反应是分子间的反应，不会改变原子量。核反应前后的核子质量都会有变化，因此会释放/吸收大量的能量。

较轻的原子在恒星内部就能形成。比如太阳内部就不停地在生产氦元素。太阳内的反应是氢原子经过复杂的反应，最终生成氦。而在太阳到了晚期变成红巨星并可能发生超新星爆炸后会形成更重的元素。

而碳这类元素是在比太阳更重的恒星内部发生的，一般质量在太阳的1.3倍以上。这种聚变反应称之为CNO循环。即碳氮氧循环，也就是会持续生成最终为氧气的元素。

超新星爆炸中最终能生成的元素是铁。生成这种较重元素的过程叫做快速融合(r-process）。比氧重的元素大部分都是在超新星爆炸的快速融合过程中产生的。

之前认为超新星爆炸还能产生金这种元素，最近计算研究表示应该不大可能。于是比铁更重的元素，目前认为是在白矮星、中子星融合的过程中产生的。所以在宇宙中的数量比较少。

最近发现的由中子星合并形成的引力波就是这一种现象。每当中子星合并的时候就会有大量金这一类重元素行程并被抛射到宇宙空间中。

PS：未经同意不得转载（图片来源网络）

宇宙中的元素如何产生？宇宙是否有地球上没有的元素？

地球上天然存在的元素有94种，包括从1号氢到94号钚。而目前已知的元素已经达到了118种，另外24种元素都是人工合成的。如果排除人造元素，那么，宇宙中的其他星球上确实有可能存在地球上天然没有的化学元素。不过，其他星球上超铀元素的丰度应该会非常，并且包含的元素种类与地球不会相差太大。至于原因，这就要涉及到宇宙中的元素来源和星球的演化。

根据标准宇宙模型，宇宙的起源要追溯到138亿年前的无穷小奇点。宇宙的最初时候并没有今天所知的物质，也没有空间。宇宙从大爆炸中诞生大约10秒之后，经历了暴胀的宇宙逐渐冷下来，宇宙开始了持续时间十几分钟的太初核合成过程。在此期间，质子（氢原子核）和中子逐渐形成，并且质子和中子又结合成氦核。

由于宇宙进一步膨胀冷却，密度和温度大幅度下降，宇宙没有条件继续进行核聚变反应。虽然太初核合成只持续了十几分钟，但这个过程产生了如今宇宙中的一切物质基础。由于光子与重子的比例，宇宙合成出的氢的质量占比近乎75%，氦的质量占比近乎25%，另外还有极少量的铍和锂。

在宇宙诞生大约一亿年之后，在经过充分冷却的宇宙中，氢和氦气体云结合形成了第一代恒星。在恒星中，通过氢会发生核聚变反应形成氦。而当氢耗尽（核心区域）之后，氦又会进一步发生核聚变反应形成宇宙中还未出现的新元素。

由于第一代恒星的质量非常高，它们在合成到26号铁元素之后会走向死亡，结果会发生猛烈的超新星爆发。通过中子俘获过程，在超新星爆发期间，又会合成更重的元素。不过，随着原子序数的增加，合成所需的条件越来越苛刻，所以元素丰度也就会越来越低。

在第一代恒星死亡之后，它们合成的重元素会散播到星云中。此后，从这些星云中诞生的恒星就会包含重元素。太阳最初也是从上一代死亡恒星的部分残骸中诞生，所以地球上才会有一系列的重元素，生命才有可能进化出来。

如果星云被大质量恒星的超新星爆发波及到，那么，从这些星云中形成的天体所具有的元素种类跟地球是差不多的，只是丰度上的一些区别而已。当然，其他星球上确实会包含少数地球上天然没有的元素，只是这些元素的丰度应该会非常低。

另外，其他星球上不大可能会出现原子序数特别高的元素，因为超铀元素非常不稳定，它们很容易衰变成更稳定更轻的原子。正因为如此，人工合成出的94号以上的元素通常只能保存很短的时间。

宇宙中除了由各种元素组成的普通物质之外，还可能存在至今未能理解的暗物质。根据观测结果推测，暗物质远多于普通物质，并且它们的组成不再是我们所知的化学元素。

江苏发现11亿吨页岩油！石油越采越多，石油枯竭论真是谎言？

江苏省今年传来一个好消息，地质勘探者发现了11亿吨的页岩油，你知道什么是页岩油吗？很早之前就流传着“石油枯竭说”，怎么还越挖越多了？地球上的石油真的不可再生吗？

页岩油，是指以页岩为主的页岩层系中所含的石油资源，其中包括泥页岩孔隙和裂缝中的石油，也包括泥页岩层系中的致密碳酸岩，或者碎屑岩邻层和夹层中的石油资源。通俗点来说就是岩石里夹杂着原油。

这种页岩油的开采难度非常大，一般位于地下1000米的岩石层里，开采提炼的成本是普通油井的5倍。如果我国要普及页岩油，那么加油站里一升汽油的价格能够涨到40元。所以说页岩油只能作为一种预备油，只有当全世界石油资源快要枯竭时才能把它拿出来使用。问题是世界石油什么时候接近枯竭呢？30年还是300年？

这个问题其实早在上个世纪40年代，就已经引起了人们的关注。1949年第二次世界大战刚结束不久，美国哈佛大学的一位教授就发布了一项研究成果，他详细地论证了石油的产生过程，同时指出石油煤炭天然气都是不可再生资源，烧完了就没有了。他的团队还在论文中指出，按照当时探明的石油储备只能供全世界使用40年。

这位地质教授的言论在社会上并没有引起人们的注意，那个时候没有互联网，消息传播和普及的比较慢，但是它在地质学领域掀起了一场轩然大波，这位哈佛教授挑起了此后几十年关于石油起源的学术争论。

1853年科学家阿格纳斯·卢卡西维奇发明了石油蒸馏技术，至此世界对这种黑色的液体越来越依赖。第二次工业革命以后，内燃机的发明使石油成为了工业的血液。可笑的是对于这个推动人类文明进程的黑色液体，人们使用了一百年竟然不知道它是怎么来的。

石油到底是怎么形成的？它真的不可再生吗？地球上发现的石油越来越多，石油枯竭是不是一种谎言？

关于石油的形成原因，科学家现在还没有达成统一的论断，目前主要分为两派。一派以哈伯特为代表，他们认为石油是远古生物的尸体沉降到地底，在高温高压的环境下，经过亿万年的时间才形成的，这一派的理论被称为“生物成油说”。

还有一种理论与之针锋相对，认为石油煤炭这些能源并不是由生物尸体降解形成的，这些能源来自地球的内部。地球的内部含有大量的碳氢元素，这些碳氢元素又被称为太初物质，当地壳运动活跃时地球内部的碳氢元素就会被挤压到地表，并在浅层地表化合成为了石油天然气和煤炭。

这种理论看起来有点天方夜谭，但是它能更好地解释深层石油的由来，而这一点“生物成油说”解释不了。这一派观点被统称为“非生物成油假说”，但是煤矿中发现大量植物树叶，非生物成油理论也解释不了。

为什么石油的来源会引来这么多科学家的关注呢？甚至为此还形成了两个针锋相对的理论？

因为石油实在是太重要了，它牵涉到的利益实在是太广了。本质上来讲，人们争论的并不是石油起源，而是石油到底可不可以再生。

根据“生物成油说”，地球上的石油是有限的，总有用完的那一天。按“非生物成油假说”来看，说不定哪天地球母亲大发善心，又从地球内部冒出一大堆原油，那个时候我们又有大量的石油可以用了，这个观点的诱惑力实在是太大了。

为什么人们会相信“非生物成油假说”？

因为近些年来世界各地不断发现新的油田，中东各国的石油似乎永远抽不完。从1973年第一次石油危机以来，我们的主流科学界一直在说地球上石油储量只能用50年，50年过去了这个数字还没有变少，甚至在不断增多。

按照2016年美国能源部统计的数据，世界已探明的石油储量可以供人类使用200年，如果算上难以开采的页岩油，那么石油总量可以供给1000多年。石油似乎是越挖越多，所以人们心里越来越怀疑石油枯竭会不会是一个大阴谋？毕竟现在的美元是和石油挂钩的，如果石油取之不尽那么美元的价值将毫无意义，这不符合某大国的利益。

其实人们忽略了一个事实，这几十年来地质勘探技术在不断发展，石油储量越来越多只是因为我们的勘探技术越来越强，并不是石油总量增加了。就拿江苏省发现的页岩油来说，在上个世纪40年代，世界各国都还没有这种勘探技术，更没有办法从中提炼出原油。

虽然探明的石油矿藏还在不断增加，但是我们人类文明不能老是依赖化石燃料。不论石油是怎么形成的，至少有一点我们可以肯定，使用化石燃料会产生大量的二氧化碳，这会造成温室效应。对人类来说这个灾难性后果已经发生了，我们已经尝到了温室效应带来的苦头。

宇宙中什么时候才可能会进化出智慧生命？

宇宙的诞生时间可以追溯到138亿年前，第一批恒星则是在宇宙大爆炸之后大约1亿年形成的。在恒星诞生之前，宇宙陷于黑暗之中。那时的宇宙还不存在比四号元素铍更重的元素，因为最初时刻的太初核合成只有氢、氦以及痕量的锂和铍被制造出来，其他更重的元素都是来自于后来大质量恒星的核聚变反应以及超新星爆发，还有中子星碰撞等事件。也就是说，137亿年前的年轻宇宙没有条件诞生像我们这样的生命。

第一批恒星诞生之后不久就会耗尽燃料发生超新星爆发，因为它们的质量非常大，寿命非常短暂。只要再过几亿年的时间，宇宙中的重元素丰度就会有一定程度的提升。到了那时，宇宙中就有可能孕育出生命。

假设在130亿年前，宇宙中出现了生命。但这些生命可能要经过漫长的时间才会演化出智慧生命，甚至可能就连智慧生命都不会演化出来。在地球上，智慧生命的出现是极其偶然的。并且从地球上第一次出现生命到智人的诞生，时间至少过去了三十多亿年。

不过，如果外星生命也经过30亿年的时间才演化成为智慧生命，并且他们一直发展到现在，那么，这个文明的历史将会长达上百亿年。人类文明的历史不过几千年，但人类的科技已经取得了一定程度的发展。而经过100亿年发展之后的外星文明，将会发展到极其先进的水平，这会远超于卡尔达肖夫指数中所说的III型文明。

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对于发展一百亿年的超级文明，他们所在的母行星早已就无法适应文明的发展，他们必然会向外扩张。以他们的能力，不要说飞出星系，就连星系团都能飞出，甚至还能在整个宇宙中任意航行。

但问题是，如果宇宙中存在这样长时间发展的文明，他们又都在哪里？为什么他们没有找上我们？或者为什么我们没有发现他们。