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为什么氢能没有大量普及(科普氢的史诗上帝之氢)(1)

你要问我这世界上最重要、最传奇的元素是什么。那当然是氢,因为今天的题目就是氢,更是因为在其他元素登场之前,氢便主宰了宇宙的物质世界,它是构成万物的基本元素,是当之无愧的宇宙之王,是名副其实的生命之火。

首先是老生常谈的内容,根据现代科学,宇宙来源自147亿年前一颗密度无限大、温度无限高,同时也是我们目前无法理解的一点。这一点便是时间的源头、空间的起点,也是宇宙亿万故事的源点。而在大爆炸之后,宇宙开始了膨胀与冷却,大爆炸之后0.01秒,温度为1000亿K,0,12秒时,为300亿K,1.1秒时,为100亿K,13.83秒时,为30亿K。可以说宇宙诞生4分钟后,后来所需要的所有基本原料都已出现,而它们发生反应的基本模式,也已经设置完成,一场大戏就此拉开了帷幕。

首先在这台大戏中登场的,便是氢,当时新生的宇宙已经走过了30万年的旅程,温度已经冷却到了大约3000℃,此时,氢原子和氦原子具备了它们的特定形态。或许,在宇宙的前30万年中,我们还不知道它所选择的方向,但随着氢和氦的登场,我们已经可以确定,今天的宇宙,今天这个星光璀璨与生机盎然的宇宙,它的形成已经是不可避免的了。为什么下此定论呢?原因很简单,那就是氢和氦是核聚变的基本元素,同时,氢也是组成水分子的基本元素。当然了这么说可能也有点牵强,但至少听起来还是很爽的。

那么问题就来了,为什么是氢原子在宇宙中首先登场呢?难到它的外号是冯巩么?原因就是,原子在最初开始形成的时候,它可用的成分是十分有限的,总的来看就那么几种,有光子、中微子、电子、质子等基本粒子,同时也有基本粒子的基本合成,比如氘核,也就是一个质子加一个中子,还有α粒子,也就是氦核,两个质子加两个中子。而当宇宙年龄到了30万年的时候,中微子与周边物质隔离了开来,不再参与原子的形成,至于光子,这哥们在生成原子的过程中并不是主要成分,也可以忽略。所以,正是质子、电子、中子和α粒子,参与组成了我们宇宙中最初的原子。

为什么氢能没有大量普及(科普氢的史诗上帝之氢)(2)

α粒子

在这个组合中,质子数大约是α粒子数的11倍,而中子只是零零星星的点缀,所以在原子形成的时候,氢原子核与氦原子核都是现成的,于是便产生了这样的结果,那就是最初产生的原子中,有92%的氢、8%的氦,以及少量的氘。直到今天,虽然将近150亿年已经过去了,但氢和氦依然是整个宇宙中储量最丰富的元素,其中氢占所有元素的90%,而氦占9%。

还有一个问题,既然组成氢原子与氦原子的,只有质子、电子和中子,这哥几个在宇宙诞生时就已经出现了,那么为什么还要等上30万年,才能形成原子呢?原因在于,在此期间,不断下降的温度减慢了质子和电子的运动,速度慢下来之后,电磁力便可以发挥作用了,而正是电磁力将质子与电子结为一体,从而形成了稳定的原子。事实上,在宇宙刚刚诞生的时候,即便是自然界中最强大的力,也就是强相互作用的一种表现形式——核力,也不足以将疯狂运动的质子与中子束缚在一起形成核子。而第一个核子,也就是α粒子,其实是直到宇宙诞生后14秒,体积膨胀到一定程度、温度显著冷却之后才得以形成的。α粒子这么早就形成了,足以见得它的稳定性,相比之下,氘核虽然比α粒子简单,但却不像它那样稳如狗,所以直到宇宙诞生4分钟后,这哥们才得以形成。

之所以如此,背后的原因正是所谓的比结合能,我们知道,组成原子核的核子越多,它的结合能就越高,而结合能与核子数之比,就是比结合能。比结合能越大,原子核中核子结合得就越牢固,原子核也就越稳定,而氦核的比结合能要显著大于氘核的比结合能。至于比氦核更重的原子核之所以没有形成,原因也在于原子核的结合能,这些较重元素的形成,需要很高的结合能,直到第一代恒星出现,它们也才得以在核聚变中诞生。放眼如今的宇宙,每个星系都由恒星和星云组成,而每个星系中的每颗恒星、每个星云,都是由90%的氢原子和9%的氦原子所组成,所以我们可以说,147亿年前,在混沌初开之时,便奠定了如今宇宙闪耀的星光。

妥了,接下来咱也不瞎扯了,直接跳过100多亿年,大约35亿年前,拜氢所赐,在众多围绕恒星运动的行星中,至少有一颗行星上诞生了生命,这颗行星便是地球,当然了在漫长的时光中,地球上的生命也并不知道氢的存在,更不知道氢是什么,直到时间又走过了35亿年。

16世纪初,瑞士炼金术士帕拉塞尔苏斯注意到,酸在腐蚀金属时会产生一种可燃的气态副产品。1671年,罗伯特-波义耳描述了这种气体的性质,1776年,卡文迪许找到了分离氢的方法,并测定了氢的密度。在此之后,拉瓦锡将这一物质命名为氢。从此,人类认识氢、利用氢,并由氢揭开宇宙的奥秘,便拉开了帷幕。

为什么氢能没有大量普及(科普氢的史诗上帝之氢)(3)

帕拉塞尔苏斯

总之我们可以确定的是,某种基本法则确定了氢和氦在这个宇宙中特殊的混合比例,这一法则来源自何时,或许我们永远也不得而知,但幸运的是,不论如何,从宇宙诞生的那一刻起,氢便决定了自己的主导地位,在漫长的宇宙演化中,它从未缺席,更与整个宇宙的命运息息相关。正如天文学家哈洛-沙普利所说:如果上帝用一个词创造了世界,那个词就是氢。请看下集《氢的史诗:普鲁特假说》。

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