構成我們的物質從何而來，為何鐵元素是核聚變的終結者！

哈勃空間望遠鏡拍攝的侏儒星雲，這是一團船底座 η 核合成過程中產生的物質雲。這顆恆星已近生命終點，正在吐出雲團。在一百萬年間，它會成為一顆超新星，並在一次極為壯觀的高能爆發中向宇宙空間拋射物質。

在嬰兒期，我們的宇宙擁有的唯一元素是氫，這是一種最簡單的元素——靠它幾乎不足以形成什麼有趣的東西，如行星或人類。隨著宇宙逐漸冷卻，每個單一質子都會得到一個帶負電荷的電子並成為氫原子，宇宙中大約 92% 的原子是氫。剩下的大多聚合成了氦以及極少量的鋰和其它輕元素。在那個時候，由於過份寒冷，其它元素無法形成，宇宙進入了一個持續 3.8 億年的黑暗時代。

隨著宇宙的擴張和冷卻，引力開始發生作用。星繫結合起來，很快第一顆恆星開始發光。最初，光僅由恆星的體重決定：當一顆恆星在它自身的重量下坍縮時，氫堆積在一起，這會導致它變熱，這就如同你把油灰攥在手心。憑藉它自己，引力只能讓這些恆星保持發光數百萬年，但這已足以讓這些恆星的核心變熱，並使核聚變鍊金術開始。

實際上，這些聚變反應以許多令人震驚的方式發生著。聚變不是兩個原子核的簡單聯合。在大多數恆星內，氫原子核無法靠近到足以發生聚合。

一對氫原子核靠得越近，正電荷的互相排斥就越強烈。但是因為原子核是一種量子物體，因此它們不需要通過靠得足夠近的方式來發生聚變，而只需要靠近到適當的程度。然後一種被稱為量子隧穿的效應就會接管。此刻兩個原子核幾乎接近到足以發生聚變，而一下刻它們就突然結合在一起了。這就好比原子核沒有足夠的能量來打開門走過去，但是它們偶然會用瞬間移動來穿越牆體。

但是即便是這種量子魔法也不足以使一顆恆星成功。因為不僅僅是要發生聚變，還需要產生足夠穩定的物質。由兩個質子聚合成的氦-2（包含兩個質子，但不包含中子），是極端不穩定的，它常會分解回兩個單獨的質子。但是存在有萬分之一的機會，其中一個質子會轉變為中子，使原子變成氘，一種穩定的氫同位素。氘和氫可以聚合成穩定的氦，並釋放出巨大的能量，開啟神奇的恆星創世序幕。

從氫到其它元素，每一步轉變都依賴於罕見的天體與量子過程。從原初物質到我們人類，充滿了僥倖。

對於小型恆星來說，氫是它們唯一的燃料；燃料耗盡後，它們就陷入黑暗。但當首批恆星中最大的把它們的氫轉變成氦後，它們的燃燒方式就不同了。當這些大恆星停止氫聚變後，它們的內部壓力開始下降，引力使它們再次坍縮，而它們的核心溫度就會再次升高。當它們核心的溫度達到一億 K 時，氦開始聚變為鈹（一種原子核中擁有 4 個質子的元素），而鈹和氦聚合為碳（6 個質子）。地球生命的元素中心開始在熾熱的恆星心臟處形成，儘管這些碳還需要經歷漫長的旅程才能成為我們的一部分。碳聚變成為氮和氧（分別擁有 7 個和 8 個質子），又產生了兩個生命必須的元素，而從它們開始，經歷一連串的聚變反應後，最終形成鐵（26 個質子）。

將鐵聚變為更重的元素不能產生更多的能量，而較輕的元素聚變則然——鐵如果聚變，它會吸收能量，但這實際上是件好事。假如元素會無止境地聚變成較重元素，那第一批恆星就會無休止地聚變下去，直到變成中子星，那是一種巨大的不可分化的原子核物質球體。因為鐵的聚變實際上會冷卻恆星的核心，所以聚變的鏈條關閉了。聚變停止後，第一批大質量恆星最終在它們自身的重量下坍縮，引起的便是超新星爆發。這些恆星的外層富含碳、氮和氧，它們被拋入星際空間，而只有它們的核發生了再次坍縮，成為了中子星。

長久以來人們一直以為恆星的聚變和超新星足以產生我們周圍的所有元素。但是現在我們知道，其它還有一些奇特的過程在此間扮演了關鍵的角色。最近的研究顯示，那些稀有的重金屬，如金，其大部分是在兩顆中子星的碰撞過程中產生的。地球上所有的金子似乎都是由這樣的一次碰撞產生的。

從氫到其它元素，每一步轉變都依賴於罕見的天體與量子過程。從原初物質到我們人類，充滿了僥倖。在這個鏈條上的每一個環節都不僅僅是可能性極小，而且在物理學上也是極端敏感的。假如結合質子的強互作用力再高僅僅 2 個百分點，那氦-2 就會變得穩定。聚變發生得會更為容易，因此第一代的熾熱高密度恆星就不會出現。改變這一過程中的任何一部分，宇宙就會變得非常不同，而我們也可能就不會存在了。

這就是有時候會被人提及的所謂「精準宇宙」理念，這一理論認為，生命的存在依賴於象恆星核聚變這樣的現象以正確的方式發生。它引發了關於宇宙起源的神學爭論，當然另外一些人持的觀點則完全相反。不論怎樣，有一件事是清楚的：是我們讓宇宙變得顯而易見。我們所有及所見的一切都是氫，它們在引力和時間的鉗鍋中誕生。

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