在地球大氣中，含量最多的元素是氮和氧。在地球表面上，70%被海水覆蓋，1個(gè)水分子中包含2個(gè)氫原子，這樣看起來(lái)地球上的氫元素非常多。但事實(shí)上，地殼中豐度最高的元素是氧、硅、鋁、鐵和鈣等元素，氫元素位列第10，質(zhì)量占比僅為0.14%。

雖然氫元素在地球上的豐度非常低，但這種元素在整個(gè)宇宙中的含量最高，其質(zhì)量占到了整個(gè)宇宙的75%。那么，為什么宇宙中會(huì)有這么多元素呢？氫元素以及其他元素都是怎么來(lái)的呢？

氫元素的來(lái)源

作為元素周期表中的第1號(hào)元素，氫元素是宇宙中第一種被合成出來(lái)的元素，它們出現(xiàn)在極早期的宇宙中。氫原子核（氕核）中只包含一個(gè)質(zhì)子，也就是說(shuō)，質(zhì)子就是氫原子核。一個(gè)質(zhì)子俘獲一個(gè)電子，可以形成穩(wěn)定的中性原子，這就是氫原子。

在138億年前，宇宙從熾熱致密的奇點(diǎn)中發(fā)生大爆炸而誕生。此后，空間經(jīng)歷了極其短暫的暴脹過(guò)程，宇宙溫度從10^32度的普朗克溫度迅速降低。宇宙開(kāi)始合成出了夸克、膠子和輕子基本粒子，但那時(shí)的溫度高達(dá)數(shù)千萬(wàn)億度，這些基本粒子處于夸克-膠子等離子體的狀態(tài)。

到了宇宙誕生大約1微秒之后，宇宙開(kāi)始了重子產(chǎn)生過(guò)程，夸克在膠子的束縛下合成出了質(zhì)子和中子。理論上，宇宙中最初合成出來(lái)的質(zhì)子和反質(zhì)子數(shù)量應(yīng)該是一樣的。但如果是這樣，正反質(zhì)子就會(huì)完全湮滅成能量，也就不會(huì)有現(xiàn)在充滿(mǎn)物質(zhì)的宇宙。關(guān)于正反物質(zhì)的不平衡，有很多理論解釋，其中包括CP（電荷共軛和宇稱(chēng)）對(duì)稱(chēng)破缺。

不管怎樣，在早期宇宙中，每產(chǎn)生一億零一個(gè)質(zhì)子，對(duì)應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一億個(gè)反質(zhì)子。到了宇宙大爆炸之后100微秒，空間持續(xù)快速膨脹，宇宙的溫度下降到了大約10萬(wàn)億度，反質(zhì)子都被湮滅掉，最終只有質(zhì)子殘留下來(lái)。同樣地，還有中子、電子保留下來(lái)。

在宇宙誕生還不到1秒時(shí)，通過(guò)弱相互作用，質(zhì)子和中子之間相互轉(zhuǎn)化。質(zhì)子不斷與電子結(jié)合產(chǎn)生中子和中微子，中子不斷與正電子結(jié)合產(chǎn)生質(zhì)子和反中微子，質(zhì)子與中子的比例維持在平衡的狀態(tài)。

隨著宇宙溫度的迅速下降，到了宇宙大爆炸之后1秒，宇宙溫度略低于中子-質(zhì)子質(zhì)量差，這些弱相互作用的速度慢于宇宙的膨脹速度，由于質(zhì)子的質(zhì)量更低，這有利于產(chǎn)生質(zhì)子的過(guò)程，導(dǎo)致中子和質(zhì)子的比例下降到1:6，并在此凍結(jié)

自由中子非常不穩(wěn)定，它們很容易發(fā)生β衰變產(chǎn)生質(zhì)子、電子和反中微子。自由中子的半衰期只有10.2分鐘，平均壽命僅14.7分鐘。如果宇宙中沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)讓中子能夠穩(wěn)定地束縛在原子核中，宇宙將會(huì)是純氫。

在宇宙誕生三分鐘之時(shí)，宇宙的溫度下降到了10億度，中子經(jīng)過(guò)衰變之后，中子和質(zhì)子的比例進(jìn)一步下降到1:7。由此啟動(dòng)了原初核合成過(guò)程，宇宙開(kāi)始合成比氕核更重的原子核。

質(zhì)子和中子會(huì)先結(jié)合成氫的同位素——氘核。氘核非常不穩(wěn)定，它們會(huì)與中子或者質(zhì)子碰撞形成氚核（氫的最重同位素）或者氦-3。氚與氦-3也非常不穩(wěn)定，它們分別會(huì)與質(zhì)子和中子發(fā)生碰撞，結(jié)合成穩(wěn)定的氦-4。在原初核合成過(guò)程中，中子幾乎都被束縛到氦原子核中。

氦-4十分穩(wěn)定，它們需要數(shù)萬(wàn)年的時(shí)間才會(huì)有效形成碳原子核。而宇宙溫度下降非常快，原初核合成只能持續(xù)大約17分鐘，所以更重的元素基本上都來(lái)不及合成。

考慮到質(zhì)子和中子數(shù)的比例為7:1，一個(gè)氫核只有一個(gè)質(zhì)子，一個(gè)氦核包含兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，而且質(zhì)子和中子的質(zhì)量非常接近，所以氫與氦的質(zhì)量比為3:1。因此，宇宙中最初的物質(zhì)組成為75%的氫和25%的氦。

其他元素是怎么來(lái)的？

在宇宙大爆炸數(shù)千萬(wàn)年之后，宇宙中的氫和氦通過(guò)引力結(jié)合形成了第一代恒星。在質(zhì)量巨大的恒星中，氫先會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楹?#xff0c;氦又會(huì)通過(guò)3-氦過(guò)程合成出更重的元素，一直到鐵、鎳。數(shù)百萬(wàn)年后，第一代恒星就會(huì)爆炸成超新星，在此期間，通過(guò)中子俘獲過(guò)程可以產(chǎn)生鐵以上的元素，這個(gè)過(guò)程在如今的宇宙中還在持續(xù)。另外，死亡恒星之間的碰撞也會(huì)合成出重元素。

不過(guò)，鋰、鈹和硼的來(lái)源比較特殊，它們不是來(lái)自于與恒星有關(guān)的過(guò)程，而是來(lái)自于高能宇宙射線(xiàn)轟擊重原子核的散裂過(guò)程。

宇宙中的氫元素會(huì)被消耗完嗎？

雖然宇宙中存在著數(shù)以?xún)|計(jì)的恒星，它們?cè)诓粩嗟赝ㄟ^(guò)氫核聚變來(lái)消耗氫元素，但138億年過(guò)去了，被消耗掉的氫元素仍然極少。根據(jù)光譜分析，如今宇宙中的氫元素質(zhì)量占比仍有75%，氫還是宇宙中豐度最高的元素，比氦更重元素的豐度仍然非常低。

宇宙中大部分的氫都是彌漫在星際和星系際空間中，它們很少能夠聚集在一起形成恒星。因此，宇宙中的恒星不會(huì)消耗掉所有的氫元素。事實(shí)上，就連恒星本身都無(wú)法完全消耗掉自身的氫元素，因?yàn)橹挥泻诵膮^(qū)域的氫才能發(fā)生核聚變，大部分的氫還是維持原狀。例如，太陽(yáng)的氫核聚變已經(jīng)持續(xù)了46億年，但氫元素的含量仍然有將近四分之三。

如果要消耗完氫，可能也只有等它們自己消耗掉自己——質(zhì)子衰變。一些大統(tǒng)一理論預(yù)言，質(zhì)子在漫長(zhǎng)時(shí)間跨度下是不穩(wěn)定的，它們最終也會(huì)發(fā)生衰變，形成正電子和伽馬射線(xiàn)。據(jù)估計(jì)，質(zhì)子的半衰期長(zhǎng)達(dá)1萬(wàn)億億億億年。因此，如果質(zhì)子真的能夠發(fā)生衰變，那么，宇宙最終也會(huì)消耗完所有的氫元素。

總結(jié)

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