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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）

▼

 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）

▼

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）

▼

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）

▼

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）

▼

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）

▼

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）

▼

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）

▼

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）

▼ 

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

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）

▼  

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）

▼

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）

▼ 

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）

      ▼      

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）

▼

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）

▼ 

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）

▼

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）

▼

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）

▼  

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）

          ▼              

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

（上海，德国艺术家兼摄影师迈克尔·沃尔夫的名为《真实的玩具故事》的装置艺术里，玩具工厂工人的头像几乎淹没于2万个儿童玩具的海洋，图片来源@VCG）

             ▼              

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）

▼   

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 

（这个被沙特阿拉伯向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）

▼

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）

              ▼              

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）

▼

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

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）

▼ 

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

本文创作团队

撰稿：张照

编辑：李张子薇

图片：任炳旭

设计：赵榜

审校：云舞空城，马超，朝澈

文首图片：星系NGC 3783中心的超大质量黑洞，来源@ESO

P.S. 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.