科学家怎么知道宇宙是怎么形成的(宇宙是如何制造第一个元素的)

我们或多或少都听说过宇宙大爆炸的故事。一切从令人难以置信的高温和密集状态开始,然后宇宙不断扩展。这种扩展,将宇宙中的一切散布开,同时降低了它的能量和温度,并迫使粒子相互作用,不断衰减和冻结……

科学家怎么知道宇宙是怎么形成的(宇宙是如何制造第一个元素的)(1)

大爆炸后的第4秒钟,宇宙中就不存在自由的夸克,不再有反物质,中微子也不再与任何剩余的粒子发生碰撞或相互作用。这时,宇宙中的物质比反物质多,每个质子或中子都对应有10亿个光子,此时宇宙的温度也只是略低于10^10K。但是,它还不能制造出任何元素。

那宇宙第一个元素是如何被制造出来的呢?这需要从大爆炸后的3秒内发生的事情说起,它对于接下来的元素的产生尤为重要。

不稳定的质子和中子

这时的宇宙中充满了质子和中子,它们与电子或中微子碰撞并相互转化,从一种类型变为另一种类型。这些反应都遵循能量守恒定理,即重子数(质子和中子的总数,设为10)和电荷总量是不变的。那么,这意味着在最初的阶段,质子和中子占比是5:5,并且,电子的数量等于质子数。

科学家怎么知道宇宙是怎么形成的(宇宙是如何制造第一个元素的)(2)

但是,由于中子比质子重,依爱因斯坦质能公式E=mc2可知,产生中子比产生质子需要更多的能量。在这种条件下,中子和电子(或中微子)发生碰撞依然可以转化为质子,但质子和电子(或中微子)发生碰撞无法转化为中子(因为需要更多的能量),所以只能保持还是质子。这样,随着时间流逝,中子持续在转变成质子,中子越来越少,质子却越来越多。到第3秒的最后,宇宙中,质子——和相等数量的电子——大约占70%,中子大约占30%。

质子、中子和电子都是在温度非常高、密度非常大的环境下四处飞行,这很像今天正发生在太阳中心的事情。是的,我们很自然就会想到,质子和中子会融合在一起,然后产生原子核,并释放出能量(遵循爱因斯坦的E=mc2)。并且接下来,这些原子核又与电子结合,然后开始源源不断产生我们元素周期表中的那些稳定的、中性的元素。

乔治·伽莫夫——大爆炸理论的创始人,声称所有这些元素都是在大爆炸时形成的——即在最热、密度最高的地方。可惜,他的看法并不正确。宇宙确实在大爆炸期间,在最高、最热的地方产生了元素,但只不过是极少数而已。

最早的原子核——氘核

我们知道,为了制造元素,需要有足够的能量,将这些质子、中子、电子等融合在一起。并且为了保留它们,用它们来制造更重的东西,首先要确保它们不遭到破坏。但是在宇宙的早期,几乎做不到这一点——它们很快就会遭到破坏。

假设大爆炸后的第3秒钟,宇宙充满了70%的质子(和相等数量的电子),30%的中子,并且每个质子或中子都对应有10至20亿个光子。为了制造重元素,第一步必须是使质子与中子产生碰撞,或是质子与另一个质子产生碰撞。这么做的目的,是制造一个将两个核子(如质子和中子)结合在一起的原子核,这是构建更复杂的元素的第一步。

这部分很简单,宇宙毫无问题地制造了大量的氘核。但问题是,这些氘核被制造出来后,又很快被消灭了。

容易遭破坏的氘核

在宇宙最高热的时候,光子的数量远远超过质子和中子,所以它与氘核发生碰撞的概率极大。大到什么程度呢?几乎可以说是百分之百——反过来说,不是光子与氘核发生碰撞的几率小于十亿分之一。

在高热的情况下,光子拥有足够多的能量,可以立即将氘核分解为质子和中子。于是,出现这种情况——宇宙不断制造氘核,但它很快又被毁灭(如果不是这样,那么宇宙产生元素会变得简单很多)。

只要宇宙温度足够高,那么,这种情况就会一直存在。这就是为什么宇宙学家称“氘核是宇宙制造元素的瓶颈”:宇宙乐意并且有能力制造元素,但是必须经历氘核容易被破坏这个阶段。

因此,只有等到宇宙冷却,等到它的温度降至某个值——该温度下光子能量不足以分解氘核。但这需要3分钟以上的时间,与此同时,宇宙中还会发生其他事情。只要中子是自由未受约束的,它们就会变得不稳定并开始衰变。

其他核子的产生

宇宙扩展和冷却至氘核不立即被分解所需的实际时间,约为3.5分钟。在这段时间内,又有约20%的中子会变成质子。质子和中子在早期是5:5的比例,在3秒后变成了7:3的比例。现在,经过3分多钟的时间,变成了约是9:1。

这时,宇宙已冷却到一个合适温度——氘核不再被破坏。氘核终于被制造了出来,紧接着,我们元素周期表上的其他核子也开始被制造。例如,向氘核中添加另一个质子,将得到氦-3。在氘核中再添加一个中子,就会得到氢-3,也就是氚。如果随后在氦-3或氚中添加氘核,则会分别得出氦-4和一个质子或一个中子。到宇宙诞生3分45秒时,几乎所有的中子都已经被用来形成氦-4了。

科学家怎么知道宇宙是怎么形成的(宇宙是如何制造第一个元素的)(3)

从质量上来看,这时的宇宙是这样的:氢(质子)占76%,氦-4(2个质子和2个中子)占24%,氘(1个质子和1个中子)占0.01%,氚和氦-3(氚是不稳定的,会衰变为氦-3,带有2个质子和1个中子)占0.003%,锂-7和铍-7(由氚或氦-3和氦-4融合一起形成,带4个质子和3个中子)占0.00000006%。

当宇宙已经膨胀并冷却到其密度仅为太阳核心密度的十亿分之一时,核聚变就不再发生了,并且也没有办法将质子与氦-4或将两个氦-4核稳定地融合,所以锂-5(由质子与氦-4组成)和铍-8(由两个氦-4组成)都非常不稳定,会在几分之一秒后消失。

宇宙最早的元素——氢、氦

宇宙确实在大爆炸之后立即形成元素,但几乎形成的所有元素都是氢或氦的原子核(不带电子)。大爆炸后,宇宙中残留着少量的锂,因为铍-7会被分解为锂,但按质量计不到十亿分之一。

当宇宙温度降到足以使这些原子核束缚电子时,我们才拥有了我们的第一个元素——第一代恒星将由其制成。然而,宇宙这时还无法制造出我们认为对生存至关重要的元素,例如碳、氮、氧、硅等,那时宇宙中只有氢和氦,并且达到99.9999999%的水平。从大爆炸开始到形成第一个稳定的原子核只用了不到4分钟的时间,这个过程是在高热,高密度,不断拓展和冷却的环境下进行的。从那时起,我们宇宙中的物质故事开始了。

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