環(huán)顧四周，放眼世界，你會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是自然存在還是由人類(lèi)的雙手創(chuàng)造，我們世界的事物充滿(mǎn)了復(fù)雜性和多樣性。

所以從古希臘的哲學(xué)家到近代物理學(xué)，人類(lèi)戴上思維的帽子去研究和透視世間萬(wàn)物，從土、水、氣、火，四大元素到原子再到夸克，我們?nèi)祟?lèi)發(fā)現(xiàn)在基本層面上，一切都是由相對(duì)簡(jiǎn)單的基本粒子構(gòu)成的。但基本粒子組合在一起的方式是如此的復(fù)雜和多樣，以至于可能的組合可以產(chǎn)生看似無(wú)限的結(jié)果。今天我們就聊下三種元素：鋰、鈹、硼的身世之謎？大爆炸和恒星聚變都不能產(chǎn)生這三種元素，那我們地球上的鋰、鈹、硼從何而來(lái)？

萬(wàn)物的基本構(gòu)成

在最小尺度上，物質(zhì)主要由夸克和膠子組成，它們占我們這個(gè)世界上所有相互作用的物質(zhì)質(zhì)量的99.96%。但是夸克和膠子不能自由存在，我們目前只發(fā)現(xiàn)它們以?xún)煞N形式結(jié)合在一起形成:質(zhì)子和中子。

雖然單個(gè)自由中子不穩(wěn)定（半衰期大約為10分鐘11秒，衰變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子，并釋放一個(gè)電子和反電子中微子），但我們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子結(jié)合在一起可以形成了大量穩(wěn)定組合，這樣就形成了我們熟知的龐大原子核群體。然后給每個(gè)原子核加入足夠的電子，我們就得到了中性原子。

正是這些中性原子構(gòu)成了我們所熟悉的宇宙中所有物質(zhì)的組成元素。包括從單個(gè)原子到簡(jiǎn)單分子到復(fù)雜大分子和分子鏈的一切，一直到細(xì)胞器、細(xì)胞、特殊器官和整個(gè)功能生物體。

地球上發(fā)現(xiàn)的所有物質(zhì)都是由上圖中相對(duì)較少的元素構(gòu)成的。事實(shí)證明，從元素1(氫)到包括元素92（鈾）在內(nèi)的大部分元素在地球上都是自然存在的，但有兩個(gè)例外:元素43(锝)和元素61(钷)，因?yàn)檫@兩種重元素具有各種形式的放射性，半衰期比地球的年齡要短得多。

宇宙中缺失的鋰、鈹、硼

當(dāng)我們深入太空，深入星際氣體云，深入恒星形成區(qū)域、深入恒星表面和超新星殘骸的中心，我們就能了解在宇宙和星系中元素存在的普遍性。我們發(fā)現(xiàn)，在地殼上發(fā)現(xiàn)的元素并不能很好地反映宇宙中不同元素的真實(shí)豐度，但是我們?cè)谔?yáng)中發(fā)現(xiàn)的元素豐度卻非常接近。我們可以通過(guò)觀察太陽(yáng)的吸收光譜來(lái)判斷，并確定存在哪些元素以及它們的比例。

如果我們繪制出太陽(yáng)系中所有不同元素的豐度圖，我們得到了以下的一個(gè)趨勢(shì)，其中存在一些起伏，但是整體趨勢(shì)呈現(xiàn)出一條曲線(xiàn)，最輕的元素是最豐富，而較重元素的豐度隨著元素周期表越往下走，會(huì)逐漸減少。下圖：

如果你仔細(xì)端詳上圖，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)元素周期表上的三、四、五元素:鋰、鈹和硼的豐度有點(diǎn)詭異，它們的豐度似乎不符合普遍的規(guī)律。這三種元素在太陽(yáng)(或任何恒星)中實(shí)際上很少存在甚至是不存在的，與其他輕元素相比顯得含量很低。

從另一方面來(lái)說(shuō)，鋰和硼對(duì)人類(lèi)有生物作用，硼是所有植物細(xì)胞壁中所必需的元素!這三種元素的起源不同于元素周期表中的其他元素。

宇宙中元素的起源，主要是氫和氦

大爆炸初，宇宙中沒(méi)有元素，只是夸克、膠子、電子、中微子、輻射、不穩(wěn)定粒子和反物質(zhì)的熱混合物。然而，隨著宇宙的膨脹和冷卻，不穩(wěn)定的粒子逐漸衰變，反物質(zhì)與物質(zhì)一起湮滅(當(dāng)時(shí)物質(zhì)只多了十億分之一)，夸克和膠子凝聚成質(zhì)子和中子。這時(shí)宇宙的的溫度還是過(guò)高，質(zhì)子和中子無(wú)法融合，它們剛一發(fā)生作用會(huì)立即被熱輻射炸開(kāi)。下圖：

隨著宇宙的膨脹和冷卻，輻射能量再也無(wú)法阻止原子核的形成，于是宇宙中最輕的元素（氫、氦、一些同位素和少量的鋰）就誕生了。通過(guò)對(duì)宇宙早期元素的直接觀測(cè)，對(duì)原子核光子比的了解(來(lái)自微波背景)，以及對(duì)核合成的理論理解，可以看到這和我們對(duì)宇宙早期元素形成的預(yù)測(cè)非常吻合。

宇宙一開(kāi)始只為我們提供了前兩種元素，那么剩下的元素呢?

剩下的元素都是在恒星的核心完成的，在恒星核心經(jīng)歷核聚變之后，宇宙有138億年的時(shí)間來(lái)創(chuàng)造其他元素。在主序星的核心，氫聚變成氦，如果恒星的質(zhì)量足夠大(太陽(yáng)也是)，氦將繼續(xù)聚變成碳、氮和氧。

在質(zhì)量更大的恒星中，碳可以繼續(xù)融合成較重的元素（氧，硫和硅），最終會(huì)在恒星中留下鐵，鎳和鈷的重元素核心，這時(shí)這顆恒星將在短時(shí)間內(nèi)變成超新星，產(chǎn)生大量更重的元素并將這些物質(zhì)拋灑到宇宙空間中，最終這些物質(zhì)會(huì)在重力作用下形成行星。

隨著時(shí)間的推移，不穩(wěn)定的重元素會(huì)衰變成其他元素，而鈾的半衰期和地球年齡相當(dāng)，這就是為什么鈾是當(dāng)今地球上自然存在的最重元素。

細(xì)心的你肯定發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，在恒星的核聚變中，我們直接說(shuō)從氦到碳，跳過(guò)了三個(gè)中間元素。如果在一顆恒星中放入鋰、鈹或硼，恒星的高壓和高溫會(huì)破壞這些元素，把它們分解成氦、氫，和中子!

那么鋰、鈹、硼從何而來(lái)呢?

它們來(lái)自在宇宙中以接近光速飛行的自然加速粒子:宇宙射線(xiàn)!這些高能質(zhì)子和原子核(偶爾還有電子)是由超新星、活躍的星系、可能還有中子星和黑洞產(chǎn)生。

高能粒子在宇宙中運(yùn)動(dòng)，碰到一個(gè)碳原子或更重的元素時(shí)，高能粒子會(huì)和重元素質(zhì)量核心發(fā)生作用，將重元素核打散，形成很多自由核子或很輕的原子核，這種作用過(guò)程稱(chēng)為散裂。

雖然氫(以及少量鋰)是在大爆炸中產(chǎn)生的，碳和較重的元素是在恒星中產(chǎn)生的，氦也是在恒星中產(chǎn)生的，但所有鈹、硼以及地球上發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)鋰都是在散裂的過(guò)程中產(chǎn)生的，也就是宇宙射線(xiàn)與較重的、已存在的原子發(fā)生碰撞產(chǎn)生的!

所以，下次當(dāng)你觀察一種植物時(shí)，你就能想到這樣一個(gè)過(guò)程:賦予這些植物細(xì)胞獨(dú)特性質(zhì)的硼元素，需要一個(gè)被黑洞、中子星、超新星或遙遠(yuǎn)星系加速的粒子與上一代恒星釋放出的重元素發(fā)生碰撞才能產(chǎn)生！這是一個(gè)跨越了幾十億年的高能物理過(guò)程，一切發(fā)生的就是這么自然、悄無(wú)聲息！

這就是宇宙中稀有的三種輕元素鋰、鈹和硼的身世之謎！