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如果重元素是氢元素合成的,那最初的氢元素是怎么来的?

在说今天的内容之前,我们先考虑这样一个问题,如果给一坨水不断的加热会怎么样?先被汽化,然后呢?水分子的化学键会被打破,变成氧原子和氢原子,那继续加热呢?

氧原子和氢原子中的电子会因为获得了足够的动能脱离原子核的束缚,变成自由电子,这时就会剩下一个带正电的原子核。

氢的原子核就是一个质子,而氧的原子核是一个由8个质子和8个中子构成的束缚结构,那么有没有可能把它们也拆解开呢?

有!继续加热,或者说继续提供能量,当提供的能量大于原子核的结合能时,原子核就会被分解为单个质子和中子,当然电离原子核的能量一般是电离原子、分子能量的数百万倍。这是因为束缚原子核的强力要比电磁力大得多。

那么此时一坨水就会因为能量的不断增加,变成自由质子、自由中子和电子组成的等离子体。

由于万物都是由这三种粒子构成的,所以不管啥东西,只要给他足够的能量,都能将它电离成这三种自由粒子。那么人也一样,你也可以把一个人电离成质子、中子和电子。

好,那么有了以上的知识,我们就把目光放回整个宇宙。上节课我们说了,按照宇宙膨胀的反推,宇宙在过去的时候,物质和辐射的密度会更高,除此之外辐射的波长还会更短,总的来说,辐射能量密度的增加,要比物质能量密度的增加要快。

比如说,当宇宙的体积只有今天的10%的时候,物质的密度会比今天高1000倍,辐射的密度也比今天要高1000倍,但由于辐射的波长又比今天短了10倍,所以总的来说辐射的能量密度会比今天高10000倍。

可以看出来,越是早期的宇宙,它的体积越小、密度越高、温度越高,辐射能量在其中占主导地位。

所以伽莫夫就想,在早期的宇宙一定有一个时刻,是不能形成中性原子的,因为光子的能量会电离任何中性原子,此时的宇宙就是一个由原子核、电子、辐射粒子构成的等离子体。

同样的,只要温度足够高,达到几十亿摄氏度,那么原子核也不能稳定的存在,它也会被电离为质子和中子。

如果宇宙的温度继续升高,达到几百亿摄氏度,那么此时的宇宙不仅仅有质子、中子和电子了,两个光子相撞以后就会诞生“粒子和反粒子对”。所以这时的宇宙中就会出现反质子、反中子和正电子。

由于正反粒子电荷不同,所以两个正反粒子对会相互湮灭掉变成两个光子,两个光子相撞以后又会出现两个正反粒子对,如果宇宙一直处在这种高能量水平的话,那么宇宙就会一直保持正反粒子对不断的创生,然后不断的湮灭。一直重复这种无聊的过程,当然我们看到的世界也就不会诞生了。

但是我们的宇宙一直在膨胀,一直在冷却,而且早期膨胀的还非常快,所以宇宙冷却得也快,大约1秒以后,宇宙的温度就会下降到100亿摄氏度左右,在这个温度下,两个光子相撞以后就不能诞生正反粒子对了。

但之前产生的正反粒子对依旧可以湮灭成两个光子,按理来说,我们认为正反粒子对的数量应该是对称的,那么正反粒子湮灭以后宇宙中应该不会存在任何物质了,只会留下大量的光子,和少量幸存的质子、反质子、中子、反中子、电子和正电子,当然还有一些正反中微子。

这些粒子能够幸存下来,是因为它们还来不及湮灭,就被膨胀的空间拉到了很远的距离,互相见不着对方了,所以才没有湮灭,但可以肯定的是,幸存的这些粒子,不足以构成任何物质结构,也就是说,按我们现在的理解,宇宙中不应该存在任何恒星、星系、星系团之类的结构,应该是啥也没有。

但真实的情况很明显,宇宙中不仅有你还有我,而且我们都是正粒子构成的,这说明反粒子当年被湮灭完了,还剩下了大约1/10亿的正粒子,构成了我们今天的物质结构。

这意味着当年正反粒子数量并不对称,这是我们今天所不能理解的,关于这个问题我们后面在说道反物质的时候会详细地说,这里就暂时略过,我们接着说,剩下的正物质后来都发生了啥事。

虽然剩下的物质不多,但对我们来说非常重要,这些质子、中子和电子都是构成你和我的关键原材料。

在正反物质湮灭以后,留下的质子和中子暂时还不能结合在一起,因为温度还有点高,但这时质子和中子之间还发生着其他的反应。

比如说,一个质子和电子撞在了一起就会变成中子和中微子,当然一个中子和中微子撞在了一起,反过来就会变成质子和电子。

也就是质子和中子这时可以相互转化,所以我们认为在很短的时间内,也就大约1/3秒吧,质子和中子的数量是相等的,当然这个时候的宇宙也有和质子数量相等的电子,因为它们必须保证整个宇宙是电中性的。

当然质子和中子的相互转化并不能持续很长时间,因为宇宙在不断的冷却,最先停止的反应是,质子到中子的转变,因为中子的质量比质子的质量多了0.138%。

所以质子想要变成中子它需要更多的能量,而中子变成质子就要容易得多了,所以在宇宙诞生后的3秒钟,质子和中子的数量就不对称了,从刚才的各占一半,变成了现在的85:15,质子比中子多了6倍。

那么此时宇宙诞生已经过去了3秒钟,你可能会问:这时的质子能不能和中子结合在一起,形成最轻的原子核,氘核呢?

能,但是它们结合的速度远不如光子把它们炸开的速度,所以说温度还是太高,而且还有一个原因特别重要,此时宇宙中光子的数量大约是质子数量的10亿倍。

这意味着即使光子的平均能量已经低于氘核的结合能了,氘核也不能稳定的存在,所以还需要耐心的等待,等待宇宙继续膨胀,继续降温。

但问题是,质子可以等,但中子等不了啊,因为自由中子不稳定,它的半衰期大约为15分钟,在等待的过程中,有些中子就不耐烦了,它就会经过β衰变,释放出一个电子和反电子中微子,变成一个质子。

那么等宇宙诞生以后的3分钟,此时的温度就降到了大约800万摄氏度,氘核终于可以稳定的存了,但此时宇宙中的质子和中子比变成了88:12。

在这之后大爆炸核合成终于开始了,一个质子和中子会迅速的结合在一起形成氘核,这样的反应非常快,氘核可以和一个质子结合,形成氦-3,和一个中子结合就形成氚核。经过以上的反应数量本来就不多的中子很快就被用完了。

但这时的反应并不会停止,因为氦-3和氚核会继续和一个氘核结合在一起,变为稳定的氦-4,并且释放出一个质子和中子。

这样稳定的氦-4就在宇宙诞生之后不到4分钟的时间里就大量的形成了,这就解释了为什么当时人们观察到宇宙中存在大量的氦-4,仅仅通过恒星反应是不可能存在这么多氦-4的。

那为什么宇宙中的比氦-4更重的元素却少得可怜呢?因为大爆炸期间的核合成在进行到氦-4以后,基本就停止了。

你看,当你给一个氦4里面加一个质子的时候,就会变成锂5,加一个中子就会变成氦5,但是这两种元素都不稳定,在10∧-21秒,一个极短的时间内就会衰变回氦4。这条路走不通。

当你让两个氦4结合在一起,形成铍8的时候,你还来不及再给一个铍8加入一个质子,或者是中子,或者是在再加一个氦核,它就会在10^-16秒,衰变回氦4。

所以大爆炸核反应就这样停止了,主要的原因是,宇宙降温太快,4分钟以后,不管是温度、还是密度,都不足以支撑核反应继续往下进行了。

最终,我们的宇宙就会留下75%的氢核,25%的氦核,这是按照质量计算的比例,如果按数量说的话,就是92%的氢核,8%的氦核。这就是为什么宇宙中充满了氢气和氦气,其他元素的含量还不到1%。

即使是恒星烧了这么多年,依然改变不了宇宙主要的组成成分,因为从一开始我们的宇宙就是从氢和氦开始的。

以上的推演过程就是伽莫夫对于大爆炸核合成的预言, 这个预言已经得到了观测的证实,测量的过程大致是这样的,我们在宇宙中看得越远,就意味着我们看到的宇宙越古老。

当然我们就能在早期的宇宙中找到那些还没有来得及形成恒星,或者是还没有被恒星污染的原始气体云,如果现在有一个类星体发出的光,正好经过了这个原始气体云,我们现在分析类星体光谱中的吸收线,就能够知道原始气体云中的成分了。

观测表明,我们的宇宙确实是从氢和氦开始的,而且所占比例和大爆炸预言吻合得非常好。好了,今天的内容就到这里,这节课我们说中性原子的形成,以及微波背景辐射的预测。