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日志

科普:元素从何而来

热度 7已有 19772 次阅读2013-5-29 04:52 |系统分类:基科大辩论--科学派| 科普, 元素

有湾友问道,元素从何而来?

人类以前是不知道什么氧啊,氢啊之类的,只是凭着原始的直觉,以水、火之类作为元素。后来化学发展了,人们开始知道有不同的元素,门捷列夫还列了个元素周期表。后来物理学取得发展,知道原子的概念。至于人类知道原子核里有质子与中子,只有80年历史。但随后,人类对于自然界的理解取得爆炸性的突破,我们进一步知道质子中子是由三个夸克组成。

与人类的大多数所谓学说不同,物理科学不是泛泛的空谈,物理学的表达形式是精确数学方程,而且是与实验结果能精确吻合的数学方程。比如说,神九上天的轨道只是牛顿力学方程的计算,但你不会算,就没法玩,算错一点,飞船可能就出事了。所以,虽然牛顿已经去世300多年了,地球上大部分民族还不会造飞机,能放卫星的就更少了。

具体到夸克的运动方程是基于SU(3)的杨-米尔斯量子规范场论。这个杨就是杨振宁。搞清了小到中子、质子的粒子的方程,我们就可以解释元素的来源了。

爱因斯坦之前的人以为宇宙是不变的,爱因斯坦自己也以为宇宙是不变的。但有人拿爱因斯坦的引力方程一算,发现宇宙应该膨胀。宇宙大爆炸理论是当今宇宙学的一个模型,来自爱因斯坦引力方程的一个解。之所以叫大爆炸,是因为这个理论刚推出来的时候,遭到嘲笑,被嘲笑者起了个大爆炸的名称---big bang theory。但科学理论这东西是不管是否有人嘲笑的,关键是看理论是否与现实相对应。大爆炸理论解释了我们观测到的各种宇宙现象,与观测结果极为吻合,而其他理论无法解释天象观测,结果big bang成了当今公认的标准宇宙模型。

宇宙大爆炸后最开始时温度极高,中子、质子、电子之间都是可以互相转换的,可谓一片高能混沌。随着宇宙的膨胀,温度开始下降,当温度降到一个程度,中子、质子可以稳定存在,中子与质子数量开始达到一个平衡。由于中子质量比质子大一点,因此质子数量约为中子数量的5倍(这可以通过统计物理的所谓玻尔兹曼分布计算)。然后中子与质子结合,形成氦原子,而剩下的质子就是氢原子了。所以,这个宇宙中氢原子与氦原子的比例约为4比1,这个比例与实际观测接近。换言之,宇宙中的物质主要是氢,占75%,其次是氦,占25%。由于宇宙急剧膨胀,温度、密度急剧降低,除了极小量的锂原子外,其它的元素还来不及形成。

那么其他的元素,比如说氧元素是怎么形成的呢?这些是恒星内部聚变的产物。大家知道,在太阳内部,氢聚变成氦,产生能量,但氦原子还可以继续聚变成更重的元素。碳啊、氧啊、硅啊,还有毒死人的铊,等等等就是在太阳这样的恒星内部“烧”出来的。

但是恒星内元素聚变到铁就很难继续了。因为在铁之前,轻的元素聚变能产生能量,这些产生的能量维持继续聚变需要的高温,但聚变到铁的时候,却需要消耗能量,这就导致温度降低,也就导致聚变无法自我维持下去。

那么比铁更重的元素,如黄金是怎么来的呢?

当一颗恒星烧完燃料,变成一个大铁球的时候,如果质量超过一个大小,引力很大,而没有其他力抵抗引力,这个星体就会发生所谓坍塌、星体剧烈缩小、温度急剧增高,最后产生超新星爆发。我曾经写过一个超新星的科普,可以参考。更重的元素就是在超新星爆发过程中产生的。

所以,难怪黄金那么稀有,那都是超新星爆发的遗迹,是STAR DUST啊。








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发表评论 评论 (24 个评论)

回复 raiseluck 2013-5-29 11:49
天主教承认进化论了?
http://zhidao.baidu.com/question/131641379.html
回复 raiseluck 2013-5-29 11:52
再论科学理性与宗教迷狂
http://house.focus.cn/showarticle/4451/565987.html
回复 岳东晓 2013-5-29 11:53
raiseluck: 天主教承认进化论了?
http://zhidao.baidu.com/question/131641379.html
现在教廷发现死背圣经已经无法跟上形势,只会导致教徒流失。
回复 raiseluck 2013-5-29 12:25
很欢迎教廷的这种务实改变,最终教廷可能会将创世纪从圣经中取消,事实上,圣经已修改过很多次……
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