大规模等离子体是如何穷其一生让你带上金戒指的?

本次微信公众号内容是探索宇宙间等离子体的演化如何促进元素进化 ,而最终产生金银铂等重金属元素的。换句话说就是等离子体如何穷其一生让人类带上金戒指的。

太初，宇宙只是一颗奇点，其质量无穷大，温度无限高，体积又无限小，就像一颗炸弹放在那里。不知什么原因，这颗 炸弹 爆炸了，这就是宇宙大爆炸，物理学家讲的故事就这样开始了。

大爆炸后的1秒中，温度降到100亿度(太阳中心温度100倍)，产生了电子、光子、中微子极其反粒子，还有质子和种子，此时，由于带电粒子动能非常高，四种基本相互作用力都不足以将其拉拢聚合在一起，因而，所有带电粒子处于近自由运动状态，这些物质整体可以看作一种等离子体，但与我们现今世界中常见等离子体不同(主要有反粒子存在，且除了氢元素没有别的元素存在)。等离子体的奇妙的一生从现在就开始了。

大爆炸后100秒，温度降到10亿度(最热恒星内部温度)。此时，质子及中子不足以抗拒核力吸引而大部分聚合成氘(氢的同位素)核、氦核，还有少量比例的元素锂及其他元素。余下的种子大部分衰变成质子，也就是氢。大爆炸后几个钟头，氦元素及其他更重的元素就几乎不再产生了，在之后的100万年，宇宙仅仅是膨胀。期间，电子还没能与较重的质子，氦核结合，物质还是以等离子体状态存在。这样一大团等离子体物质随着宇宙继续膨胀变冷，在温度降低到几千度时，电子和核子没有足够的能量抗拒它们之间的电磁相互作用，因而结合成为原子，此时处于电离态的等离子体逐渐结合成中性气体，密度逐渐下降。等离子体会最终消逝吗？故事剧中了？当然没有，这一大团等离子体只是稍稍休息了一下。

宇宙作为整体继续膨胀变冷，此时等离子体自身产生的引力开始发挥它的作用了，它着手去挽救正在走向衰亡的等离子体。等离子体在引力开始吸引下开始使自身膨胀变缓，在一些区域膨胀最终停止并开始坍缩，并且一些区域开始缓慢旋转，当等离子体收缩到足够小时，自传快到足以平衡引力的吸引。星系就以这种形式产生了。随着时光的流逝，星系中的氢和氦气体被分割成更小的星云。

图1. 星系图

图2. 星云(创生之柱)

图3. 星云(船底星云)

当他们收缩时，其中的原子相互碰撞，气体温度升高，分子开始电离，最终，等离子体又死灰复燃了。温度继续上升，热到可以发生热核反应(也就是我们所说的核聚变，温度大概650万度)。

        41H =4He+2e++2 +26.2MeV                                 (1)

这些热核反应将更多的氢燃烧转化成氦，释放出的热增加了压力，因此星云不再收缩。他们会稳定的在这种状态，作为像太阳一样的恒星停留很长一段时间。从外界看，这团等离子体像一块漆黑的火炭而又突然燃烧起来。无论如何，恒星就这样诞生了。

恒星核反应发出的热和引力平衡可以维持很长一段时间。我们的太阳大概可以再燃烧50亿年。恒星质量越大，引力越强，因抗拒引力的产生的核反应越剧烈，因此燃烧越快，存活时间越短。最低质量(远低于太阳质量)的恒星出现后一直燃烧到最后形成褐矮星，主要成分是氦与氢，因此其 修为 最终只能在元素周期表中走一步(从氢走到氦)。

图4. 艺术家眼中的褐矮星

再看看质量与我的太阳质量相当的恒星(比方说就拿太阳来举例)。太阳在50亿年左右，中心的氢燃烧殆尽，由原来的橙白色开始变红发暗，这是太阳开始脱离主星序。中心是是氦核，周围包裹着一层仍在燃烧的氢。此时氦核之间没有发生核反应，因此没有足够的热来平衡引力，因此太阳开始收缩，收缩而释放出大量能量使得氢的外壳膨胀，太阳就离开了主星序，变成亚巨星,这个过程结束后，核心的氦继续收缩，当温度达到4亿度的时候氦就被点燃开始发生下一步核反应,而变成红巨星。这一步反应主要产物是碳，还有氧，燃烧后期，中心形成碳核，外层有一层氦燃烧层，还有一层氢燃烧层(双壳层燃烧)。这个过程不会持续太长，很快，外层物质就抛射掉了，变成行星状星云(当然主要物态还是等离子体态)，中心主要成分变成碳和氧，而变成碳氧白矮星。因此，太阳质量大小的恒星最终 修炼 到元素周期表的氧这个外置。白矮星的密度达到1吨/1cm3，大概一卡车的砖压缩到指甲盖那么大体积中。

图5. 艺术家眼中的红巨星

图6. 艺术家眼中星系残核围绕着白矮星

对于大质量的恒星(大概8个太阳质量)，中心核变成氦以后，氦核接着燃烧变成碳、氧，这个过程结束后，中心核反应不会在此停止，紧接着碳氧之间又发生核反应变成氖、镁、硅等一直演化变成铁。因此恒星演化到这样一个阶段后，中心最后形成非常致密的铁核，外层包裹着核反应然绕的的中间产物而形成的多层燃烧层。这个过程使得元素走到了元素周期表的铁这一位置，但是还没有形成我们最终想看到的金元素。铁核存在时间不会太久，强大的引力会把电子吸引到铁核附近，当温度达到50亿度时，铁核开始中子化，此时质子与电子被迫结合变成中子，这实际上形成了中子星。中子星本身不再发光，也就是不发生核反应，因此没有足够的能量提供给周围的介质。此时没有任何能量再去抗拒引力，因此大量物质迅速下落撞击到中子星表面，产生强大的冲击波，瞬间形成剧烈的爆炸，这就是超新星爆发。中心核不会被炸掉，而形成裸露的中子星核，密度惊人，达到10亿吨/ 1cm3！铁后面第一个元素是钴。超新星爆发的短时间过程中发生了大量的核反应。钴极其以后的元素(包括金银铂)都是超新星爆发产生的，也就是说，情人手上戴着的金银戒指实际上最初来源于超新星爆发。

图7. 发射电磁波中子星(脉冲星) 

图8. 行星状星云中心包含一个中子星

图9. 超新星爆发

太阳每天给我们带来光明与温暖，我们每天吃的食物，其热量本质上也是太阳提供的，对我们来说，太阳太重要了。但是本领如此之大的太阳也不能提供给我们金元素，也就是不会让情侣们带上金戒指。太阳发展的晚期只给人间带来铁，碳。如果没有超新星爆发，或许，情侣会以带上铁戒指而感到自豪。另外，我们还想要揭露一个骗局。现在市场中卖的钻戒比金戒指还要贵，这确实是一种商人故设的一个骗局。因为钻石的本质是碳，其在对数目居多的小质量恒星变成白矮星的过程就产生了，而铁元素极其以后的匀速，需要数目少之又

少的大质量恒星变成中子星的过程产生而在超星星爆发后才会释放出来。因此，宇宙中铁元素所占比重比碳少得多，更不用说金银铂这种重元素。从这一角度看，钻石应该比铁块还要便宜，更不用说金银铂了。

看完这一篇微信号内容的情侣们还会感觉带钻戒很自豪吗？是不是考虑一下换成铁戒指呢？

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