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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 6.国土的起源
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月04日11:19:00 星期天), 站内信件



　　　　　　 6．国土的起源

     
　　　　王国的各个领地都有各自的形成过程。这些领地并非早就存在着的。在
想象的宇宙中，它们像雨水那样从天而降，淌满整个大地。大约150亿年以前，
宇宙刚一形成，一些元素雨转眼间降落下来。当时标志着宇宙开端的大爆炸，也
即大灾变，震撼出时空，属于氢元素的北方近海岛屿从空荡荡的大海中露出，并
在那里存在下来。氢是最先形成的元素。在宇宙肆虐的时刻，它只形成了王国的
一个小小立足点，但就是这个小小的立足点此后竟成为富饶王国的发祥地。

　　几乎这个小岛刚在波涛中出现，北方海角也出现了、在波涛汹涌的最初3分
钟，氢原子之间发生猛烈撞击，原始风暴轰呜咆哮，雨点稠密，原子熔入原子。
碰撞的结果，使王国大陆上的第一块领地，即氦所在的北方海角从波涛中升起。
观察这块富饶地区的风景可以发现，氢所属的近海基地是一根耸入云端的擎天柱，
氦所在的北方海角也是一根拔地而起的立柱，后者的高度为前者的四分之

　　看，王国只是由两根孤零零的柱子支撑着，王国要富起来还有待时日。光阴
一分分，一年年地流逝着，成千上万年过去了，王国依然如故。

　　虽然物质组成保持不变，但宇宙正在发生另外一些事件。既然氢和氦已经形
成，它们虽稀薄但却可辨认，于是发生的事件就可能留下明确的痕迹，留下可记
忆、可遗传的东西。由氢、氦两种元素构成的巨大云团弥漫在当时的太空，虽然
不完全均匀，但在原子与原子间微弱的引力作用下，密度较大的地区（元素）渐
渐形成，并且慢慢地裸露出其他一些元素。宇宙的原始成分不变，但浓缩成块粒，
最后，块粒开始形成结构物，原始块粒的最终（或至少是当今的）后代，就是你
我。

　　早期的结构物逐渐变大，物质与真空空间的区别也日益明显。早期的物质块
粒是不均匀的，在密度较大的巨型云团中，仍存在着一些密度更大的局部地区
（元素）。经过相当长的时期，那些密度大的局部地区逐渐形成星球，而包含星
球的大区域则逐渐形成星系，形成至今仍高悬于我们头顶的太空。在这些事件发
生并形成奇特的团块时，王国北方的那座岛屿及东北海角，依旧孤零零地屹立在
那里，因为当时它们仍然是宇宙中仅有的两种元素。

　　正如后来伴随着技术进步和能量利用而发现大批新元素一样，星球的形成提
供了许多新的机会，王国的一些新地区逐渐出现，从而打破了海面上几乎空荡无
物的局面。新的地区在远处的西北部浮出水面，形成一条由锂到铍向东延伸的北
方海岸线，并横跨至东部矩形地块。于是，氢和氦这一对位于北部和东北部的原
始山峰，不再是孤零零的了。

　　这些新国土的来源，也就是大多数元素的起源，是星云内部扰动的结果。星
球形成时，其中的氢原子重新获得相互撞击的机会，并取得了在距今10亿年前曾
具有的活力。氢原子和氢原子相互撞击，为王国增加了一些氦，使东北海角稍有
升高，而北部属于氢的岛屿略有降低，但这种升降变化几乎难以察觉。这种消蚀
和增高至今仍在继续，一直要进行到星球消亡为止，因为这一核聚变过程中释放
的能量是点亮众星球乃至我们的恒星太阳的燃料。此外，核聚变还产生其他一些
元素。例如，氢与氦结合，使锂从海中浮现；锂和氢撞击，或氦与氦撞击，都可
产生铍。

　　有一些专门术语用来说明元素宇宙丰度的分布情况。反映元素宇宙丰度的地
势是依元素所在位置确定的，为了观察王国的这一高低不平的地势，我们需要从
氢、氦所在的高处开始，向王国其余起伏不定的较低地势扫视。从氢的高度看，
王国的地势几乎始终是由北向下倾斜的平原，随后朝着铁上升，又向下倾斜直到
南部海岸地面。可是当我们踏上锂的领地，缓步向东行进时，地面却极不平坦。
那里起伏明显，锂、铍和硼处于低地，然后地势又朝着碳、氮和氧急剧上升，事
实上，这3种元素在丰度上仅次于氢和氦；再后是稍低一些的山峰——铁。

　　要了解这些情况，了解我们随后在横穿王国的艰难跋涉中将要遇到的地势起
伏，就需要掌握一点点有关原子内部构造的知识。尤其是，我们必须知道，王国
里的卵石并不像正常卵石那样坚实，而是有其内部的结构（见图8）。的确，如
果你从王国任何地方拾起一块卵石，你可能会对它那犹如蛛丝般轻得难以察觉的
重量而感到吃惊。一个原子实际看上去几乎什么也没有。只有超人的眼睛才能看
出蛛丝中心的一个微观尺度的小点。尽管这一小点的体积极其微小，但它几乎决
定了原子的全部质量，这具有质量但体积极其微小的点就是原子核。就我们所知，
原于核是由质子和中子这两种基本粒子组成的，它们紧紧地结合在一起成为坚实
的核心。我们说到原子在星球内部相互撞击，实际上就是指这些极微小的原子核
在碰撞，核聚变就是质子和中于结合，产生出更复杂、更大的原子核，进而形成
一种新元素。因此，我们把周期王国的形成称作“核合成”。


　　图8 原子的内部结构 原子由原子核和环绕原子核的电子云组成。原子核的
直径约为原子直径的十万分之一（比图中表示的要小得多，其相对大小就像足球
场中心的一只苍蝇）。原子核由质子和中子组成

　　在恒星内部发生热骚动时，原子核的稳定性是一个极为重要的问题，因为一
颗脆弱的原子核在第二次碰撞时就有可能破碎，而每秒钟要发生10亿次碰撞。为
了自身的稳固，原子核必须由足够多的质子和中子结合在一起，形成一种特殊的
力（一般称之为强力），借助于这种力，粒子与粒子相互作用。同性电荷之间的
排斥力，可以抵消强力，这是原子核内带正电的质子挤在一起时的一种特性。只
有在足够的不带电的中子提供强力来源，而不致使电排斥力导致原子核分裂时，
原子核才能继续存在。具体地说，只是在有足够的质子和中子互相紧紧地粘合在
一起时，原子核才能在恒星的骚动中保存下来，这多少有些像在暴风雨中的海面
上，一只摇摇晃晃不结实的木筏上的幸存者。实际上，令人惊奇的是，任何原子
核都能完好地保持在恒星之中。铍（其核有4个质子和5 个中子）和硼（其核有5
个质子及5个或6个中子）好不容易才幸存下来，它们在宇宙中含量很少，因为铍
和硼的原子核刚一形成，就有许多被震碎了，我们现在所拥有的铍和硼大部分来
自较大的原子核分裂产生的碎碴。

　　对于我们来说，幸而铍和硼存在下来了，因为在形成碳这位“平凡的国王”
过程中，通过铍和硼进行核合成是必由之路，最终使人类能欣赏王国。其实，碳
原子核还有一些特殊性能，使之能迅速形成。如果不存在这种被称作共振的特殊
性能，就不可能有如此丰富的碳，宇宙中的碳就只能是一点点微不足道的元素，
所以，没有共振，也就没有生命。

　　由于共振，形成大量的碳，使碳的丰度在所有元素中居于第三位。碳的形成，
还为其他元素的核合成打开了大门，并由此发现了王国矩形地块北部海岸的第二
排元素领地，以及地峡上直至铁的一些元素的领地。然而当我们慢慢走过王国这
些地区时，我们就会注意到，虽然这里的地势朝着铁所在的低矮山丘逐渐上升，
但却出现了地势有规律的交替现象。这时，王国显示出其特性和位置之间的另一
种相互关系，高低地势相间出现，交替出现的较高地势区域的元素比介于其中间
的元素更加丰富。例如，在北部海岸，碳、氧和氖是山脊，而氮和氟却是凹陷的
地槽。除了有些地方稍有不同外，这一模式遍及王国各处。王国地势总体来说在
通过铁所在的山丘之后朝着大海向下倾斜，湮没在南面的波涛之中。南方近海岛
屿上也发现了这一模式。那里的地势不是平坦地向下倾斜，而呈锯齿状高低不平。
如果真有亚特兰蒂斯岛，估计它的特征也是这样的。

　　王国地表之所以像沙浪一样起伏，可以从原子核结构的详细情况，特别是从
质子和中子在原子核中堆积的方式来加以说明。如果原子核中的质子与中子都是
偶数，那么就能形成特别稳定的堆积模式，其稳定性一定程度上比相邻元素的原
子核强。

　　到目前为止，上述情况中存在着两个问题。一是在铁之后原子核变得很大，
原子核中的质子和中子相互间不能形成强有力的作用，原子核的稳定性因而减弱。
假使一颗恒星燃烧到最后，只剩下铁的灰渣，那么王国的领土就不可能扩展到地
峡的第一排元素之外；如果铁像我们前述那样是核合成之路的终点，此后不再有
变化过程，则王国领土也只能有现今面积的一小半。第二个问题是，如果在恒星
的制约下，王国领士只有现今面积的一半，那么宇宙中也就几乎不会有生命存在
了。我们需要的是，王国摆脱恒星的制约而存在，这样周期王国能够继续发展，
而且一些偶然的事件能使无机物转变成有机物。

　　核合成的必然结果解决了上述的两个问题。现在，我们对核合成有较为详细
的了解，这对我们来说是有帮助的。当一颗新形成的恒星温度升高到1000万度
（107K）时，它开始进入星球生命的第一阶段。这就是恒星生命周期中氢燃烧阶
段，在这个阶段中氢的原子核聚变成氦。在太阳这颗中年恒星中，每秒钟约有
6000亿千克的氢在经历着这一变化过程。当恒星中的氢消耗掉10％左右时，就发
生收缩，恒星中心部位的温度升高到1亿度以上。同时，由于恒星内部的活动，
恒星外层被中心区域推开，膨胀的恒星变成一颗红巨星。于是，在星球密度很大
温度极高的中心部分开始发生氦燃烧，氦的原子核聚变成铍、碳和氧。这一阶段
一直延续到恒星中心部分的氦消耗殆尽，碳和氧所占比例大致相等时才结束。值
得指出的是，碳和氧的丰度在宇宙中仅次于氢和氦。生命的基本构造单元，在这
一阶段已经形成。

　　氦的燃烧阶段结束时，星球中心内部区域收缩，温度重新上升。在一些质量
足够大（质量至少是太阳的4倍）的恒星里，中心的温度可以升高到10亿度
（109K），碳和氧的燃烧得以开始。这些变化过程的结果是，在极重元素的边缘
部位形成一些元素，包括钠、镁、硅和硫。现在，王国陆地上的一些元素形成了。

　　当恒星中心部分的碳和氧消耗殆尽并富含硅时，便开始了硅的燃烧阶段，硅
转化成硫、氮和其他一些更重的元素。如果恒星通过收缩，能使内部温度升到30
亿度左右，那么恒星便开始了它生命周期中所谓的平衡阶段，铁附近的一些元素
得以形成。铁在所有元素中，其原子核最为稳定。如果一颗恒星能燃烧到生命的
终结，那它就会变成一个铁球。

　　同时，在恒星的外层区域，原子核可能遭遇到中心部分核转化过程中产生的
强大的中子流，这些不带电的中子在核碰撞过程中被原子核俘获，若干个中子可
能积累在某一个原子核中。在中子积累的某一阶段，原子核很不稳定，它甚至会
破裂和爆出一个电子。事实上，中子已经塌缩成为质子，一种新的较重的元素已
经形成。于是，王国逐渐向铁以外区域延伸，直到铀（或超铀），形成了一系列
的元素。

　　恒星从诞生开始到消亡，并不是在平静中燃烧的。恒星燃烧消耗原子核，中
心随之变小并逐渐老化，这个阶段一直继续到燃料耗尽。在此阶段中，恒星的外
层区域会像脱落的屋顶那样倒塌下来，陷入灼热的深渊。外层区域的物质溅落入
恒星核心部分，又反跳出来。恒星可能以这种方式甩脱它的外层，把外层撒落在
宇宙之中。母体恒星的燃烧可能长一些，也可能再次爆炸，直到后来，它把宝贵
的尘埃，即新形成的元素撒向太空。宇宙不再只是充满着由氢和氦构成的原始的
稀薄云团，而是遭到了严重污染。第一次超乎寻常的污染发生后，恒星之外才有
了出现自然景观、生命、技术和能源的可能。

　　还可能有一些其他的恒星形成，不过形成这些恒星的气状物已经被周期王国
中至少一半的元素所污染。这些凝缩而又受到污染的气体云团以它们的方式进行
核燃烧，将周期王国熔炼得像羹汤一样浓稠。经过相当时候，轮到这些恒星以其
典型的爆炸方式消亡。星震发生时，有更多的元素喷溅物和反喷溅物撒进宇宙。

　　当新释放的原子核撒向宇宙时，它们的组成很复杂，这说明它们产生于不同
的方式。不同质量的恒星，其燃烧方式不同。有的不能使氦燃烧，有的不能达到
平衡；有些燃烧得迅速，有些燃烧得缓慢。然而它们有一个共同的特征，就是核
合成机制仅能产生极少量的锂、铍和硼，因为这些轻元素或是在合成中被绕过，
或是它们一经形成很快就消耗掉了。王国这些属于轻元素的地区，在恒星演化的
这一阶段，尚存在于大海之下。可是，核子穿过太空的行程危险重重，因为到处
都是宇宙射线。那是一种飞速运动的粒子流。撞击时有发生，从较重的原子核上
会撞落许多碎屑，这一过程叫作散裂，撞落的碎屑包括锂、铍、硼的原子核。在
远离恒星危险四伏的星际空间，发生着上述变化过程，使王国中较轻元素的地区
逐渐露出海面。

　　至此，王国实际上已完全形成。王国出现在没有生命的大海上，几乎永远保
持不变。王国形成于恒星之中和恒星之间。在想象的周期王国中和我们真实的地
球上，周围的一切元素都曾在遥远的恒星中经受熔炼，而那些久已熄灭的古老恒
星在垂死挣扎中，将元素抛撒在广阔无垠的太空。

　　元素诞生后，摆脱了恒星内部激烈的骚动，过了一段较为平静的日子。它们
在太空中漫无目的地邀游，在碰撞和辐射的作用下，被移动中的气体云携带着运
行，最后，有些元素在云中聚积起来（请注意，王国的历史是如何经常包含云的，
而云后来又获得更具结构的造型）。有一种特殊的云，主要由氢和氦构成，不过
现在已被周期王国中的许多元素污染了，这仅仅是距今四五十亿年前后，即在宇
宙最初变化的100亿年以后的事。尽管变化过程中存在着反收缩为， 但当引力能
够控制粒子把它们吸引在一起时，被污染的云便凝聚起来。经过相当时候，核子
活动突然爆发，氢聚合成氦并释放出能量，照亮了四周的天空。但并不是所有的
被污染尘埃都能凝聚起来。一些关键的残余物仍然围绕着炽热的恒星运动，它们
相互碰撞，粘结成颗粒状物，形成岩石，再形成山脉，最后成为一个个巨大的球
体，环绕着我们的恒星太阳超速飞行。再经过相当的时候，其中的一个球体发展
为被认作是融熔状的行星，它后来成为我们现今一切活动的场所——地球。

　　这里，有关周期王国还要继续讲述的观点是，有两幅描述王国丰度的地势图。
我们已经通过想象，从宇宙的角度观察了王国，看到氢和氦高高耸立在逐渐上升
而后又下降的地面上。现在，我们要变换一下角度，观察以地球上的元素丰度绘
制的地势图。按照这种方式观察，景观大不相同。雄伟的氢和氦的山峰消失了，
它们只处于比地面略高的地方。而铁、氧、硅和镁的山峰高出地面，与它们相伴
的是稍低的硫、镍、钙和铝的山峦。“高山为谷，深谷为陵”，是什么使王国发
生如此的沧桑巨变？

　　虽然地球的形成比恒星元素的形成要和缓得多，但按现在的标准看，仍然是
颇具活力的。尤其是年轻的地球整个处于熔融状态，就像现今地球内部那样，高
温会把易挥发的化合物驱赶出来。气泡中包含的氢元素迅速被驱出，返回到最初
在太空中的藏身之地。氦在化学上属于惰性元素，不可能粘结在其他元素上，必
然同样消失在太空中。因此，除了能与不易挥发物结合而被固定下来的氢外，氢
和氦的山峰完全气化掉了，留给我们的只是一些低地。事实上，早期地球上氦已
消失得一点不剩了，只是由于镭、铀这些重元素的放射性衰变，不断产生氦，氦
才没有从视野中完全消失。

　　尽管仍有热辐射，王国中能形成化合物的元素还是在地球上存在下来了。特
别是硅和北面的氧及西邻铝，正是因为它们的存在，才得以形成硅酸盐类化合物
和硅酸铝类化合物，这就是我们脚下的岩石。这些轻元素浮在铁、镍等密度较大
的元素上面，而铁、镍等则沉降到一定深度，在那里隐伏下来。有些元素与硫结
成了不明智的联盟，所谓不明智是因为硫的许多化合物容易挥发，并因此而从沸
腾的地球中被驱赶出来。反映王国元素宇宙丰度的地势，随各地区形成的化合物
的挥发性大小而上升、下降，王国现今的地势与把宇宙视为一个整体所观察到的
地势有很大差别。

　　我们对远古和近代的王国有了一点认识，对现代的王国也作了较广泛的了解，
那么，未来的王国是什么样的呢？它是永恒的，还是会沉入大海的波涛之中呢？
有一个良机，就是有朝一日人们将会发现亚特兰蒂斯岛，这将是一项智慧的成就，
但也许不会有什么重大的实际意义。这一目标可能在几年内实现，至多不过几百
年。说到遥远未来的周期王国，更为令人感兴趣的是，将来有一天所有的恒星都
消亡了，而我们的描述又会回到茫茫太空。情况可能是（但不一定是）这样：在
遥远的未来，即从现在起的大约10100 年以后，所有的物质都会衰变成放射物，
王国将潜入大海的波涛之中。我们可以根据铁的稳定性想象这一过程。当所有的
元素都衰变成惰性的和低能量的状态后，王国的山峰和溪谷也随之逐渐消失，铁
的山丘将有所升高。只要这一物质不衰变成放射物，王国就将保持着孤零零的山
峰状，只有铁凸出在一无所存的大海之上。然而铁也要衰变，经过相当时候，铁
也要沉入波涛，于是王国也随之消失。

　　可以设想，我们的一切成就统统留给了放射性物质，因此可能有这样一个时
代，那时人们将追忆起我们的雄心壮志，并为我们这些前人的存在而竖起一座纪
念碑。我们关于先前王国的资料和知识也会遗留下来，或许被埋藏于放射物之下。
然而也可以想象，在一个更为遥远的时代，由于宇宙不断膨胀，所有的放射物都
将伸展成为平面，我们这些前人的痕迹不复存在。那时，宇宙只不过成为宁静而
平坦的时空，连一个王国的智慧实体都没有。那时，王国真正地淹没于波涛，往
日的一切，包括与往昔有关的记忆和知识都荡然无存。





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