本文授權轉載自星球研究所（ID：xingqiuyanjiusuo）。
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我們的世界
極其 復雜
夜空中
萬億顆恒星
熊熊燃燒
（沃爾夫·拉葉星 ，圖片來源@ ESA/Hubble & NASA）
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藍天下
千萬種不同的生靈
生機勃勃
（泰國灣，鯨魚和海鳥，圖片來源@VCG）
▼
大地上
70億人類
生生死死、來來往往
（城市街道，攝影師@魏宏）
▼
然而
我們的世界
也極其 簡單
因為無論形態如何多樣
組成物質世界的材料
不外乎118種元素
它們創造于宇宙的洪荒時代
也見證了宇宙的繁榮擴張
它們是
宇宙諸子
01
宇宙的創造
大約 138億年前
我們已知的宇宙
在一場大爆炸中誕生
在1億 億億億分之一秒內
就增大了100億億億億億億倍
極速的膨脹
導致跳崖式降溫
純粹的能量開始凝結
組成物質的微觀顆粒
在能量的海洋中浮現出來
帶有一個正電荷的 質子
帶有一個負電荷的 電子
和不帶電荷的 中子
成了組成原子的單元
（原子結構示意圖，以碳原子為例，制圖@趙榜/星球研究所）
▼
所有質子數量相同的原子
被統稱為一種 元素
緊跟著質子的出現
僅擁有 1個質子的
第1號元素
氫
也誕生了
由于結構簡單
它在宇宙中無處不在
直到今天
仍占整個宇宙元素數量的
92%
緊接著
在大爆炸產生的高溫高壓下
質子與中子相互結合
形成更重的原子核
重原子核進一步聚合
形成新的元素
這種因原子核聚合
而發生的變化
被稱為
核聚變
（氫原子核聚變為氦原子核的過程，制圖@趙榜/星球研究所）
▼
當質子因核聚變
而結合在一起
第2號元素
氦
便形成了
這個過程釋放出能量
此外
最初的核聚變
還創造了極少量
擁有 3個質子的
鋰
在創造了最初的 幾種元素后
由于溫度和壓力的降低
聚變難以為繼
因此早期的宇宙中
氫和 氦占比高達
99.9%
它們組成彌漫的原子云霧
宇宙黯淡、冰冷又無聊
但很快
有趣的情況發生了
大爆炸產生了微小的不對稱
使得宇宙中某些地方的原子云霧
比其它地方更濃稠一些
在引力的作用下
物質開始向這些地方聚集
組成巨大的云團
（鷹狀星云的冷氫氣云，圖片來源@NASA）
▼
云團內的物質越聚越多
核心溫度升高至
1500萬℃
氫元素的聚變
再次開啟
光與熱得到釋放
一顆 恒星誕生了
（從星云到一顆恒星的形成過程示意，制圖@趙榜/星球研究所）
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緊接著是另一顆、又一顆...
數以億計的恒星
相繼在黑暗的云團中綻放
（在恒星形成區，來自恒星們的星風正在吹出一個巨型氣體空腔，圖片來源@Glenn Research Center）
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直到宇宙被璀璨星光點亮
仿佛一片光芒之海
（NGC 4833球狀星團，圖片來源@NASA）
▼
它們聚集在一起
成為了
星系
（仙女座星系，圖片來源@Adam Evans）
▼
星系聚集在一起
組成龐大的 星系群
以及更加龐大的 星系團
（Abell370的星系團，其中包含數百個因引力相互吸引而結合在一起的星系，圖片來源@NASA）
▼
由氫元素創造的恒星世界
點亮了整個宇宙
而在恒星的內部
新元素的創造
正在醞釀之中
02
恒星的創造
在恒星的核心
引力造成物質的收縮
使氫源源不斷地聚變為 氦
穩定地生產著光和熱
這是恒星的 青年時代
我們的太陽
如今正是處在這一時期
但恒星核心的氫原料
終將消耗殆盡
彼時
氦的聚變將開始
三個 氦原子聚合在一起
成為了一種嶄新的元素
碳
聚變導致恒星的外層急劇擴張
使其膨脹為一顆
紅巨星
（搏動的紅色巨星 Chi Cygni，圖片來源@Wikimedia Commons）
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成為紅巨星后
恒星的生命也將迎來轉折
當核心中的氦也逐漸消耗殆盡
溫度提升至
6億℃
碳聚變開始
形成了
氧
此時
質量 小于8個太陽的
小質量恒星
生命就此完結
其外層煙消云散
只剩一個由碳和氧組成的內核
這個內核溫度極高
發出白熱的光芒
這就是
白矮星
（白矮星LSPM J0207 + 3331，已知最古老、最冷的白矮星，圖片來源@NASA）
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質量在 8-10個太陽之間的
中等質量恒星
可以生成比氧更重的元素
氖
但依舊無法抵抗
成為白矮星的命運
只有質量 超過10個太陽的
大質量恒星
才能突破宿命
（Wolf-Rayet star R136a1，已知質量最大的恒星，圖中左下方的紅色小點，是為了對比而加上去的太陽，面對這顆特超大質量恒星，太陽只是一粒微塵，圖片來源@ Wikimedia Commons）
▼
在它的核心
溫度已達到驚人的
20億℃
高溫高壓之下
聚變的鏈條一發不可收拾
鎂、硅、磷、硫
氯、氬、鉀、鈣
等元素相繼出現
又輪番成為下一輪聚變的燃料
大質量恒星在生命的末期
成為一顆 超級紅巨星
它用一生創造的所有元素
層層將自己包裹
仿佛在做最后的告別
（紅巨星階段后期的恒星，內部發生分層，制圖@趙榜/星球研究所）
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此時恒星核心的溫度
已高達
30-50億℃
硅元素聚變
生成了恒星聚變所能創造的
最重的兩種元素
26號元素
鐵
和28號元素
鎳
鐵
將“殺死”它的創造者
因為鐵原子核
具有極高的 穩定性
恒星內部的高溫高壓
也無法推動其聚變
當聚變停滯
萬有引力就重新掌握了主動權
中心物質不斷地被壓緊、再壓緊
直到電子被硬生生壓進了原子核
恒星的核心瞬間坍塌
外層的物質高速墜落
引發內爆
這就是
超新星爆發
（v838mon紅巨星爆發為超新星過程示意，圖片來源@NASA）
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爆發產生的巨大力量
將原有的原子核打碎并重組
形成比鐵更重的90多種元素
銅、鋅、金
鉑、鈾、釷
......
超新星爆發
將這些重元素拋向宇宙
形成一片絢麗的星云
大質量恒星的一生就此結束
宇宙的一角重歸寂寞
（蟹狀星云，圖片來源@NASA）
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然而
一切并非如看上去那般冷清
爆炸產生的 引力漣漪
在星云之中蕩開
物質又在聚集、騷動
很快
新的恒星
將從前代的遺跡中誕生
“ 星云-恒星-超新星-星云”
這樣的輪回
將再次上演
（NGC 2070中的大恒星形成區，圖片來源@NASA）
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不同的是
這次有了豐富的 重元素作為原料
一些特殊的天體即將形成
03
行星的創造
經過數次輪回
在銀河系的一個角落
太陽
誕生了
（太陽，圖片來源@NASA）
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它獨占了星云中 99.8%的質量
剩余的氣體、塵埃和顆粒
圍繞它形成了一個圓盤
在引力的作用下
相互碰撞并粘附在一起
逐漸從1毫米長到1000千米
這就是
星子
（恒星維加周圍的小行星帶，僅做示意，圖片來源@NASA）
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星子碰撞聚集
一種新的天體
行星
形成了
（太陽系行星形成過程示意，制圖@趙榜/星球研究所）
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其中距太陽較遠的
吸收了剩余的 氫和 氦
形成 氣態巨行星：
木星、土星、天王星、海王星
（土星與地球的大小對比，圖片來源@NASA）
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而距離太陽較近的地方
太陽風將氣體吹散
留下僅占初始星云質量
0.6%
的 重元素
組成個頭較小的固體巖石行星：
水星、金星、地球、火星
（地球，圖片來源@NASA）
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但正是由于這0.6%的重元素
作為巖石行星之一的
地球
才如此與眾不同
地球形成之初
是一個熾熱的巖漿球
物質翻滾流動
鐵、 鎳等較重的元素
下沉到地球中心形成地核
地核創造了籠罩整個星球的 磁場
像一個無形的保護層一樣
使地球免受 太陽風的傷害
（極光是太陽風受地球磁場影響，與地球大氣層作用而形成，圖片來源@NASA）
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而 氧、硅、鎂、鋁
等較輕的元素
則上浮到外層
構成了地幔和地殼
（地球圈層結構，制圖@趙榜/星球研究所）
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隨著地球的降溫
地殼的外層冷卻凝固
形成了堅硬的巖石
（夏威夷火山國家公園，圖片來源@VCG）
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地幔灼熱的巖石
則繼續緩緩流動
拖著地殼分分合合
形成連綿的山脈
和深邃的峽谷
（從奮進號航天飛機上看到的安第斯山脈，圖片來源@NASA）
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巖漿溶解的氣體也釋放出來
氮氣、二氧化碳和水等
組成了
大氣層
（美國東北部海岸線上的颶風，圖片來源@NASA）
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溫度降低
大氣中的水迅速凝結
以 暴雨的形式落回到地面
這場暴雨持續了 數百萬年之久
直到液態水覆蓋了 70%以上的地表
形成了
海洋
（加勒比海與大西洋，圖片來源@NASA）
▼
海洋的深處
在地底熱量的烘烤下
碳、氫、氧、氮、磷
等元素相互作用
形成多種 有機大分子
這些分子開始利用能量
開始復制自身
開始將自己與外界環境隔開
它們組成了一個
細胞
（纖毛蟲吞食硅藻，圖片來源@Deuterostome）
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更多的細胞聚在一起
共謀生路
它們分工合作
有的負責捕獵
有的負責消化
出現了原始的 組織和 器官
（水母屬于腔腸動物，是較早出現的多細胞動物的后代，圖片來源@VCG）
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在外界環境的影響下
多細胞群體的樣貌
開始變得千差萬別
它們有的 占領海洋
（南加利福尼亞海洋中的魚群，圖片來源@VCG）
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有的 登上陸地
（非洲納米比亞艾托沙國家公園中的動物，圖片來源@VCG）
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有的 飛上天空
（美國南部巴斯克阿帕契國家野生動物保護區內的鳥，圖片來源@VCG）
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有的雖靜默無言
卻學會了利用太陽的能量
將大氣中的 二氧化碳
轉化為身體的一部分
同時釋放出大量 氧氣
改變地球的大氣層
（毛里求斯的森林，圖片來源@VCG）
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經過 40億年的演化
一個復雜的 生物圈形成
一個特殊的物種
即將登場
04
人的創造
這個物種就是
人類
與無數生命一樣
他們由碳、氫、氧、氮、磷等元素組成
但人類的特殊之處在于
他們學會了利用元素
并在此基礎上
一次又一次
改變著世界的面貌
當人類的祖先
還處在茹毛飲血的階段時
就已經發現
硅與其它元素結合形成的 巖石
質地脆而堅硬
他們將其打造成捕獵的工具
人類由此進入
石器時代
（美洲石器時代的克洛維斯矛尖，圖片來源@ Wikimedia Commons）
▼
當巖石風化
其中的一些成為了黏土
與水混合后可塑性極強
經過火燒后又變得堅硬且隔水
這就是
陶器
（山東，大汶口文化晚期的陶器，圖片來源@Wikimedia Commons）
▼
人類對火的掌握
也逐漸演變出新的用途
熔煉金屬
銅的性質穩定，熔點較低
因此成了最早被冶煉的金屬
后人在銅里加入 錫
使其成為強度更高的青銅
青銅被用于祭祀、戰爭
這就是人類的
青銅時代
（三星堆青銅器，圖片來源@VCG）
▼
很快
青銅又被另一種
強度和韌性更高的金屬取代
這就是 鐵
從武器、禮器和交通工具
到農具和日常用品無不有鐵的身影
人類進入了
鐵器時代
（日本18世紀的護甲，由 鐵、皮革、鍍金銅、絲綢等材料制成，圖片來源@Wikimedia Commons）
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隨著冶鐵技術的提升
人們發現控制生鐵中的碳
會讓成品更加堅韌
這就是
鋼
（大連特殊鋼公司第一煉鋼廠工人們正在熱火朝天忙生產，圖片來源@VCG）
▼
來自遠古植物的 碳
經過數十至數百萬年的埋藏
轉變為
煤
沉睡在地下
在18-19世紀
開始被歐亞大陸西端的人類
大規模挖掘
它作為一種重要的燃料
點亮了工業革命的曙光
（紅山煤礦及運煤車，攝影師@張波）
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煤燃燒的熊熊烈火
將水燒成蒸汽
推動著鋼鐵制造的機器巨獸
徹底改變了人們的生產方式
人類進入了
工業時代
（遼寧沈陽調兵山礦區鐵路上的蒸汽機車，攝影師@ 房星州）
▼
但地層中的 碳元素
還有另一種存在形式
石油
如今它流淌在幾乎每一臺發動機中
成為工業的黑色血液
（哈薩克斯坦北布扎奇油田，采出的原油被裝入油罐列車運往海港，圖片來源@VCG）
▼
石油的作用還不止于此
它含有豐富而多樣的 有機分子長鏈
這些分子被分解、再合成
成為了
塑料
這種可塑性和多樣性極高的材料
被人類使用到極致
▼
除此之外
富集在大氣中的 氮元素
被大批量地用于制作
化肥
徹底改變了
人類延續千年的農業傳統
（江西省吉安市泰和縣水槎鄉畬族村，畬族村民正在田間施肥勞作，圖片來源@VCG）
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地殼中含量第二位的元素
硅
憑借獨特的導電性能
成為了芯片的基礎
以此為基礎發展起來的計算機
將人類帶入了
信息時代
（這個被沙特阿拉伯授予了國籍的機器人，能通過臉部和頸部的62個肌肉結構來表達自我，它使用的AI技術會分析正在進行的對話，推斷信息，圖片來源@VCG）
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宇宙大爆炸產生的微量元素
鋰
被制成了輕便可靠的
鋰電池
創造了一個
移動電子設備的世界
（浙江省長興縣，一家公司自主研發生產的一輛輛純電動汽車，圖片來源@VCG）
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環顧四周
我們已被自己的創造包圍
100多種元素
構筑起一個物質的世界
另一方面
我們也掌握了毀滅的力量
在 超新星爆發中誕生的重元素
鈾和 钚
擁有極其不穩定的大原子核
它們會自發地分裂成較小的原子
同時釋放出能量
這一過程被稱為
核裂變
而當裂變的過程如雪崩一般
連續不斷地發生時
其釋放的巨大能量
就成了毀滅世界的武器
原子彈
（原子彈爆炸過程，圖片來源@Wikimedia Commons）
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而如果
將 氫原子聚合在一起
模擬恒星的 聚變過程
釋放出的能量將更為驚人
這就是
氫彈
（氫彈爆炸過程，圖片來源@United States Department of Energy）
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所幸
對核能的利用
逐漸走上正軌
成為日常電力的來源之一
（中國西部首座核電站——廣西防城港核電2號機組首爐核燃料裝載完成，圖片來源@VCG）
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除了利用已有的元素
人類還通過更極端的手段
將原子核打碎重組
探究物質結構的終極秘密
產生地球上不存在的新元素
（美國費米加速器國家實驗室的粒子加速器，圖片來源@Department of Energy from United States）
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這些元素構筑了這個龐雜的世界
而這一切的一切都源于
138億年前的那場 宇宙大爆炸
我們都來自星塵
當宇宙視角被開啟
從更高的維度去觀察這個世界
我們才清晰地認識到
人類在宇宙中所處的位置
才能以全新的視角去看待自我
認識宇宙
也就是認識人類自己
當我們對世界的探索愈發深入
我們就越深刻地發現
這是一個充滿不確定的世界
舊的元素碰撞出新的可能
生命形態在演變中無序迭代
即使現存的認知是否也有別的可能？
人類覺醒于未知
也終將走向自己的未來
（一件退役的俄羅斯太空服，被人類“故意”從國際空間站拋出，成為一顆獨特的人造衛星，被稱為“Suitsat 1號”，圖片來源@NASA）
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在這不斷探索的過程中
我們也劃出自我的軌跡
正如星星 在宇宙中劃出的 星軌
其實
星辰一直與我們同在
組成我們軀體的 氫
來自宇宙大爆炸
隨血液流淌的 鐵
曾是某顆恒星的核心
攜帶著遺傳信息的 氮和 磷
也曾在原始的大氣與海洋中游蕩
（人體元素組成，比例按照各元素原子數量計算，制圖@趙榜/星球研究所）
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我們的肉體終將消逝
還有所有的生命形式
所有的山川與湖海
地球、太陽、整個星系
都將化為塵埃
但這一切
也將以另一種形式繼續存在
直到宇宙的盡頭
它們就是元素
是 宇宙諸子
本文主要參考文獻：
[1]柴之芳. 從宇宙大爆炸談起[M]. 湖南教育出版社, 2012.
[2]尼爾·泰森. 140億年宇宙演化全史[M]. 北京聯合出版公司, 2019.
[3]唐曉東等. 宇宙中元素的起源[J]. 物理, 2019.
[4]陳豐等. 太陽系行星系統的形成和演化[J]. 礦物巖石地球化學通報, 2010.
[5]汪品先等. 地球系統與演變[M]. 科學出版社, 2018.
?本文選自星球研究所（ID：xingqiuyanjiusuo），一群國家地理控，專注于探索極致風光。灼見經授權發布。
?? 都9012年了，到底什么樣的科普，既有趣又靠譜？
