诗意的原子（精装珍藏版）：8种联结你和宇宙万物的无形元素

作者简介

科特·施塔格（Curt Stager），科学家，科普作家。生于1956年，杜克大学生物学与地质学博士，自1987年开始担任保罗·史密斯学院自然科学教授。这所学院坐落在纽约北部的阿迪朗达克山脉，他喜欢在这里弹奏班卓琴、吉他和进行野外滑雪。同时，他在美国国家公共广播电台主持一档科学栏目：《自然选择》（Natural Selections）。

内容简介

来自恒星的遗产 宇宙学家列举了我们每个人体内的元素可能的几种起源过程，除了氢是在宇宙大爆炸之后不久凝聚而成的，其他所有的元素都跟恒星衰亡有关。例如在Ia型超新星中，一颗恒星从相邻的伴星那里吸取物质，在超过极限后发生爆炸。在II型“核心坍缩”超新星中，质量数倍于太阳的恒星因燃料耗尽而自行坍缩，随后爆炸。还有一种情形，质量非常巨大的恒星会发射物质与反物质颗粒，两者接触时会发生湮灭，最终的归宿则是“不稳定对超新星”。如今，这类景象可以通过哈勃或斯皮策这些空间望远镜直接或间接观测到，也可在地面天文台观测到。 体内有铁的存在表明，你的原子祖先可以追溯到爆炸的恒星，而今天可以看到的超新星与星云，可以让你知道这些恒星摇篮早期的模样。蟹状星云便是其中之一，那激荡的气体与尘埃云，与我们太阳系形成前的状态颇为相似。在望远镜下，它看上去好像只是一团毫不出奇的烟雾，但实际上，它是一场横跨万亿英里的灰烬风暴，曾经属于一颗质量相当于8～16个太阳的恒星。尽管核心坍缩爆炸在7000多年前创造了这一切，但如今我们看到的星云仍然在剧烈燃烧，并且以大约每秒1000英里（1609千米）的速度膨胀。对发光的点、线条与尘雾进行光谱分析后发现，星云中含有的物质主要是氢，还有铁和其他一些元素。通过从地球上最冷的地点采集到的新数据，我们现在可以提供更多证据，以支持蟹状星云与银河最热的位置之一——公元1054年那颗将光芒传送6500光年后抵达地球的垂死客星——之间的联系。 2001年，日本科研团队在南极冰川钻取了一根冰芯。在大约48米深度的区间，他们发现氮氧化物的浓度有一次突跃，时间正好对应公元1054年；在更下层的位置，还有一次突跃对应在公元1006年，也就是另一个客星出现的年份。不久后，堪萨斯大学的科学家也发表报告称，对格陵兰岛的冰芯进行的研究也发现了类似的结果。最可能引起这种全球性同步脉冲的原因，应该就是超新星辐射出的宇宙射线将空气中的氮气分子氧化，随后又沉积到了地球上。 这便是论证“客星就是超新星”的确凿证据，现在它们的编号已是SN1006和SN1054。如今你仍然可以在蟹状星云看到SN1054的烟云。 很多证据都表明，太阳与地球的发祥地位于蟹状星云的左侧，在猎户座腰带上悬挂的那把剑上。那把剑中间的“星星”实际上是很多颗恒星，飘浮在一团由恒星射线与超新星爆炸构建的星云中。围绕这些恒星的烟雾，主要是氢和氦，其中夹杂了一些粉末状的冰以及含铁矿石碎片。最新的研究发现这些恒星中最年轻的还不足100万年，用宇宙的视角看，这不过是眨眼之间，并且有些恒星还在孕育过程中。 恒星通常是在这样的公共育儿所里出生，这也是很合理的，因为大多数恒星形成所需要的原材料都已在此处聚集。那么，哪里才是我们自己的家园所在地？我们的太阳独一无二，这似乎很怪异。半人马座的比邻星是距离我们最近的邻居之一，位于4光年外。如果乘着每小时行进约4万英里的“旅行者一号”空间探测器去造访它，大约需要8万年。一些学者认为，在诞生后不久，也许因为很久以前某个巨大恒星经过时造成的引力回流，年轻的太阳便从发源地被甩了出来。 在猎户座星云内部那些发光的气体与尘埃中，也存在着一些破碎的条纹。它们是灾难性爆炸中产生的超音速抛射物划过的轨迹，这些抛射物就像是装了发光火帽的子弹，但体积却有太阳系的数倍大小。对于宇宙学家而言，这种元素的存在就好比是在凶杀现场的火药痕迹，因为铁就是毁灭恒星的凶手。 产生这些条纹的星体肯定要比太阳大得多，但它的寿命相对较短，大约也就是几千万年，因为超巨星消耗很快。它和SN1054以及产生太阳系的母体一样，应该都是死于“铁中毒”。这些结论都可以根据我们目前已知的星体核聚变方式推断出来。 当恒星刚刚产生之时，它将氢核聚合成氦核，按照爱因斯坦所描述的方式，释放出巨大能量。我们的太阳也在持续不断发生着核聚变，每一秒钟都会将数百万吨的物质转化为热量、可见光以及其他形式的能量。下一次当你暼见太阳时，试着把它想象成一颗星星，不必管它是一颗大到足够装得下100万个地球的中等尺寸恒星。太阳表面的温度大约有5500摄氏度，而内核的温度则将近1400万摄氏度。所以，即便太阳距离我们很远，远到光都要跑上8分钟才能抵达地球，但它仍然可以灼伤我们的眼睛和裸露的皮肤。想象一下这些能量的源头是何等残酷的地狱，原子在那里又遭受了何等的虐待。火焰般的氢核主导着核聚变，这可以追溯到宇宙形成之初，但它们在太阳核心咝咝作响的这段时间可能是它们存在史上最有压力的时期。这台大熔炉产生的光和热，从某种意义上讲，就是原子受尽折磨时发出的呼喊，只不过其形式是电磁波。 宇宙学家对我们太阳系形成前的细节尚有争议，我们也不可能知道所有答案。但是地球上富含铁元素的事实，可以在那些合理的争议中肯定其中一部分细节。至少曾经有一颗核心坍缩超新星，用它自己毁灭时留下的残骸，为我们太阳系的诞生播下了火种。 这颗远古超新星的起源是一颗恒星，在它制造新元素以前的数百万年里，一直进行着氢氦聚变。质子与中子聚集成更大的核，于是在恒星的中心位置，逐渐形成了较重的核，而较轻的元素像洋葱一样，一层层地包裹在外。 在这一进程的早期，当星体核心的温度飙升至数百万摄氏度时，碳核开始形成，并持续数个世纪。在这颗恒星最终死亡之后，这些原子大多数聚集成微型的钻石与小颗粒的石墨，再后来就成了钻石与铅笔的原料，以及你头发、肌肉和细胞膜中的碳框架。 在星核的外围，氦与碳发生聚变，并产生大量氧核，现在它们以水的形式存在于你的体内，或是以氧气的形式被你吸到肺里。在涉及碳和氧的核聚变循环中也形成了氮，它们中的一部分现在是谷物的肥料，还有一些则以其特有的方式进入你的基因和蛋白质里。当星核的温度达到10亿摄氏度时，过热的氧核就会结合到一起产生硅，如今在你脚下的岩石地壳，便主要由它们构成。 几周后，硅核在接近星体中心的位置聚集，你身体中含有的其他大部分元素都会在俄罗斯套娃一般的分层中产生。你骨骼中的钙和磷、你汗水中的钠和氯、你神经中的钾，大部分都出自这样一个熔炉。同时，等离子体与凝聚态原子形成巨大旋涡，从火球的表面逃离，向数百万英里外的太空散射气体与尘埃。 当发展到多层聚合这一步时，形成新元素时产生的聚变热量，仍然足以支持恒星持续燃烧，恒星不会因自重而坍缩。然而随着原子核越来越大，能量的平衡便会因重力而被打破。 带正电的质子会互相排斥，除非有一股力量让它们强烈碰撞并结合在一起。这种核力比重力要强上万亿倍，但只能在极短的距离内起作用，而且在原子核变大了的时候，质子相互之间的斥力会对核力产生明显抵消作用。因为这些对立的因素，过大的铁核发生聚变时就难以产生足够的热量以支撑起星体。 要理解原子核内这两种力量间的竞争，可以想象一下将一块巨石推到陡峭的山顶之上，就像希腊神话中的西西弗斯那样。你需要用尽全部力量把石头推到坡顶，可等你到了那里时，重力就会从你手中将石头夺走，远远地将它滚到另一端。这个突然向前的动作还有你肌肉的张力释放，很像是星体中心核聚变能量的爆发。但是，如果你准备最后一推时，脚底突然打滑会怎样呢？你就得原地守住你的位置，而对石头而言，它并不会区别哪面山坡的下面是终点。更糟糕的是，如果地面太滑，石头会压过你向下滚去。当孕育太阳系的那颗恒星开始熔铸镍核时，其内部便会出现类似的不稳定态，铁核会迅速产生，越过了这一临界点后，随之而来的后果便是灾难性的。 ★「未读·探索家」畅销科普产品精装重版，《无言的宇宙》《迷人的材料》姊妹篇。 ★用天马行空的科学联想，将你和世界相连：从你赖以生存的空气、食物、水和阳光，到你脚踏的岩石土地和仰望的日月星辰，组成万物的原子与组成你的原子毫无二致——氧、氢、铁、碳、钠、氮、钙、磷8种元素，给你多一双眼睛审视自然，审视自己。 ★刷新生命观的浪漫科普，每个人都是宇宙用原子写成的诗：你的一部分原子来自宇宙射线，也终将回归宇宙；在原子的世界里，你的肉体永不孤独，你的能量不曾消失；任何物质都不会永恒，但你却一直都在。 ★初中理科水平轻松看懂，探秘原子在万物中的流转：你血中的铁与超新星爆炸有什么关系？你呼出的二氧化碳会变成树的一部分？你肌肉中的氮会让天空呈现蓝色？…… ★杜克大学生物学与地质学博士、保罗·史密斯学院自然科学教授，30年科普心血之作。