世界从哪里来？

本文授权转载自 星球研究所（ID：xingqiuyanjiusuo）。

我们的世界 极其复杂
夜空中 万亿颗恒星 熊熊燃烧 （沃尔夫·拉叶星，图片来源@ESA/Hubble & NASA） ▼

蓝天下 千万种不同的生灵 生机勃勃 （泰国湾，鲸鱼和海鸟，图片来源@VCG）
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大地上 70亿人类 生生死死、来来往往 （城市街道，摄影师@魏宏）
▼ 然而 我们的世界 也极其简单 因为无论形态如何多样 组成物质世界的材料 不外乎118种元素 它们创造于宇宙的洪荒时代 也见证了宇宙的繁荣扩张 它们是
宇宙诸子 01 宇宙的创造
大约138亿年前 我们已知的宇宙 在一场大爆炸中诞生 在1亿亿亿亿分之一秒内 就增大了100亿亿亿亿亿亿倍 极速的膨胀 导致跳崖式降温 纯粹的能量开始凝结 组成物质的微观颗粒 在能量的海洋中浮现出来 带有一个正电荷的质子
带有一个负电荷的电子 和不带电荷的中子 成了组成原子的单元 （原子结构示意图，以碳原子为例，制图@赵榜/星球研究所）
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所有质子数量相同的原子 被统称为一种元素 紧跟着质子的出现 仅拥有1个质子的 第1号元素 氢 也诞生了
由于结构简单 它在宇宙中无处不在 直到今天 仍占整个宇宙元素数量的 92% 紧接着 在大爆炸产生的高温高压下 质子与中子相互结合 形成更重的原子核 重原子核进一步聚合 形成新的元素
这种因原子核聚合 而发生的变化 被称为
核聚变 （氢原子核聚变为氦原子核的过程，制图@赵榜/星球研究所） ▼

当质子因核聚变 而结合在一起 第2号元素
氦 便形成了 这个过程释放出能量 此外
最初的核聚变 还创造了极少量
拥有3个质子的
锂

在创造了最初的几种元素后 由于温度和压力的降低 聚变难以为继 因此早期的宇宙中 氢和氦占比高达 99.9% 它们组成弥漫的原子云雾 宇宙黯淡、冰冷又无聊 但很快 有趣的情况发生了 大爆炸产生了微小的不对称 使得宇宙中某些地方的原子云雾
比其它地方更浓稠一些 在引力的作用下 物质开始向这些地方聚集 组成巨大的云团 （鹰状星云的冷氢气云，图片来源@NASA）
▼ 云团内的物质越聚越多 核心温度升高至 1500万℃

氢元素的聚变 再次开启 光与热得到释放 一颗恒星诞生了 （从星云到一颗恒星的形成过程示意，制图@赵榜/星球研究所）
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紧接着是另一颗、又一颗... 数以亿计的恒星 相继在黑暗的云团中绽放 （在恒星形成区，来自恒星们的星风正在吹出一个巨型气体空腔，图片来源@Glenn Research Center）
▼ 直到宇宙被璀璨星光点亮 仿佛一片光芒之海 （NGC 4833球状星团，图片来源@NASA）
▼ 它们聚集在一起
成为了 星系
（仙女座星系，图片来源@Adam Evans）
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星系聚集在一起 组成庞大的星系群 以及更加庞大的星系团 （Abell370的星系团，其中包含数百个因引力相互吸引而结合在一起的星系，图片来源@NASA）
▼ 由氢元素创造的恒星世界 点亮了整个宇宙 而在恒星的内部 新元素的创造 正在酝酿之中

02 恒星的创造 在恒星的核心 引力造成物质的收缩 使氢源源不断地聚变为氦 稳定地生产着光和热 这是恒星的青年时代 我们的太阳 如今正是处在这一时期 但恒星核心的氢原料 终将消耗殆尽 彼时 氦的聚变将开始 三个氦原子聚合在一起 成为了一种崭新的元素 碳 聚变导致恒星的外层急剧扩张 使其膨胀为一颗 红巨星
（搏动的红色巨星Chi Cygni，图片来源@Wikimedia Commons）
▼ 成为红巨星后 恒星的生命也将迎来转折 当核心中的氦也逐渐消耗殆尽 温度提升至 6亿℃
碳聚变开始 形成了 氧

此时 质量小于8个太阳的 小质量恒星 生命就此完结 其外层烟消云散 只剩一个由碳和氧组成的内核
这个内核温度极高 发出白热的光芒
这就是 白矮星 （白矮星LSPM J0207 + 3331，已知最古老、最冷的白矮星，图片来源@NASA）
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质量在8-10个太阳之间的 中等质量恒星 可以生成比氧更重的元素 氖 但依旧无法抵抗 成为白矮星的命运 只有质量超过10个太阳的 大质量恒星 才能突破宿命 （Wolf-Rayet star R136a1，已知质量最大的恒星，图中左下方的红色小点，是为了对比而加上去的太阳，面对这颗特超大质量恒星，太阳只是一粒微尘，图片来源@Wikimedia Commons）
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在它的核心 温度已达到惊人的 20亿℃
高温高压之下 聚变的链条一发不可收拾 镁、硅、磷、硫 氯、氩、钾、钙 等元素相继出现 又轮番成为下一轮聚变的燃料 大质量恒星在生命的末期 成为一颗超级红巨星 它用一生创造的所有元素 层层将自己包裹 仿佛在做最后的告别
（红巨星阶段后期的恒星，内部发生分层，制图@赵榜/星球研究所）
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此时恒星核心的温度 已高达 30-50亿℃
硅元素聚变
生成了恒星聚变所能创造的 最重的两种元素
26号元素 铁 和28号元素 镍 铁 将“杀死”它的创造者 因为铁原子核 具有极高的稳定性 恒星内部的高温高压 也无法推动其聚变 当聚变停滞 万有引力就重新掌握了主动权 中心物质不断地被压紧、再压紧 直到电子被硬生生压进了原子核 恒星的核心瞬间坍塌 外层的物质高速坠落 引发内爆 这就是 超新星爆发 （v838mon红巨星爆发为超新星过程示意，图片来源@NASA）
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爆发产生的巨大力量 将原有的原子核打碎并重组 形成比铁更重的90多种元素 铜、锌、金 铂、铀、钍 ......

超新星爆发 将这些重元素抛向宇宙 形成一片绚丽的星云
大质量恒星的一生就此结束 宇宙的一角重归寂寞
（蟹状星云，图片来源@NASA）
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然而 一切并非如看上去那般冷清 爆炸产生的引力涟漪 在星云之中荡开 物质又在聚集、骚动 很快 新的恒星 将从前代的遗迹中诞生 “星云-恒星-超新星-星云” 这样的轮回 将再次上演 （NGC 2070中的大恒星形成区，图片来源@NASA）
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不同的是 这次有了丰富的重元素作为原料 一些特殊的天体即将形成
03 行星的创造
经过数次轮回 在银河系的一个角落 太阳 诞生了 （太阳，图片来源@NASA）
▼ 它独占了星云中99.8%的质量 剩余的气体、尘埃和颗粒
围绕它形成了一个圆盘 在引力的作用下 相互碰撞并粘附在一起 逐渐从1毫米长到1000千米 这就是 星子
（恒星维加周围的小行星带，仅做示意，图片来源@NASA）
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星子碰撞聚集 一种新的天体 行星 形成了 （太阳系行星形成过程示意，制图@赵榜/星球研究所）
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其中距太阳较远的 吸收了剩余的氢和氦 形成气态巨行星： 木星、土星、天王星、海王星 （土星与地球的大小对比，图片来源@NASA）
▼ 而距离太阳较近的地方 太阳风将气体吹散 留下仅占初始星云质量 0.6% 的重元素 组成个头较小的固体岩石行星： 水星、金星、地球、火星 （地球，图片来源@NASA） ▼ 但正是由于这0.6%的重元素 作为岩石行星之一的 地球 才如此与众不同 地球形成之初
是一个炽热的岩浆球 物质翻滚流动 铁、镍等较重的元素 下沉到地球中心形成地核 地核创造了笼罩整个星球的磁场 像一个无形的保护层一样 使地球免受太阳风的伤害 （极光是太阳风受地球磁场影响，与地球大气层作用而形成，图片来源@NASA）
▼ 而氧、硅、镁、铝 等较轻的元素 则上浮到外层 构成了地幔和地壳
（地球圈层结构，制图@赵榜/星球研究所）
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随着地球的降温 地壳的外层冷却凝固 形成了坚硬的岩石 （夏威夷火山国家公园，图片来源@VCG）
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地幔灼热的岩石 则继续缓缓流动 拖着地壳分分合合 形成连绵的山脉 和深邃的峡谷 （从奋进号航天飞机上看到的安第斯山脉，图片来源@NASA）
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岩浆溶解的气体也释放出来 氮气、二氧化碳和水等 组成了 大气层 （美国东北部海岸线上的飓风，图片来源@NASA）
▼ 温度降低 大气中的水迅速凝结 以暴雨的形式落回到地面 这场暴雨持续了数百万年之久
直到液态水覆盖了70%以上的地表 形成了 海洋 （加勒比海与大西洋，图片来源@NASA）
▼ 海洋的深处 在地底热量的烘烤下 碳、氢、氧、氮、磷 等元素相互作用 形成多种有机大分子 这些分子开始利用能量 开始复制自身 开始将自己与外界环境隔开 它们组成了一个 细胞 （纤毛虫吞食硅藻，图片来源@Deuterostome）
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更多的细胞聚在一起 共谋生路 它们分工合作 有的负责捕猎 有的负责消化 出现了原始的组织和器官 （水母属于腔肠动物，是较早出现的多细胞动物的后代，图片来源@VCG）
▼ 在外界环境的影响下 多细胞群体的样貌 开始变得千差万别 它们有的占领海洋 （南加利福尼亚海洋中的鱼群，图片来源@VCG）
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有的登上陆地 （非洲纳米比亚艾托沙国家公园中的动物，图片来源@VCG）
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有的飞上天空 （美国南部巴斯克阿帕契国家野生动物保护区内的鸟，图片来源@VCG）
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有的虽静默无言 却学会了利用太阳的能量 将大气中的二氧化碳 转化为身体的一部分 同时释放出大量氧气 改变地球的大气层 （毛里求斯的森林，图片来源@VCG）
▼ 经过40亿年的演化 一个复杂的生物圈形成 一个特殊的物种 即将登场 04 人的创造 这个物种就是 人类
与无数生命一样 他们由碳、氢、氧、氮、磷等元素组成 但人类的特殊之处在于 他们学会了利用元素 并在此基础上 一次又一次 改变着世界的面貌 当人类的祖先 还处在茹毛饮血的阶段时 就已经发现 硅与其它元素结合形成的岩石 质地脆而坚硬
他们将其打造成捕猎的工具 人类由此进入 石器时代
（美洲石器时代的克洛维斯矛尖，图片来源@Wikimedia Commons）
▼ 当岩石风化 其中的一些成为了黏土 与水混合后可塑性极强 经过火烧后又变得坚硬且隔水 这就是 陶器 （山东，大汶口文化晚期的陶器，图片来源@Wikimedia Commons）
▼ 人类对火的掌握 也逐渐演变出新的用途 熔炼金属

铜的性质稳定，熔点较低 因此成了最早被冶炼的金属 后人在铜里加入锡 使其成为强度更高的青铜 青铜被用于祭祀、战争 这就是人类的 青铜时代
（三星堆青铜器，图片来源@VCG）
▼ 很快
青铜又被另一种 强度和韧性更高的金属取代 这就是铁 从武器、礼器和交通工具 到农具和日常用品无不有铁的身影 人类进入了
铁器时代 （日本18世纪的护甲，由铁、皮革、镀金铜、丝绸等材料制成，图片来源@Wikimedia Commons）
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随着冶铁技术的提升 人们发现控制生铁中的碳 会让成品更加坚韧 这就是 钢 （大连特殊钢公司第一炼钢厂工人们正在热火朝天忙生产，图片来源@VCG） ▼

来自远古植物的碳 经过数十至数百万年的埋藏 转变为 煤 沉睡在地下 在18-19世纪
开始被欧亚大陆西端的人类 大规模挖掘 它作为一种重要的燃料 点亮了工业革命的曙光 （红山煤矿及运煤车，摄影师@张波） ▼
煤燃烧的熊熊烈火 将水烧成蒸汽 推动着钢铁制造的机器巨兽 彻底改变了人们的生产方式 人类进入了 工业时代
（辽宁沈阳调兵山矿区铁路上的蒸汽机车，摄影师@房星州） ▼

但地层中的碳元素
还有另一种存在形式 石油 如今它流淌在几乎每一台发动机中 成为工业的黑色血液 （哈萨克斯坦北布扎奇油田，采出的原油被装入油罐列车运往海港，图片来源@VCG）
▼ 石油的作用还不止于此 它含有丰富而多样的有机分子长链 这些分子被分解、再合成 成为了 塑料 这种可塑性和多样性极高的材料 被人类使用到极致 ▼

除此之外 富集在大气中的氮元素 被大批量地用于制作
化肥 彻底改变了 人类延续千年的农业传统 （江西省吉安市泰和县水槎乡畲族村，畲族村民正在田间施肥劳作，图片来源@VCG）
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地壳中含量第二位的元素 硅 凭借独特的导电性能 成为了芯片的基础 以此为基础发展起来的计算机 将人类带入了 信息时代
（这个被沙特阿拉伯授予了国籍的机器人，能通过脸部和颈部的62个肌肉结构来表达自我，它使用的AI技术会分析正在进行的对话，推断信息，图片来源@VCG）
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宇宙大爆炸产生的微量元素 锂 被制成了轻便可靠的 锂电池 创造了一个
移动电子设备的世界 （浙江省长兴县，一家公司自主研发生产的一辆辆纯电动汽车，图片来源@VCG）
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环顾四周 我们已被自己的创造包围 100多种元素 构筑起一个物质的世界 另一方面 我们也掌握了毁灭的力量 在超新星爆发中诞生的重元素 铀和钚 拥有极其不稳定的大原子核 它们会自发地分裂成较小的原子 同时释放出能量 这一过程被称为 核裂变 而当裂变的过程如雪崩一般 连续不断地发生时 其释放的巨大能量 就成了毁灭世界的武器 原子弹
（原子弹爆炸过程，图片来源@Wikimedia Commons）
▼ 而如果 将氢原子聚合在一起
模拟恒星的聚变过程 释放出的能量将更为惊人 这就是 氢弹 （氢弹爆炸过程，图片来源@United States Department of Energy）
▼ 所幸 对核能的利用 逐渐走上正轨 成为日常电力的来源之一 （中国西部首座核电站——广西防城港核电2号机组首炉核燃料装载完成，图片来源@VCG）
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除了利用已有的元素 人类还通过更极端的手段 将原子核打碎重组 探究物质结构的终极秘密 产生地球上不存在的新元素 （美国费米加速器国家实验室的粒子加速器，图片来源@Department of Energy from United States）
▼ 这些元素构筑了这个庞杂的世界 而这一切的一切都源于 138亿年前的那场宇宙大爆炸 我们都来自星尘

当宇宙视角被开启 从更高的维度去观察这个世界 我们才清晰地认识到 人类在宇宙中所处的位置 才能以全新的视角去看待自我 认识宇宙 也就是认识人类自己 当我们对世界的探索愈发深入 我们就越深刻地发现 这是一个充满不确定的世界 旧的元素碰撞出新的可能 生命形态在演变中无序迭代 即使现存的认知是否也有别的可能？ 人类觉醒于未知 也终将走向自己的未来 （一件退役的俄罗斯太空服，被人类“故意”从国际空间站抛出，成为一颗独特的人造卫星，被称为“Suitsat 1号”，图片来源@NASA） ▼
在这不断探索的过程中 我们也划出自我的轨迹 正如星星在宇宙中划出的星轨
其实 星辰一直与我们同在 组成我们躯体的氢 来自宇宙大爆炸 随血液流淌的铁
曾是某颗恒星的核心 携带着遗传信息的氮和磷 也曾在原始的大气与海洋中游荡 （人体元素组成，比例按照各元素原子数量计算，制图@赵榜/星球研究所）
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我们的肉体终将消逝 还有所有的生命形式 所有的山川与湖海 地球、太阳、整个星系 都将化为尘埃 但这一切 也将以另一种形式继续存在 直到宇宙的尽头 它们就是元素 是宇宙诸子

本文主要参考文献： [1]柴之芳. 从宇宙大爆炸谈起[M]. 湖南教育出版社, 2012. [2]尼尔·泰森. 140亿年宇宙演化全史[M]. 北京联合出版公司, 2019. [3]唐晓东等.宇宙中元素的起源[J]. 物理, 2019. [4]陈丰等. 太阳系行星系统的形成和演化[J].矿物岩石地球化学通报, 2010. [5]汪品先等. 地球系统与演变[M].科学出版社, 2018.

— THE END —

本文选自星球研究所（ID：xingqiuyanjiusuo），一群国家地理控，专注于探索极致风光。灼见经授权发布。

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