*本文经微信公众号“星球研究所”授权转载

我们的世界
极其复杂

夜空中
万亿颗恒星
熊熊燃烧
(沃尔夫·拉叶星,图片来源@ESA/Hubble & NASA)

蓝天下
千万种不同的生灵
生机勃勃
泰国湾,鲸鱼和海鸟,图片来源@VCG)

大地上
70亿人类
生生死死、来来往往
(城市街道,摄影师@魏宏)

然而
我们的世界
也极其简单

因为无论形态如何多样
组成物质世界的材料
不外乎118种元素
它们创造于宇宙的洪荒时代
也见证了宇宙的繁荣扩张
它们是
宇宙诸子

宇宙的创造

大约138亿年前
我们已知的宇宙
在一场大爆炸中诞生
在1亿亿亿亿分之一秒内
就增大了100亿亿亿亿亿亿倍

极速的膨胀
导致跳崖式降温
纯粹的能量开始凝结
组成物质的微观颗粒
在能量的海洋中浮现出来

带有一个正电荷的质子
带有一个负电荷的电子
和不带电荷的中子
成了组成原子的单元
(原子结构示意图,以碳原子为例,制图@赵榜/星球研究所)

所有质子数量相同的原子
被统称为一种元素
紧跟着质子的出现
仅拥有1个质子的
第1号元素

也诞生了

由于结构简单
它在宇宙中无处不在
直到今天
仍占整个宇宙元素数量的
92%

紧接着
在大爆炸产生的高温高压下
质子与中子相互结合
形成更重的原子核
重原子核进一步聚合
形成新的元素

这种因原子核聚合
而发生的变化
被称为
核聚变

(氢原子核聚变为氦原子核的过程,制图@赵榜/星球研究所)

当质子因核聚变
而结合在一起
第2号元素

便形成了
这个过程释放出能量

此外
最初的核聚变
还创造了极少量
拥有3个质子的


在创造了最初的几种元素后
由于温度和压力的降低
聚变难以为继
因此早期的宇宙中
氢和氦占比高达
99.9%

它们组成弥漫的原子云雾
宇宙黯淡、冰冷又无聊

但很快
有趣的情况发生了
大爆炸产生了微小的不对称
使得宇宙中某些地方的原子云雾
比其它地方更浓稠一些
在引力的作用下
物质开始向这些地方聚集
组成巨大的云团
(鹰状星云的冷氢气云,图片来源@NASA)

云团内的物质越聚越多
核心温度升高至
1500万℃

氢元素的聚变
再次开启
光与热得到释放
一颗恒星诞生了
(从星云到一颗恒星的形成过程示意,制图@赵榜/星球研究所)

紧接着是另一颗、又一颗...
数以亿计的恒星
相继在黑暗的云团中绽放
(在恒星形成区,来自恒星们的星风正在吹出一个巨型气体空腔,图片来源@Glenn Research Center)

直到宇宙被璀璨星光点亮
仿佛一片光芒之海
(NGC 4833球状星团,图片来源@NASA)

它们聚集在一起
成为了
星系
(仙女座星系,图片来源@Adam Evans)

星系聚集在一起
组成庞大的星系群
以及更加庞大的星系团
(Abell370的星系团,其中包含数百个因引力相互吸引而结合在一起的星系,图片来源@NASA)

由氢元素创造的恒星世界
点亮了整个宇宙
而在恒星的内部
新元素的创造
正在酝酿之中

恒星的创造

在恒星的核心
引力造成物质的收缩
使氢源源不断地聚变为氦
稳定地生产着光和热
这是恒星的青年时代
我们的太阳
如今正是处在这一时期

但恒星核心的氢原料
终将消耗殆尽
彼时
氦的聚变将开始
三个氦原子聚合在一起
成为了一种崭新的元素


聚变导致恒星的外层急剧扩张
使其膨胀为一颗
红巨星

(搏动的红色巨星Chi Cygni,图片来源@Wikimedia Commons)

成为红巨星后
恒星的生命也将迎来转折
当核心中的氦也逐渐消耗殆尽
温度提升至
6亿℃

碳聚变开始
形成了


此时
质量小于8个太阳的
小质量恒星
生命就此完结
其外层烟消云散
只剩一个由碳和氧组成的内核
这个内核温度极高
发出白热的光芒
这就是
白矮星
(白矮星LSPM J0207 + 3331,已知最古老、最冷的白矮星,图片来源@NASA)

质量在8-10个太阳之间的
中等质量恒星
可以生成比氧更重的元素

但依旧无法抵抗
成为白矮星的命运

只有质量超过10个太阳的
大质量恒星
才能突破宿命
(Wolf-Rayet star R136a1,已知质量最大的恒星,图中左下方的红色小点,是为了对比而加上去的太阳,面对这颗特超大质量恒星,太阳只是一粒微尘,图片来源@Wikimedia Commons)

在它的核心
温度已达到惊人的
20亿℃

高温高压之下
聚变的链条一发不可收拾

镁、硅、磷、硫
氯、氩、钾、钙
等元素相继出现
又轮番成为下一轮聚变的燃料

大质量恒星在生命的末期
成为一颗超级红巨星
它用一生创造的所有元素
层层将自己包裹
仿佛在做最后的告别
(红巨星阶段后期的恒星,内部发生分层,制图@赵榜/星球研究所)

此时恒星核心的温度
已高达
30-50亿℃

硅元素聚变
生成了恒星聚变所能创造的
最重的两种元素
26号元素

和28号元素



将“杀死”它的创造者

因为铁原子核
具有极高的稳定性
恒星内部的高温高压
也无法推动其聚变

当聚变停滞
万有引力就重新掌握了主动权
中心物质不断地被压紧、再压紧
直到电子被硬生生压进了原子核
恒星的核心瞬间坍塌
外层的物质高速坠落
引发内爆
这就是
超新星爆发
(v838mon红巨星爆发为超新星过程示意,图片来源@NASA)

爆发产生的巨大力量
将原有的原子核打碎并重组
形成比铁更重的90多种元素

铜、锌、金
铂、铀、钍
......

超新星爆发
将这些重元素抛向宇宙
形成一片绚丽的星云
大质量恒星的一生就此结束
宇宙的一角重归寂寞
(蟹状星云,图片来源@NASA)

然而
一切并非如看上去那般冷清
爆炸产生的引力涟漪
在星云之中荡开
物质又在聚集、骚动

很快
新的恒星
将从前代的遗迹中诞生
“星云-恒星-超新星-星云”
这样的轮回
将再次上演
(NGC 2070中的大恒星形成区,图片来源@NASA)

不同的是
这次有了丰富的重元素作为原料
一些特殊的天体即将形成

行星的创造

经过数次轮回
在银河系的一个角落
太阳
诞生了
(太阳,图片来源@NASA)

它独占了星云中99.8%的质量
剩余的气体、尘埃和颗粒
围绕它形成了一个圆盘
在引力的作用下
相互碰撞并粘附在一起
逐渐从1毫米长到1000千米
这就是
星子
(恒星维加周围的小行星带,仅做示意,图片来源@NASA)

星子碰撞聚集
一种新的天体
行星
形成了
(太阳系行星形成过程示意,制图@赵榜/星球研究所)

其中距太阳较远的
吸收了剩余的氢和氦
形成气态巨行星:
木星、土星、天王星、海王星
(土星与地球的大小对比,图片来源@NASA)

而距离太阳较近的地方
太阳风将气体吹散
留下仅占初始星云质量
0.6%
的重元素
组成个头较小的固体岩石行星:
水星、金星、地球、火星
(地球,图片来源@NASA)

但正是由于这0.6%的重元素
作为岩石行星之一的
地球
才如此与众不同

地球形成之初
是一个炽热的岩浆球
物质翻滚流动
铁、镍等较重的元素
下沉到地球中心形成地核
地核创造了笼罩整个星球的磁场
像一个无形的保护层一样
使地球免受太阳风的伤害
(极光是太阳风受地球磁场影响,与地球大气层作用而形成,图片来源@NASA)

而氧、硅、镁、铝
等较轻的元素
则上浮到外层
构成了地幔和地壳
(地球圈层结构,制图@赵榜/星球研究所)

随着地球的降温
地壳的外层冷却凝固
形成了坚硬的岩石
(夏威夷火山国家公园,图片来源@VCG)

地幔灼热的岩石
则继续缓缓流动
拖着地壳分分合合
形成连绵的山脉
和深邃的峡谷
(从奋进号航天飞机上看到的安第斯山脉,图片来源@NASA)

岩浆溶解的气体也释放出来
氮气、二氧化碳和水等
组成了
大气层
(美国东北部海岸线上的飓风,图片来源@NASA)

温度降低
大气中的水迅速凝结
以暴雨的形式落回到地面
这场暴雨持续了数百万年之久
直到液态水覆盖了70%以上的地表
形成了
海洋
(加勒比海与大西洋,图片来源@NASA)

海洋的深处
在地底热量的烘烤下
碳、氢、氧、氮、磷
等元素相互作用
形成多种有机大分子
这些分子开始利用能量
开始复制自身
开始将自己与外界环境隔开
它们组成了一个
细胞
(纤毛虫吞食硅藻,图片来源@Deuterostome)

更多的细胞聚在一起
共谋生路
它们分工合作
有的负责捕猎
有的负责消化
出现了原始的组织和器官
(水母属于腔肠动物,是较早出现的多细胞动物的后代,图片来源@VCG)

在外界环境的影响下
多细胞群体的样貌
开始变得千差万别
它们有的占领海洋
(南加利福尼亚海洋中的鱼群,图片来源@VCG)

有的登上陆地
(非洲纳米比亚艾托沙国家公园中的动物,图片来源@VCG)

有的飞上天空
(美国南部巴斯克阿帕契国家野生动物保护区内的鸟,图片来源@VCG)

有的虽静默无言
却学会了利用太阳的能量
将大气中的二氧化碳
转化为身体的一部分
同时释放出大量氧气
改变地球的大气层
(毛里求斯的森林,图片来源@VCG)

经过40亿年的演化
一个复杂的生物圈形成
一个特殊的物种
即将登场

人的创造

这个物种就是
人类

与无数生命一样
他们由碳、氢、氧、氮、磷等元素组成
但人类的特殊之处在于
他们学会了利用元素
并在此基础上
一次又一次
改变着世界的面貌

当人类的祖先
还处在茹毛饮血的阶段时
就已经发现
硅与其它元素结合形成的岩石
质地脆而坚硬

他们将其打造成捕猎的工具
人类由此进入
石器时代

(美洲石器时代的克洛维斯矛尖,图片来源@Wikimedia Commons)

当岩石风化
其中的一些成为了黏土
与水混合后可塑性极强
经过火烧后又变得坚硬且隔水
这就是
陶器
(山东,大汶口文化晚期的陶器,图片来源@Wikimedia Commons)

人类对火的掌握
也逐渐演变出新的用途
熔炼金属

铜的性质稳定,熔点较低
因此成了最早被冶炼的金属
后人在铜里加入锡
使其成为强度更高的青铜
青铜被用于祭祀、战争
这就是人类的
青铜时代

(三星堆青铜器,图片来源@VCG)

很快
青铜又被另一种
强度和韧性更高的金属取代
这就是铁
从武器、礼器和交通工具
到农具和日常用品无不有铁的身影
人类进入了
铁器时代

日本18世纪的护甲,由铁、皮革、镀金铜、丝绸等材料制成,图片来源@Wikimedia Commons)

随着冶铁技术的提升
人们发现控制生铁中的碳
会让成品更加坚韧
这就是

大连特殊钢公司第一炼钢厂工人们正在热火朝天忙生产,图片来源@VCG)

来自远古植物的碳
经过数十至数百万年的埋藏
转变为

沉睡在地下
在18-19世纪
开始被欧亚大陆西端的人类
大规模挖掘
它作为一种重要的燃料
点亮了工业革命的曙光
(红山煤矿及运煤车,摄影师@张波)

煤燃烧的熊熊烈火
将水烧成蒸汽
推动着钢铁制造的机器巨兽
彻底改变了人们的生产方式
人类进入了
工业时代

(辽宁沈阳调兵山矿区铁路上的蒸汽机车,摄影师@房星州)

但地层中的碳元素
还有另一种存在形式
石油
如今它流淌在几乎每一台发动机中
成为工业的黑色血液
(哈萨克斯坦北布扎奇油田,采出的原油被装入油罐列车运往海港,图片来源@VCG)

石油的作用还不止于此
它含有丰富而多样的有机分子长链
这些分子被分解、再合成
成为了
塑料
这种可塑性和多样性极高的材料
被人类使用到极致
上海,德国艺术家兼摄影师迈克尔·沃尔夫的名为《真实的玩具故事》的装置艺术里,玩具工厂工人的头像几乎淹没于2万个儿童玩具的海洋,图片来源@VCG)

除此之外
富集在大气中的氮元素
被大批量地用于制作
化肥
彻底改变了
人类延续千年的农业传统
江西省吉安市泰和县水槎乡畲族村,畲族村民正在田间施肥劳作,图片来源@VCG)

地壳中含量第二位的元素

凭借独特的导电性能
成为了芯片的基础
以此为基础发展起来的计算机
将人类带入了
信息时代

(这个被沙特阿拉伯向授予了国籍的机器人,能通过脸部和颈部的62个肌肉结构来表达自我,它使用的AI技术会分析正在进行的对话,推断信息,图片来源@VCG)

宇宙大爆炸产生的微量元素

被制成了轻便可靠的
锂电池
创造了一个
移动电子设备的世界
(浙江省长兴县,一家公司自主研发生产的一辆辆纯电动汽车,图片来源@VCG)

环顾四周
我们已被自己的创造包围
100多种元素
构筑起一个物质的世界

另一方面
我们也掌握了毁灭的力量
在超新星爆发中诞生的重元素
铀和钚
拥有极其不稳定的大原子核
它们会自发地分裂成较小的原子
同时释放出能量
这一过程被称为
核裂变
而当裂变的过程如雪崩一般
连续不断地发生时
其释放的巨大能量
就成了毁灭世界的武器
原子弹

(原子弹爆炸过程,图片来源@Wikimedia Commons)

而如果
将氢原子聚合在一起
模拟恒星的聚变过程
释放出的能量将更为惊人
这就是
氢弹
(氢弹爆炸过程,图片来源@United States Department of Energy)

所幸
对核能的利用
逐渐走上正轨
成为日常电力的来源之一
(中国西部首座核电站——广西防城港核电2号机组首炉核燃料装载完成,图片来源@VCG)

除了利用已有的元素
人类还通过更极端的手段
将原子核打碎重组
探究物质结构的终极秘密
产生地球上不存在的新元素
(美国费米加速器国家实验室的粒子加速器,图片来源@Department of Energy from United States)

这些元素构筑了这个庞杂的世界
而这一切的一切都源于
138亿年前的那场宇宙大爆炸
我们都来自星尘

当宇宙视角被开启
从更高的维度去观察这个世界
我们才清晰地认识到
人类在宇宙中所处的位置
才能以全新的视角去看待自我
认识宇宙
也就是认识人类自己

当我们对世界的探索愈发深入
我们就越深刻地发现
这是一个充满不确定的世界
旧的元素碰撞出新的可能
生命形态在演变中无序迭代
即使现存的认知是否也有别的可能?

人类觉醒于未知
也终将走向自己的未来
(一件退役的俄罗斯太空服,被人类“故意”从国际空间站抛出,成为一颗独特的人造卫星,被称为“Suitsat 1号”,图片来源@NASA)

在这不断探索的过程中
我们也划出自我的轨迹
正如星星在宇宙中划出的星轨

其实
星辰一直与我们同在
组成我们躯体的氢
来自宇宙大爆炸
随血液流淌的铁
曾是某颗恒星的核心
携带着遗传信息的氮和磷
也曾在原始的大气与海洋中游荡
(人体元素组成,比例按照各元素原子数量计算,制图@赵榜/星球研究所)

我们的肉体终将消逝
还有所有的生命形式
所有的山川与湖海
地球、太阳、整个星系
都将化为尘埃

但这一切
也将以另一种形式继续存在
直到宇宙的尽头
它们就是元素
是宇宙诸子


本文创作团队
撰稿:张照
编辑:李张子薇
图片:任炳旭
设计:赵榜
审校:云舞空城,马超,朝澈
文首图片:星系NGC 3783中心的超大质量黑洞,来源@ESO

P.S. 本文主要参考文献:
[1]柴之芳. 从宇宙大爆炸谈起[M]. 湖南教育出版社, 2012.
[2]尼尔·泰森. 140亿年宇宙演化全史[M]. 北京联合出版公司, 2019.
[3]唐晓东等. 宇宙中元素的起源[J]. 物理, 2019.
[4]陈丰等. 太阳系行星系统的形成和演化[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2010.
[5]汪品先等. 地球系统与演变[M]. 科学出版社, 2018.

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