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据说宇宙最后所有的元素都会变成铁,这是为什么?
据说宇宙最后所有的元素都会变成铁,那不是老了都变成铁,变成“老铁”。难道老铁真的是并非浪得虚名?
科学的解释是:虽然在所有的元素中,铁56的结合能最大,最稳定,最不容易发生核反应,但铁元素并非宇宙的最终归宿。
一、从宇宙的演化角度来看,铁核恒星多是无法稳定存在的。
1、超大质量恒星演化到后期,当内核的硅聚变成铁(56)积攒到一定程度,往往会发生大规模的爆发,将所有物质向外太空抛洒。包括铁元素在内的一切抛洒物,最终又将为新的恒星作嫁衣裳。
2、超大质量恒星将原子核外的电子压入核内,电子与质子结合成中子,形成中子星。
3、或者恒星质量再足够大,引力塌缩直接形成黑洞。
但中子星和黑洞,均不是以质子数概念的元素形式存在。
二、从“熵增原理”考虑
作为孤立系统的宇宙,终有一天熵值会达到最大化而最终稳定,即宇宙万物最终处于热平衡状态——“热寂”。
那时,夸克、轻子和传播子等基本粒子的混沌态才是宇宙最终归宿。
铁元素,尤其是铁-56是一个最稳定的元素,由此有人推论在很久很久以后,其他相对不稳定的元素都聚变或裂变完全了,最后就只剩下铁-56元素,这是趋势。
宇宙的主要天体是恒星,所有恒星都是由一坨巨大的分子云聚集而成,随着万有引力作用不断的收缩、坍缩,中心温度和压力越来越高,就点燃了中心地核聚变,一颗恒星就生成了。
分子云的主要成分是氢和氦,占据整个比重的99左右,其余元素根据分子云的性质不同略有不同,越是经历过超新星大爆炸次数较多的分子云重元素就更多,但再多也不会超过总比重的2%。
因此所有恒星中心的核聚变都是从轻核聚变开始,根据恒星质量不同,演化的过程就不一样,质量越大的恒星核聚变反应越快,最终核聚变的结果也不一样。
红矮星是质量最小的恒星,氢核聚变进行的很缓慢,终身只能进行氢核聚变,而且寿命特长,有的到宇宙毁灭也还没烧完;像太阳这样的黄矮星氢核聚变完成后,会激发氦核聚变,最终生成碳,引力压力就再也没有能力激发碳核聚变了,膨胀成一个红巨星,外围物质消散后,中心形成一个白矮星。
大于太阳质量8倍以上的恒星,在完成黄矮星类似的演化后,巨大的坍缩压会引发一系列的核聚变,一直到26号元素铁为止。
铁元素是一个异常稳定的元素,核聚变过程不但不产能,还要消耗大量的能量,而恒星演化到这个时候,已经是筋疲力尽苟延残喘了,根本没有能量来激发和维持铁核聚变,就熄火了。
恒星一熄火,中心没有了扩张力抵御巨大的引力压力,外围物质就以接近光速向中心坍缩,遇到铁核就会被反弹,反弹回去的速度达到光速的一半,能量惊人的超新星大爆发就发生了。
在超新星大爆发的超高温超高压下,元素向更重方向聚变,这样整个太空就有了越来越多的重元素。现在已经发现的118种元素,除了宇宙大爆炸初期最早生成的氢和氦,还有极微量的锂,都是在恒星演化和超新星大爆炸后生成的。
这些元素,原子序数小于铁的元素在核聚变总能够释放能量,原始序数大于铁的元素在核裂变时会释放能量。而铁这个软硬不吃的特殊元素,不管是裂变或聚变都需要消耗能量,所以在恒星幻化过程中一旦生成了铁,就是死期到了。
这样铁就成了宇宙中最稳定的元素,没有谁(泛指物质和能量)愿意给他做嫁衣裳。这或许就是一些人认为宇宙中所有元素都最终会变成铁的原因吧。
然而这仅仅是个趋势而已,宇宙不会按照这些聪明人的设定走向直到终结。有人计算过,所有宇宙中的元素都变成铁-56,这个时间要10^100年,而宇宙的寿命很可能会在10^11年就结束,即使能延缓到10^12年,与宇宙全部成铁的年限也差了去了。
现在比较流行的宇宙毁灭方式大致有三个:一是开放热寂或冷寂归宿;二是临界收缩回归奇点归宿;三是膨胀过快时空大撕裂归宿。这几种方式的宇宙终结时间都不会超过1000亿年。有科学家认为宇宙如果膨胀过快发生时空大撕裂,终结时间将不会超过200亿年。
不过这已经不是本问题讨论的范畴了,时空通讯原来已发过这方面的文章,有兴趣可以前往查看。这里只是要说明,宇宙等不到所有元素变成铁早就玩完了。
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答:这个说法是热寂学说中,一种可能的宇宙结局;热寂学说本身存在很大争议,所以关于题目说法,大家当做猜想就行。
热寂学说
我们知道,热力学第二定律也叫做“熵增定律”,公式为ΔS≥ΔQ/T,说的是一个封闭系统的熵,只会随时间增加或者保持不变,这条定律非常无情地指出了时间的不可逆转性。
如果把熵增定律用在整个宇宙模型中,就会得到“热寂学说”,指宇宙经过足够长的时间后,宇宙整体达到热平衡,整体的熵也会达到最大值,此时称之为热寂状态。
质子衰变
如果把量子力学用在热寂学说上,就可以得到题目的观点,其中的关键在于质子衰变问题。
在粒子物理学中,理论上预言质子是可以发生衰变的,只不过质子的半衰期非常长,至少为10^35年,比我们宇宙年龄还要长10亿亿亿倍,所以质子一般都视为稳定。
在1983年,日本制造了一个名为“神冈核子衰变实验”的探测器,探测器置于地下1公里处,探测器内装有5万吨超纯水,水中几乎不含任何杂质,周围上万个光电倍增器,用于捕捉超纯水发生质子衰变的事件。
可是经过多年的探测,质子衰变实验并未获得成功,只是得到了质子的半衰期下限值为10^35年;不过在1987年,探测器意外发现了1987A超新星爆发事件释放的中微子。
此后,“神冈核子衰变实验”更名为“神冈中微子探测器”,主要目标也转变为对中微子的研究,并获得了许多成果,还帮助日本拿下好几个诺贝尔物理学奖。
宇宙的未来
根据热寂学说和量子力学观点,宇宙在足够长的时间后,会因为衰变和量子效应,全部物质的熵将变得最大,甚至黑洞也将蒸发殆尽。
在所有物质中,铁原子是最稳定的,也既是熵最大的物质,那么在热寂学说成立的条件下,如果质子不发生衰变,那么宇宙最后就只剩下铁元素,既是题目所说的观点。
如果质子存在衰变现象,那么铁元素中的质子最后会衰变为轻子(比如电子、中微子等等),而中子会先衰变为质子,再发生质子衰变,这个时间数量级长达10^1500年。
艾伯菌的观点
该问题的讨论意义不大,因为质子衰变、霍金辐射、热寂学说等等,都还没有得到证实;甚至粒子物理学也还存在很多未解决的问题,随便一个猜想错误,都会导致题目观点陷入误区,所以大家也不要太当真了。
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