在宇宙演化的探索歷程中，天文學(xué)家曾面臨一個(gè)關(guān)鍵瓶頸：恒星通過核聚變只能生成比鐵更輕的元素，一旦核聚變抵達(dá)鐵元素階段便會(huì)終止。

可現(xiàn)實(shí)中，地球乃至宇宙中存在著大量金、銀、鉑等比鐵更重的元素，這些重元素究竟從何而來？隨著研究的不斷深入，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，重元素的誕生與宇宙漫長而壯闊的演化進(jìn)程緊密相連，背后藏著一系列精彩的宇宙事件。

按照現(xiàn)代主流的宇宙大爆炸理論，我們的宇宙誕生于 138 億年前的一場驚天大爆炸。在大爆炸初期，宇宙處于極致高溫的狀態(tài)，溫度之高遠(yuǎn)超我們的想象。

隨著時(shí)間的推移，宇宙開始不斷膨脹，溫度也隨之逐漸降低。當(dāng)溫度下降到特定程度時(shí)，高能光子就有一定幾率相互碰撞，產(chǎn)生出一對對正反粒子。

從理論上講，這些正反粒子最終都會(huì)相互湮滅，重新轉(zhuǎn)化為高能電磁波。但實(shí)際情況卻并非如此，大約每十億對正反粒子發(fā)生湮滅時(shí)，就會(huì)有一個(gè)正粒子幸運(yùn)地保留下來。正是這些保留下來的正物質(zhì)粒子，逐漸聚集形成了我們?nèi)缃袼熘奈镔|(zhì)宇宙。

隨著宇宙溫度的進(jìn)一步下降，一些基本粒子開始結(jié)合，形成了宇宙中最初的元素 —— 氫，以及少量的氦。這兩種元素是宇宙中最輕的元素，它們在當(dāng)時(shí)宇宙中的占比超過了 99%?；蛟S有人會(huì)疑惑，難道在那個(gè)時(shí)期就無法形成比氫和氦更重的元素嗎？其實(shí)并非完全不能，只是那些重元素極不穩(wěn)定，形成之后很快就會(huì)發(fā)生裂變，重新變回氫和氦原子。

那么，那些我們?nèi)缃癯Ｒ姷母氐脑?，到底是如何在宇宙中出現(xiàn)的呢？簡單來說，答案就兩個(gè)字：恒星。恒星就如同宇宙中的 “煉丹爐”，在其漫長的演化過程中，不斷煉制出各種更重的元素。

恒星的演化過程，本質(zhì)上是星際云在引力的作用下不斷聚集的過程。星際云物質(zhì)的持續(xù)聚集，使得恒星的質(zhì)量不斷增加，引力也隨之逐漸增強(qiáng)。而引力的增強(qiáng)又會(huì)導(dǎo)致恒星核心的溫度不斷升高，當(dāng)核心溫度達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)引發(fā)劇烈的核聚變反應(yīng)。

以我們太陽系中的太陽為例，太陽核心的溫度高達(dá) 1500 萬度。

在這樣的高溫環(huán)境下，核心區(qū)域的物質(zhì)形態(tài)并非我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷臍鈶B(tài)、液態(tài)或固態(tài)，而是呈現(xiàn)出第四種物質(zhì)形態(tài) —— 等離子態(tài)。這種狀態(tài)下的物質(zhì)，就像是一鍋?zhàn)杂杀寂艿?“粒子湯”，原子核、電子、光子等粒子在其中雜亂無章地運(yùn)動(dòng)。

可能有人會(huì)覺得 1500 萬度的溫度已經(jīng)非常高了，但實(shí)際上，僅僅依靠這樣的溫度，還不足以讓太陽核心發(fā)生核聚變反應(yīng)。根據(jù)科學(xué)研究，要引發(fā)氫聚變成氦的核聚變反應(yīng)，大約需要一億度的高溫。這就產(chǎn)生了一個(gè)看似矛盾的問題：既然太陽核心溫度未達(dá)到核聚變所需的一億度，那太陽為何還能持續(xù)不斷地進(jìn)行核聚變呢？

其實(shí)，這個(gè)看似矛盾的現(xiàn)象，在微觀世界中能找到合理的解釋，這就涉及到了量子力學(xué)中的一個(gè)神奇現(xiàn)象 —— 量子隧穿效應(yīng)。

那么，這個(gè)效應(yīng)具體是什么意思呢？通俗來講，就是對于那些需要一定能量才能發(fā)生的反應(yīng)，即便參與反應(yīng)的粒子能量不足，在微觀世界中，這些反應(yīng)也有一定的概率能夠發(fā)生。

具體到太陽核心的情況，雖然核心處的自由粒子沒有足夠的能量來啟動(dòng)核聚變反應(yīng)，但在量子隧穿效應(yīng)的作用下，它們?nèi)匀挥幸欢ǜ怕拾l(fā)生核聚變。

不過，需要說明的是，這種概率非常低。量子隧穿效應(yīng)表明，微觀粒子可以在極短的時(shí)間內(nèi)獲取極高的能量，這種現(xiàn)象在宏觀世界中是難以想象的，但在微觀世界里卻是真實(shí)存在的，它也是量子力學(xué)中能量與時(shí)間不確定性原理的具體體現(xiàn)。

或許有人會(huì)擔(dān)心，既然量子隧穿效應(yīng)讓微觀粒子發(fā)生核聚變的概率這么低，那太陽的核聚變反應(yīng)怎么能持續(xù)進(jìn)行呢？其實(shí)，雖然單個(gè)微觀粒子通過量子隧穿效應(yīng)發(fā)生核聚變的概率不大，但太陽的質(zhì)量無比巨大，其內(nèi)部的微觀粒子數(shù)量多得不計(jì)其數(shù)。所以，即便單個(gè)粒子發(fā)生反應(yīng)的概率再低，在龐大的粒子數(shù)量加持下，最終通過量子隧穿效應(yīng)發(fā)生核聚變的粒子絕對數(shù)量依然十分龐大，這就保證了太陽能夠持續(xù)不斷地進(jìn)行核聚變反應(yīng)。

然而，“太陽質(zhì)量很大” 也是相對而言的。太陽的質(zhì)量雖然足以引發(fā)核聚變反應(yīng)，但并不足以讓核聚變一直持續(xù)下去，生成更多更重的元素。隨著太陽內(nèi)部核燃料的不斷消耗，核聚變的規(guī)模會(huì)逐漸降低。當(dāng)氫元素消耗殆盡后，氦元素會(huì)繼續(xù)參與核聚變反應(yīng)，聚變成更重的元素，比如碳、氧等。

如果氦元素也消耗完了，接下來參與核聚變的就會(huì)是碳、氧、硅等元素，這個(gè)過程會(huì)一直持續(xù)，直到生成鐵元素。但要想讓核聚變反應(yīng)一直進(jìn)行到生成鐵元素，需要恒星具備極大的質(zhì)量，很顯然，太陽的質(zhì)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

鐵元素在恒星核聚變過程中是一個(gè)重要的分水嶺，這背后有著深刻的科學(xué)原因。鐵元素是宇宙中最穩(wěn)定的元素，之所以說它穩(wěn)定，是因?yàn)殍F的比結(jié)合能最高。比結(jié)合能指的是將原子核拆分成單個(gè)核子所需的能量，或者將單個(gè)核子結(jié)合成原子核所釋放的能量。鐵的比結(jié)合能最高，意味著要把鐵原子核拆開，或者用其他原子聚合成鐵元素，都需要消耗極高的能量，其難度也是最大的。

具體來說，對于比鐵更輕的元素，它們在發(fā)生核聚變反應(yīng)時(shí)，都會(huì)釋放出能量，這也是恒星能夠持續(xù)發(fā)光發(fā)熱的原因。雖然從理論上講，鐵原子核也可以發(fā)生核聚變反應(yīng)，但這個(gè)過程需要消耗巨大的能量，而且消耗的能量比反應(yīng)產(chǎn)生的能量還要多，屬于一個(gè)能量凈消耗的過程。

這也就解釋了為什么我們會(huì)說 “恒星核聚變到鐵元素就死亡了”。我們通常所說的恒星，其核心特征就是能夠通過核聚變反應(yīng)釋放能量，從而維持自身的穩(wěn)定并向外輻射能量。而當(dāng)恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)進(jìn)行到鐵元素階段后，不僅不能再釋放能量，反而還需要吸收大量能量，此時(shí)的天體已經(jīng)不再符合我們對恒星的定義，所以說恒星在這個(gè)階段就 “死亡” 了。

不過，從理論層面來看，只要能夠提供足夠的能量支持，恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)在達(dá)到鐵元素階段后，仍舊有可能繼續(xù)進(jìn)行下去，生成比鐵更重的元素。但要讓鐵元素發(fā)生核聚變反應(yīng)，所需的能量是超乎想象的，只有宇宙中那些極其猛烈的大事件，才能滿足這樣苛刻的能量條件。而在宇宙中，主要有兩種這樣的大事件能夠催生重元素的形成。

第一種是超新星爆發(fā)。當(dāng)一顆恒星的質(zhì)量超過太陽質(zhì)量 8 倍以上時(shí)，在它走向生命終點(diǎn)的過程中，就有可能發(fā)生超新星爆發(fā)。這種爆發(fā)所釋放出的能量極其驚人，在短短幾秒鐘內(nèi)釋放出的能量，就可以達(dá)到太陽在其整個(gè)生命周期中釋放能量總和的上億倍！如此巨大的能量，足以打破鐵元素的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，促使鐵元素繼續(xù)發(fā)生核聚變反應(yīng)，從而形成金、銀、鉑等各種重金屬元素。

第二種是中子星碰撞。當(dāng)恒星走向死亡后，通常會(huì)留下一個(gè)致密的內(nèi)核。

以我們的太陽為例，當(dāng)它生命走到盡頭時(shí)，會(huì)留下一顆致密的白矮星。而如果恒星內(nèi)核的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的 1.44 倍，那么在強(qiáng)大的引力作用下，這個(gè)內(nèi)核就會(huì)坍縮形成中子星；要是內(nèi)核質(zhì)量達(dá)到太陽質(zhì)量的 3 倍左右，就會(huì)進(jìn)一步坍縮成為黑洞。

中子星是宇宙中僅次于黑洞的致密天體，它們通常會(huì)成對出現(xiàn)，圍繞著彼此的中心旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩顆中子星在旋轉(zhuǎn)過程中相互靠近并發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)釋放出極其巨大的能量，這種能量同樣能夠滿足重元素形成的需求，促使各種更重的元素在這個(gè)過程中被聚變出來。

這就是宇宙中重元素的由來，整個(gè)過程充分展現(xiàn)了宇宙的神奇與壯麗。如今我們生活的地球上，各種重金屬元素隨處可見，就連我們?nèi)粘Ｉ钪信宕鞯狞S金首飾，其歷史都至少有 46 億年以上，甚至比太陽的歷史還要悠久。這是因?yàn)楹芏嘀亟饘僭囟际窃诘谝淮己阈撬劳龊?，通過超新星爆發(fā)或中子星碰撞等過程產(chǎn)生的，而我們的太陽已經(jīng)是宇宙中的第三代恒星了。這些重元素在宇宙中歷經(jīng)漫長的漂泊，最終成為了構(gòu)建地球乃至太陽系各類天體的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也為生命的誕生和演化提供了必要的條件。