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作者：紀揚

文章來源於(yu) 科學大院公眾(zhong) 號（ID：kexuedayuan）

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一塊石頭，居然能引發全球瘋狂。

先是美國、英國、羅馬尼亞(ya) ，之後是俄羅斯、西班牙、澳大利亞(ya) ......幾塊來曆不明、時隱時現的它“星”之石，依次造訪了多個(ge) 國家。一時間，不少人猜測這是外星人的傑作。

神秘的金屬巨石（圖片來源：CATERS NEWS）

這些神出鬼沒的石頭究竟是不是來自於(yu) 外星我們(men) 還無法斷定，不過事實很可能是：巨石不一定來自外星人，而人一定來自外星球。怎麽(me) 聽著更不靠譜？那我們(men) 姑且把外星人放在一邊，來說一說石頭。

石頭的曆史可謂源遠流長。別的不說，小小一塊石頭，就能和四大名著都沾上邊：《紅樓夢》又名《石頭記》；《西遊記》裏的孫猴子是從(cong) 石頭縫裏蹦出來的；《水滸傳(chuan) 》裏的洪太尉將“伏魔之殿”的石碑放倒，使108位“魔君”橫空出世；《三國演義(yi) 》中孫堅撿到的傳(chuan) 國玉璽當然也是塊石頭。

更不要說女媧用五色石補天、記載奇石的《山海經》，還有埃及的金字塔、英國的巨石陣、複活節島的石像等......

英國巨石陣（圖片來源：veer）

不過今天，大院er要和大家聊的不是石頭的曆史故事，而是構成石頭的化合物。

石頭，一般由碳酸鈣（CaCO₃）和二氧化矽（SiO₂）組成，囊括了四種元素：鈣、碳、氧、矽。關(guan) 於(yu) 上述石頭來自外星球的科學論證，就要從(cong) 大自然的“魔法師”——元素說起。

元素：幻化萬(wan) 千的魔法師

元素是什麽(me) ？

原子（atom）是化學反應中不能再分的最小微粒。而原子構成物質的最小單位，稱為(wei) 元素（Chemical element）。元素是具有相同核電荷數（質子數）的一類原子的總稱。

元素周期表 （圖片來源：中國化學會(hui) ）

元素是構成世間萬(wan) 物的基石。據2018年公布的元素周期表，目前總共有118種元素，天然元素94種（原子序數最大的天然元素是鈈），這118種元素就是幻化出大千世界的“魔法師”。由於(yu) 單個(ge) 元素都很活潑，它們(men) 喜歡電光火石地“暗送秋波”，以產(chan) 生新的化合物，因此元素有著千變萬(wan) 化的排列組合。也正是如此，才構成了你看到、聽到、想到的一切——包括你自己。

有了元素，才有了你、你的狗子以及狗子的飯碗。你和你的狗子都是碳基生物，鈣組成了你們(men) 的牙齒和骨骼，你們(men) 呼吸著同樣的氧，此外身上還有一模一樣的氫、 氮 、磷 、硫、 鉀 ......而且狗子和你一樣，也需要經常補充微量元素來增強營養(yang) 。

元素是這個(ge) 世界真正的主宰，它們(men) 像魔法師一樣決(jue) 定著我們(men) 的過去、現在和未來。雖說人類起源於(yu) 陸地還是大海尚存爭(zheng) 議，但起碼我們(men) 可以肯定：我們(men) 是從(cong) 元素那“來”的——問題是：地上的元素又是從(cong) 哪來的呢？

地上有的，天上都有

地球上的各種化學元素，在宇宙中都找得到。

去年12月，嫦娥五號從(cong) 月球上采集回2公斤的土壤樣本，望眼欲穿的人們(men) 迫不及待地把這份“快遞”拆開。而至於(yu) “快遞”中包裹的是啥，其實不用問也知道：月球含有豐(feng) 富的氦元素（He），其中月球表麵風化層的3He儲(chu) 存量大約是250萬(wan) 噸。而在地球上，3He被認為(wei) 是地幔中的原始物質，且在地幔中的3He總量在0.1到100萬(wan) 噸之間，其豐(feng) 度和月球完全沒得比。

火星表麵（圖片來源：veer）

火星表麵呈猩紅色，這是因為(wei) 火星含有大量的鐵元素，它們(men) 同氧結合，讓火星看上去就長滿“鐵鏽”似的。

金星的大氣層中充滿硫元素，俄羅斯科學家一度認為(wei) 或有生物能在“硫酸海洋”中生存，但美國科學家對此嗤之以鼻：就憑464度的高溫，你在開什麽(me) 玩笑？

人類的飛船還曾去到過太陽係的邊緣，發現海王星上存在大量有機分子，例如甲烷。這進一步激發了人類的好奇心：太陽係之外又如何呢？

太陽係（圖片來源：veer）

想要探索其它恒星的化學成分似乎是個(ge) 不可能的任務，原因很簡單：太遠了！即使是“天涯若比鄰”的比鄰星，也比海王星遠1萬(wan) 倍，而離我們(men) 最近的仙女座星係，又比比鄰星遠250萬(wan) 光年。

盡管遠方的恒星遙不可及，但它們(men) 卻無時無刻不向我們(men) 透露著自己的化學成分，線索就是它們(men) 發出的光。這些光線穿越茫茫宇宙來到地球，而隱藏在光線中的信息成為(wei) 了人類認識這些星球的關(guan) 鍵。

每種化學元素，都有獨一無二的焰色，這就是元素的“焰色反應”：這仰賴於(yu) 元素的一種特殊屬性，當它們(men) 燃燒時，會(hui) 發出不同的光芒——鋰是紅色、銅是綠色、鉀是紫色（鉀的焰色反應需透過鈷藍玻璃，以濾掉鈉的黃光，因此鉀的焰色看起來是黃色而非紫色）......正是元素的這種特性，才讓我們(men) 得以一窺恒星的構成。

彩虹（圖片來源：veer）

彩虹是太陽投射在天空的光譜，仔細觀察太陽光譜，你會(hui) 發現有許多錯落的黑線，這些黑線叫做吸收譜線。通過吸收譜線，我們(men) 能得到一份化學元素的清單，就像讀條形碼一樣可以讀出太陽精確的元素構成：它包含74.9%的氫、23.8%的氦和1.3%的其它元素。

太陽光譜（圖片來源：Extreme Tech）

這種光譜分析法不僅(jin) 能用來分析太陽，它對宇宙中任何一顆恒星都適用。通過這種方法，科學家就能夠精確地測算出恒星的組成元素。

通過觀察北極星的光線，我們(men) 得知它的重元素和太陽一樣豐(feng) 富，但碳元素比太陽少得多；織女星的金屬含量隻有太陽的三分之一，但天狼星卻富含金屬——它的鐵含量是太陽的三倍多。

盡管每顆恒星的元素含量不同，但無論我們(men) 觀察哪片星空，都隻能找到與(yu) 地球相同的元素。看來，我們(men) 的元素周期表同樣適合宇宙星辰，地上有的，天上都有。但新的問題出現了：天上的元素，又是從(cong) 何而來的呢？

回到137億(yi) 年前：宇宙的起點

為(wei) 了了解生命的曆史，我們(men) 必須回到宇宙誕生的那一刻：宇宙的起點（奇點：singularity of the universe）沒有時間也沒有空間，什麽(me) 物質都不存在，但有我們(men) 無法想象的高溫和密度，這是一種什麽(me) 樣的狀態？

《莊子·天地》篇中有言：“泰初有無，無有無名。一之所起，有一而未形。物得以生，謂之德”。意思是說宇宙的最初隻有“無”，沒有任何存在，也沒有任何名稱。“混沌一體(ti) ”產(chan) 生了卻沒有形體(ti) 。萬(wan) 物因此而生，這就叫“自得”。

（19世紀初天城文《梨俱吠陀》手抄本）

古印度詩集《梨俱吠陀》中有段話跟《莊子》的說法類似，但聽起來更令人費解：“無既非有，有亦非有；無空氣界，無遠天界......由空變有，有複隱藏；熱之威力，乃產(chan) 披一”。意思是說（宇宙）一開始既沒有所謂的“不存在”，也沒有“存在”，既沒有“空間”，也沒有空間以外的“天空”。“空”產(chan) 生了“有”，它是黑暗的，放出大量的熱，形成了今天的宇宙。

不論莊子還是古印度的先哲，他們(men) 古樸的語言與(yu) 20世紀30年代的宇宙大爆炸理論（The Big Bang Theory）頗有異曲同工之妙。如果勒梅特讀到剛才那兩(liang) 段話，恐怕要產(chan) 生出一種高山流水覓知音的惺惺相惜之情。

大爆炸理論指出：在大爆炸之後的1秒內(nei) ，宇宙從(cong) 不可思議的100萬(wan) 萬(wan) 億(yi) °C（這是神馬概念？）下降到100億(yi) °C，經過漫長的38萬(wan) 年後，又下降到2700°C。這是宇宙從(cong) 暴脹（Inflation theory）到“冷靜”下來的第一階段。這個(ge) 階段比較乏味，引力率先被分離出來，其它三種力：電磁力、強力、弱力及組成物質的基本粒子：誇克、質子、中子、電子、光子......也紛紛現身。

38萬(wan) 年之後，宇宙的溫度繼續下降，這讓帶正電的質子俘獲了帶負電的電子的芳心，於(yu) 是最早的原子便形成了：主要是氫原子和氦原子，那個(ge) 時候的宇宙還沒有星體(ti) 。

（大爆炸後的宇宙，圖片來源見水印）

隨後引力開始發威，它將大量放蕩不羈愛自由的氫原子和氦原子拉攏到一起，數以億(yi) 計的星雲(yun) 便出現了，在重力的作用下它們(men) 一邊坍縮一邊升溫，最終導致聚合的氫原子爆炸（參考氫彈爆炸原理），釋放的能量衝(chong) 破引力的阻攔形成了最早一批恒星。這時距離大爆炸已過去了兩(liang) 億(yi) 年。

恒星的出現絕對是大事件，因為(wei) 它能產(chan) 生新的物質並使生命成為(wei) 可能。恒星的誕生、演化直至最終又坍縮回一個(ge) 黑洞，都跟引力脫不了幹係，恒星的一生真可謂“成也引力、敗也引力”。但在這向死而生的壯烈旅途中，各式各樣的新元素卻占盡了天時地利的大便宜，例如：組成生命的最基本元素碳、骨骼裏的鈣和血液裏的鐵都拜恒星的坍縮所賜。一係列的坍縮產(chan) 生一係列的新元素：從(cong) 鋰到鐵，如法炮製。

那鐵之後呢？在元素周期表中排名26位的鐵元素有26個(ge) 質子，而產(chan) 生含有更多質子的元素需要更高的溫度，這就不是普通恒星能搞定的了。它必須自爆為(wei) 一顆“超新星”，釋放出與(yu) 太陽一生釋放的能量總和相媲美的能量，才能創造出更重的元素。鈷到鈾（含92個(ge) 質子）都是這麽(me) 來的。

所以，構成我們(men) 世界的化學元素是伴著恒星死亡的劇痛形成的，它們(men) 來自已死的恒星並被散布到宇宙空間。沒有恒星的坍縮和超新星的爆發，就沒有新元素的誕生；沒有元素以各種複雜的方式形成化合物，行星就不會(hui) 形成，你我就不會(hui) 存在。

一切聽上去是那麽(me) 的不可思議，就像一則難以置信的創世神話：構成我們(men) 身體(ti) 的每一種元素都來自地球之外的茫茫太空。從(cong) 這個(ge) 角度上講：每個(ge) 人都是從(cong) 恒星中誕生的，“來自星星的你”並不是什麽(me) 異想天開，而是事實。

參考資料：

[1] https://www.chemsoc.org.cn/library/a2611.html

[2]https://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2007/pdf/2175.pdf

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Helium-3#Terrestrial_abundance

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