光子之间的相互碰撞会产生正反的粒子

2021-04-04 22:46:15 佚名

【作者：黄媂】

人类对自身的探究从来就没有停止过，“我”这个字其实是一个既熟悉又陌生的一个概念，这篇文章主要从物理的角度谈一下我们自身在宇宙里面的起源。

元素与人

著名的物理学家也是诺贝尔物理学奖得主「费恩曼」对“我”有一个非常精辟的论述：

我，一个原子的宇宙，也是一个宇宙中的原子。

所以我们既是宇宙里面微小的一个成分，那另一方面在我们身体里面又包含了大量来自宇宙的原子。从人体自身构成的元素组成来讲，在我们身体内含量最丰富的是「氧元素」，而其次是「碳元素」和「氢元素」，剩下来的是氮、钙以及其他一些元素。

下面给大家介绍一下人体元素的来源：

氢元素

其实是来自于宇宙大爆炸的时候，在宇宙大爆炸之后的几分钟里面就合成了我们宇宙里面的几乎所有的氢。

「碳元素」和「氮元素」

这两种元素的形成需要借助于恒星内部的核反应，特别是中小质量恒星内部的核反应。

氧元素’和‘钙元素’

这两种元素则需要更大质量的恒星通过内部的核合成才能够形成。

‘铁元素’以及其它微量的元素

这些元素就需要更加剧烈的过程，比如说一个大质量恒星死亡后它所产生的超新星爆发，这个爆发过程就会产生像铁或者一些比铁更重的元素。

复杂的起源

‘氢’是宇宙里面含量最丰富的元素，从化学成分来讲它的质量比达到了70%左右，借用一句在《道德经》里面的描述：

“道生一，一生二，二生三，三生万物。”

其实氢元素的形成是从基本粒子开始的，另一方面氢形成之后又会形成更重的其他的元素。

西方的天文学家对于元素这个问题有着自己的论述，在宇宙最早期大爆炸刚刚发生之后，宇宙处于一个极端的高温、高压这样的一个状态，整个宇宙里面充满了能量，随着宇宙的膨胀宇宙的温度逐渐地下降，里面物质的密度也开始下降了，于是有人就试图想从这个初始条件出发去看一看有没有可能去生成现在宇宙里面的各种物质，这就是所谓的‘宇宙原初核合成’。

α、 β、 γ这三个希腊字母表达的含义是是宇宙大爆炸之后所发生的一系列元素合成的过程，这三个希腊字母同时也代表一篇划时代的文章，这篇文章的作者是‘阿尔法’、‘贝特’和‘伽莫夫’，他们恰好就构成了前面讲到的α、 β、 γ这三个希腊字母，这篇文章主要讲述的是在宇宙慢慢冷却的过程里面，能量是怎么样变成今天的物质世界的。

万物创生·「粒子对」的湮灭

在宇宙的最早期一开始充满了全部是以光子为代表的能量，光和光的相互碰撞，或者更准确地讲光子之间的相互的碰撞会产生正反的粒子，我们称为‘粒子对’，这些粒子对的寿命特别短所以它们很快又会相互之间发生碰撞，导致了粒子对的洇灭，所以又回到了光的状态，在粒子对不断地产生和洇灭的过程里面，宇宙就像一锅沸腾的汤一样，所以形象地把它称为‘宇宙汤’，在那个时候宇宙里面充满的是光和各种最基本的正反粒子，正反粒子在创生和洇灭的过程里面，它们的速率应该是完全相同的，但如果真的是这样子的话，就不会有我们今天的物质世界了，因为最终它们还会回集到光回到能量，所以物质的创生就必须要求正物质比反物质要稍微多那么一点。

根据现代物理学理论预言，正物质比反物质大约要多十亿分之一，也就是每产生10亿个负粒子就会有10亿零1个反粒子，所以多出来的那个正粒子就构成宇宙里面的星系、恒星、行星等等这一系列物质世界，在这个时刻宇宙的年龄也就大约在几秒钟，产生的正物质主要是由基本粒子构成的，譬如质子、中子和电子等等。

宇宙是原初核合成的结果

随着宇宙的膨胀和冷却，宇宙中的物质创生和洇灭的过程慢慢地发生了变化，它们不再因为光子的碰撞而产生了，因为光子的能量不足以形成新的物质了，所以剩下来的就是这些物质自身的相互作用，这就是前文提到的原初核合成所要经历的过程。

基本的粒子成分包括了质子、中子和电子，质子其实如果能够俘获一个电子就构成了氢原子，这是今天的物质世界里面有大量氢原子的一个主要原因。除了氢之外还有很多其他的元素，譬如说排行第二的是氦元素，它主要也是来自于原初核合成，质子和中子相互碰撞会产生一个氢的同位素，这个同位素称为叫做‘氘’，氘又会和另外一个氘发生相互碰撞，最终会产生一个氦核，在氦核里面就包含了2个质子和2个中子，这个对于今天的世界里面中子的保存非常重要，因为中子是不稳定的，中子的半衰期大概只有10分钟左右，只要时间足够长，中子会完全衰变成质子。

在宇宙大爆炸之后的几分钟里面，有相当一部分中子被收纳到稳定的氦原子核里面，形成了今天宇宙里面最重要的两种元素：‘氢’和‘氦’。

氦的形成需要2个质子和2个中子，在产生氦的过程里面中子的数目只有质子的1/7了，产生数目差别的原有两个：

第1个：中子的质量本身比质子要稍微高一点，所以在形成的时候它的数目就会相对地会低一点，因为光子的碰撞产生中子需要更高的能量。
第2个：因为中子是不稳定的，形成之后就会衰变变成质子。

所以就导致两者数目的差别会变得越来越大，在这样的数目比例下面，每两个中子要和两个质子结合，形成一个氦的原子核，所以最终形成的氦原子核和剩下的氢原子核，实际上就是质子，它们的数目比是12比1，但是因为氦原子核里面包含了两个质子和两个中子，所以如果以质子的质量作为单位的话，它的质量实际上是4，所以从这里就可以得到氢原子核和氦原子核两者的质量比是3:1，在宇宙原初的氢和氦的化学的丰度分别是75%和25%，这个结果得到了对早期宇宙观测的有力的支持，大爆炸理论之所以被大家承认的一个重要的观测证据。

在物质世界里面，包括我们人体自身，氢主要就是通过原初核合成的方式来形成的，在人体里面除了氢之外的其他元素，这些元素它们的产生就不可能再通过原初核合成进行了，因为宇宙的温度在不断地下降，要形成更重的元素，实际上需要更高的温度，所以重元素的形成需要在恒心内部才能够产生。