巨石来自外星球？是你来自外太空！

2022-03-13 07:45:12 来源：科普中国

作者：纪扬

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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一块石头，居然能引发全球疯狂。

先是美国、英国、罗马尼亚，之后是俄罗斯、西班牙、澳大利亚......几块来历不明、时隐时现的它“星”之石，依次造访了多个国家。一时间，不少人猜测这是外星人的杰作。

神秘的金属巨石（图片来源：CATERS NEWS）

这些神出鬼没的石头究竟是不是来自于外星我们还无法断定，不过事实很可能是：巨石不一定来自外星人，而人一定来自外星球。怎么听着更不靠谱？那我们姑且把外星人放在一边，来说一说石头。

石头的历史可谓源远流长。别的不说，小小一块石头，就能和四大名著都沾上边：《红楼梦》又名《石头记》；《西游记》里的孙猴子是从石头缝里蹦出来的；《水浒传》里的洪太尉将“伏魔之殿”的石碑放倒，使108位“魔君”横空出世；《三国演义》中孙坚捡到的传国玉玺当然也是块石头。

更不要说女娲用五色石补天、记载奇石的《山海经》，还有埃及的金字塔、英国的巨石阵、复活节岛的石像等......

英国巨石阵（图片来源：veer）

不过今天，大院er要和大家聊的不是石头的历史故事，而是构成石头的化合物。

石头，一般由碳酸钙（CaCO₃）和二氧化硅（SiO₂）组成，囊括了四种元素：钙、碳、氧、硅。关于上述石头来自外星球的科学论证，就要从大自然的“魔法师”——元素说起。

元素：幻化万千的魔法师

元素是什么？

原子（atom）是化学反应中不能再分的最小微粒。而原子构成物质的最小单位，称为元素（Chemical element）。元素是具有相同核电荷数（质子数）的一类原子的总称。

元素周期表（图片来源：中国化学会）

元素是构成世间万物的基石。据2018年公布的元素周期表，目前总共有118种元素，天然元素94种（原子序数最大的天然元素是钚），这118种元素就是幻化出大千世界的“魔法师”。由于单个元素都很活泼，它们喜欢电光火石地“暗送秋波”，以产生新的化合物，因此元素有着千变万化的排列组合。也正是如此，才构成了你看到、听到、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饭碗。你和你的狗子都是碳基生物，钙组成了你们的牙齿和骨骼，你们呼吸着同样的氧，此外身上还有一模一样的氢、氮、磷、硫、钾 ......而且狗子和你一样，也需要经常补充微量元素来增强营养。

元素是这个世界真正的主宰，它们像魔法师一样决定着我们的过去、现在和未来。虽说人类起源于陆地还是大海尚存争议，但起码我们可以肯定：我们是从元素那“来”的——问题是：地上的元素又是从哪来的呢？

地上有的，天上都有

地球上的各种化学元素，在宇宙中都找得到。

去年12月，嫦娥五号从月球上采集回2公斤的土壤样本，望眼欲穿的人们迫不及待地把这份“快递”拆开。而至于“快递”中包裹的是啥，其实不用问也知道：月球含有丰富的氦元素（He），其中月球表面风化层的3He储存量大约是250万吨。而在地球上，3He被认为是地幔中的原始物质，且在地幔中的3He总量在0.1到100万吨之间，其丰度和月球完全没得比。

火星表面（图片来源：veer）

火星表面呈猩红色，这是因为火星含有大量的铁元素，它们同氧结合，让火星看上去就长满“铁锈”似的。

金星的大气层中充满硫元素，俄罗斯科学家一度认为或有生物能在“硫酸海洋”中生存，但美国科学家对此嗤之以鼻：就凭464度的高温，你在开什么玩笑？

人类的飞船还曾去到过太阳系的边缘，发现海王星上存在大量有机分子，例如甲烷。这进一步激发了人类的好奇心：太阳系之外又如何呢？

太阳系（图片来源：veer）

想要探索其它恒星的化学成分似乎是个不可能的任务，原因很简单：太远了！即使是“天涯若比邻”的比邻星，也比海王星远1万倍，而离我们最近的仙女座星系，又比比邻星远250万光年。

尽管远方的恒星遥不可及，但它们却无时无刻不向我们透露着自己的化学成分，线索就是它们发出的光。这些光线穿越茫茫宇宙来到地球，而隐藏在光线中的信息成为了人类认识这些星球的关键。

每种化学元素，都有独一无二的焰色，这就是元素的“焰色反应”：这仰赖于元素的一种特殊属性，当它们燃烧时，会发出不同的光芒——锂是红色、铜是绿色、钾是紫色（钾的焰色反应需透过钴蓝玻璃，以滤掉钠的黄光，因此钾的焰色看起来是黄色而非紫色）......正是元素的这种特性，才让我们得以一窥恒星的构成。

彩虹（图片来源：veer）

彩虹是太阳投射在天空的光谱，仔细观察太阳光谱，你会发现有许多错落的黑线，这些黑线叫做吸收谱线。通过吸收谱线，我们能得到一份化学元素的清单，就像读条形码一样可以读出太阳精确的元素构成：它包含74.9%的氢、23.8%的氦和1.3%的其它元素。

太阳光谱（图片来源：Extreme Tech）

这种光谱分析法不仅能用来分析太阳，它对宇宙中任何一颗恒星都适用。通过这种方法，科学家就能够精确地测算出恒星的组成元素。

通过观察北极星的光线，我们得知它的重元素和太阳一样丰富，但碳元素比太阳少得多；织女星的金属含量只有太阳的三分之一，但天狼星却富含金属——它的铁含量是太阳的三倍多。

尽管每颗恒星的元素含量不同，但无论我们观察哪片星空，都只能找到与地球相同的元素。看来，我们的元素周期表同样适合宇宙星辰，地上有的，天上都有。但新的问题出现了：天上的元素，又是从何而来的呢？

回到137亿年前：宇宙的起点

为了了解生命的历史，我们必须回到宇宙诞生的那一刻：宇宙的起点（奇点：singularity of the universe）没有时间也没有空间，什么物质都不存在，但有我们无法想象的高温和密度，这是一种什么样的状态？

《庄子·天地》篇中有言：“泰初有无，无有无名。一之所起，有一而未形。物得以生，谓之德”。意思是说宇宙的最初只有“无”，没有任何存在，也没有任何名称。“混沌一体”产生了却没有形体。万物因此而生，这就叫“自得”。

（19世纪初天城文《梨俱吠陀》手抄本）

古印度诗集《梨俱吠陀》中有段话跟《庄子》的说法类似，但听起来更令人费解：“无既非有，有亦非有；无空气界，无远天界......由空变有，有复隐藏；热之威力，乃产披一”。意思是说（宇宙）一开始既没有所谓的“不存在”，也没有“存在”，既没有“空间”，也没有空间以外的“天空”。“空”产生了“有”，它是黑暗的，放出大量的热，形成了今天的宇宙。

不论庄子还是古印度的先哲，他们古朴的语言与20世纪30年代的宇宙大爆炸理论（The Big Bang Theory）颇有异曲同工之妙。如果勒梅特读到刚才那两段话，恐怕要产生出一种高山流水觅知音的惺惺相惜之情。

大爆炸理论指出：在大爆炸之后的1秒内，宇宙从不可思议的100万万亿°C（这是神马概念？）下降到100亿°C，经过漫长的38万年后，又下降到2700°C。这是宇宙从暴胀（Inflation theory）到“冷静”下来的第一阶段。这个阶段比较乏味，引力率先被分离出来，其它三种力：电磁力、强力、弱力及组成物质的基本粒子：夸克、质子、中子、电子、光子......也纷纷现身。

38万年之后，宇宙的温度继续下降，这让带正电的质子俘获了带负电的电子的芳心，于是最早的原子便形成了：主要是氢原子和氦原子，那个时候的宇宙还没有星体。

（大爆炸后的宇宙，图片来源见水印）

随后引力开始发威，它将大量放荡不羁爱自由的氢原子和氦原子拉拢到一起，数以亿计的星云便出现了，在重力的作用下它们一边坍缩一边升温，最终导致聚合的氢原子爆炸（参考氢弹爆炸原理），释放的能量冲破引力的阻拦形成了最早一批恒星。这时距离大爆炸已过去了两亿年。

恒星的出现绝对是大事件，因为它能产生新的物质并使生命成为可能。恒星的诞生、演化直至最终又坍缩回一个黑洞，都跟引力脱不了干系，恒星的一生真可谓“成也引力、败也引力”。但在这向死而生的壮烈旅途中，各式各样的新元素却占尽了天时地利的大便宜，例如：组成生命的最基本元素碳、骨骼里的钙和血液里的铁都拜恒星的坍缩所赐。一系列的坍缩产生一系列的新元素：从锂到铁，如法炮制。

那铁之后呢？在元素周期表中排名26位的铁元素有26个质子，而产生含有更多质子的元素需要更高的温度，这就不是普通恒星能搞定的了。它必须自爆为一颗“超新星”，释放出与太阳一生释放的能量总和相媲美的能量，才能创造出更重的元素。钴到铀（含92个质子）都是这么来的。

所以，构成我们世界的化学元素是伴着恒星死亡的剧痛形成的，它们来自已死的恒星并被散布到宇宙空间。没有恒星的坍缩和超新星的爆发，就没有新元素的诞生；没有元素以各种复杂的方式形成化合物，行星就不会形成，你我就不会存在。

一切听上去是那么的不可思议，就像一则难以置信的创世神话：构成我们身体的每一种元素都来自地球之外的茫茫太空。从这个角度上讲：每个人都是从恒星中诞生的，“来自星星的你”并不是什么异想天开，而是事实。

参考资料：

[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

[4]https://iopscience.iop.org/article/10.1086/375492

关键词：元素周期表化学元素太阳光谱