总结一下到目前为止所讨论的内容,大爆炸只产生了氢和氦,没有其他重元素。只有一点点重元素,但你几乎可以忽略它们,非常近似地只有氢和氦,这导致了一些引力星的形成,在恒星内部形成了更大的元素,比如碳,氧,硅,一直到铁,只要这些元素被困在恒星内部,我们仍然无法使用它们来构成身体,所以它不能解释我们来自何处。
但幸运的是,正如前几分钟看到的那样,这些恒星可以在其生命的尽头爆炸,这会将很多东西释放回外太空,然后恒星核心内合成的东西(比如最终构成身体的碳、氮、氧、铁)被释放出来。所以人们相信,我们的太阳很可能是第三代恒星。恒星形成的初始阶段仅基于氢氦,其中一些恒星爆炸了,释放的物质堆积再次形成恒星,它们也在到达生命尽头时爆炸,然后太阳使用这种物质形成恒星的初始核心,这导致了我们的存在。所以像这样的恒星爆炸非常重要,因为那是我们存在的起源,也是(上个视频提到的)诺贝尔奖的起因。我们确实是星尘,我们来自恒星,这就是我们的组成部分。
我们相信类似的事情很快就会发生,实际上就发生在附近。你知道这张照片中的参宿四是哪颗星吗?您可能认识猎户星座,猎户座。参宿四就在猎户星座的左上角。它的重量是太阳质量的 20 倍,而且就在附近,距离我们只有640光年。听了我的讲座后,你会立刻注意到,这在宇宙尺度上距离非常接近。因为这颗恒星这么近,你甚至可以通过望远镜观察测量它有多大。数据显示参宿四的表观大小在短短15年内缩小了15%,这颗恒星确实发生了一些事情。当恒星如此接近时,你甚至可以观察到恒星的表面。由图可见,表面现在在跳动。可以看到表面部分在膨胀,部分在下沉,此时表面是非常动态的,这表明这颗恒星很快就会发生一些事情,“很快”可能意味着10000年后,但明天也可能发生爆炸,我们不知道,我们没法预测,但显然这有时会很快发生在大超新星中。
这颗特殊的恒星(实际上是太阳)有很多这样的线条,表明它有很多重元素。这些恒星被称为第一星族,有很多比氦重的金属元素,显然是被过去的超新星爆炸所污染。如果仔细观察,有时会发现看起来更干净的恒星,这些重元素的污染较少,被称为第二星族恒星。
如果回到宇宙之初,一定有所谓的第三星族恒星,它们仅由氢和氦组成,不受上一代恒星的污染。我们还没有找到这种恒星,但人们仍在寻找。
现在我们要问,我们怎么知道大爆炸产生了氢,氦,而不是更多元素?
正如我们所说,我们需要一个不同的工具。我们可以通过射电望远镜回溯到宇宙只有38万年的时候,因为我们可以探测到宇宙微波背景,也就是我们所说的大爆炸本身发出的起始光。但是有一堵墙,你不能用望远镜看到墙后,我们看不透墙,需要其它技术来了解宇宙早期发生的事情。所以我们使用另一个工具叫粒子加速器。这个想法很简单,宇宙是如此的稠密和炽热,我们想了解当时发生了什么,所以我们可以在实验室里尝试用粒子加速器。我们试图创造一个环境,可以人为地创造宇宙之初早期发生的类似反应。这样一来,我们就可以回到宇宙只有三分钟大的那一刻。我们所做的就是将中子和质子放在一起,将它们相互粉碎,看看它们是否能形成更重的东西,比如氦。我们可以尝试在实验室里复现大爆炸之后发生的这种反应,这就是我们试图穿透这堵30岁宇宙墙的方式。
通过在实验室中研究这些反应,你可以测量发生这种反应的概率。一旦测量了就可以预测在宇宙开始时肯定合成了多少氦,这个过程被称为大爆炸核合成。它预测宇宙中氢与氦的比例必须大约为 3:1。事实上,你可以通过观察遥远天体的光谱来测量氢、氦的比例,这个 3:1 的比例与观察非常吻合。这就是我们比较的方式:基于粒子加速器结果的预测和实际用望远镜看到的过去,如果二者吻合,那将给我们足够的信心去理解大爆炸本身发生了什么。
如果你用这个计算机模拟得更进一步,那么这个初始形式的恒星将开始通过引力从外部积累更多的东西。但是一旦它们开始如此密集地积累,它实际上会弹射出去,有点像被反应吹散了,你可以在这个计算机模拟中看到。
一段时间灰尘会落在这颗原恒星的表面上(它还不是一颗恒星),随着它在表面不断积累,可以看到物质在极地方向的喷射。它在这个阶段停止生长,因为之后稳定下来的东西都会被吹掉,所以恒星不再生长。从中我们学到,第一批恒星只能长到四十个太阳质量。但这个阶段足以合成元素一直到铁,这是我认为初始元素在恒星内部合成的方式。回到我们一开始的讨论,最初宇宙只有氢和氦。于是我们要问,我们可能来自何处,因为我们需要碳、氧等等,答案是它们是在恒星内生成的,所以我们是星尘。
但你可能一直在仔细听我的问题,然后问:我们只能一直到铁,不能超过铁,因为铁之后不能通过释放质量来释放能量。铁在这条曲线的底部,怎么能进一步上山?
我们当然知道有些元素比铁更重,比如你在珠宝店买的东西。所以我们需要一种机制来产生这些元素。事实上,如果你观察宇宙中所谓的元素丰度,你确实看到了更重的元素,比如银、金、铂、铅,它们一定是在某个地方生产的。
科学的本质是不是每个问题都有答案,它们还有待研究。我们不太清楚他们是从哪里来的。许多人认为,这些较重的元素是在恒星爆炸时形成的。
我们谈到了元素合成产生爆炸,但爆炸本身可能会带来更进一步的反应。爆炸是一个动态的过程,你甚至可以投入能量让反应发生,这大概是较重元素的形成方式。但是我们还不能确定,你可以进一步研究来证明这个想法。
如果你仔细想想,这又是一个奇怪的事实,很多重要的事情都可以通过这些单独粒子(比如质子和中子)的特性来解释。我们所知道的是,质子中子的质量非常相似,只相差千分之二。基本上,它们的质量完全相同,可以很好地近似。
但如果假设一个可能的宇宙,质子可能比中子重 20%。根据
因此,化学元素的存在实际上取决于质子和中子的质量几乎相同的事实。 这是另一个我们不太了解的谜团。 为什么粒子的质量以这样的方式设计,以至于所有这些维持我们生命的重要事物都成为可能。
当然,另一个问题是,即使你确实设法形成了这个原子核,你仍然需要电子绕核运动来形成原子。 那么原子是如何可能的,为什么是可能的呢? 下一个问题关于希格斯玻色子。