“有一说一”的宇宙元素从何而来?
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绝大部分的物质元素来自恒星“大熔炉”,在66年前的一次未有期待的发现颠覆了天体物理学家对物质元素来源的看法。在66年前的一次例行观测中,天文学家保罗·梅林将望远镜对准了坐标锁定的天空,望远镜位于加州帕萨迪拉的威尔逊山顶天文台,坚持不懈的观测加上那么一点幸运让梅林收获了发现的喜悦,他在一个遥远恒星发出的光线中发现了元素鍀的信号。
梅林的发现在当时的天文学界引起了不小的轰动,天文学家没有预料这样的发现。鍀不是一个稳定的元素,它被当时的物理学家称之为“人造元素”,在恒星成分中发现一种不稳定的元素,梅林和当时的物理学家都感到十分吃惊,他们当时认为,当恒星形成时,如果有任何鍀元素的出现,那么它们应该转换为不同的其它元素,诸如:钉或钼。如果梅林发现的元素鍀是一种人造元素,那么科学家必须假设在很久以前某位“神明”或“大师”用“巧夺天工”的方法创造了鍀,但是,谁能够在恒星的“炼狱”制成鍀元素,他或她怎样炼制这些罕见的元素?
1952年5月2日,梅林在《科学》杂志报告了他的重要发现,当然没有听信“神明”或“大师”的说法,梅林提出了恒星创造重元素的三种解释,他不仅破解了令人迷惑的观测结果,而且打开一扇重新理解我们宇宙起源的天窗。在人类的科学史上,不是每一项发现都彻底改变了人们对自然世界的看法,但是,梅林的发现简洁而震撼人心,这一发现揭示了宇宙元素起源的新图景,即使在今日核物理的科学研究中,仍然能够听到这一伟大发现产生的“回响”。我们关心的第一个问题:元素来自何处?人们在1950年代的早期还不清楚构成宇宙的元素是怎样产生的,物质元素构成了宇宙的万事万物,也包括我们的身体,当时的一种最常见的看法是所有的元素来自宇宙大爆炸。
第一批替代大爆炸起源说的理论由那个时代的一些著名的科学家提出,例如:获得1967年诺贝尔物理学奖的汉斯·贝特,获得1957年马克斯·普朗克奖杯的卡尔·弗里德里希·冯·魏茨泽克,获得1974年皇家奖杯的弗雷德·霍伊尔,但是,直到保罗·梅林的出现,没有一位科学家提出真正令人信服的元素起源理论。
梅林的发现标志了一个全新科学领域的产生,恒星核合成理论成功地解释了元素的来源,它是研究元素、或更准确地说是原子核在恒星内部怎样通过核合成方式产生的一门学科。在梅林发现的基础上,科学家找到一条准确解释恒星内部核合成元素形成过程的路径,恒星核物理学正确解释了梅林不同寻常的元素鍀的发现。我们关心的第二个问题:在恒星的心脏何以实现原子核的聚变反应?在恒星内部进行的原子核聚变反应从使用最简单、最丰富的氢原子开始,从氢原子合成更重的氦原子,从氦原子和碳原子一路合成到鍀原子和比鍀元素更重的原子。
元素的核合成过程像“一环扣一环”的链条,形成从重元素到更重元素的“链式反应”。在梅林发现鍀的时代,天体物理学家共同协作,提出了四种主要的核合成理论。获得了1988年阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖的玛格丽特·伯贝格在1957年发表了著名的“恒星内的合成元素”论文。获得1999年布鲁斯奖的杰弗里·伯贝格,获得1983年诺贝尔物理学将的威廉·富勒,获得1974年皇家奖杯的弗雷德·霍伊尔共同出版了名称为《B2FH》的专著,这本读物迄今仍是人们了解恒星内部核物理发生过程的参考书。获得2006年汉斯·贝特奖的AL·卡梅伦在1957年通过独立研究发表了题为“恒星内部的核反应和核起源”的研究论文。
科普编译:2018-5-30
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Paul W. Merrill standing at the spectrograph mounted on the 60-inch telescope at Mount Wilson Observatory.
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Fusion reactions happen in different parts of a star. Technetium is created in the shell.
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