有時候
有時候
我會相信一切有盡頭
相聚離開
都有時候
沒有什么會永垂不朽
——王菲《紅豆》
鐵：自然界的終止符
黑暗統(tǒng)治著虛空。
無盡的虛空之中，散布著稀薄的氣體與細(xì)微的塵埃。由于物質(zhì)總有互相聚集的傾向，逐漸地，氣體與塵埃慢慢地聚集成團(tuán)。而更大的質(zhì)量又擁有更大的吸引力，于是物質(zhì)越來越密集。最后，物質(zhì)的中心擁擠不堪，壓力極大。組成物質(zhì)的微小粒子在中心區(qū)域發(fā)了狂似的運動，旋轉(zhuǎn)、碰撞，最終合二為一，迸發(fā)出無與倫比的能量。能量帶來的耀眼光芒劃破了無邊的黑暗與寂靜。至此，一顆恒星誕生。
恒星自誕生之日起便熊熊燃燒，從不休止。它燃燒力量的源泉來自組成它的基本粒子：質(zhì)子與中子。無數(shù)質(zhì)子與中子以難以想象的高速碰撞在一起，突破了庫倫斥力，依靠強(qiáng)相互作用力緊緊結(jié)合在一起，形成了以兩個質(zhì)子、兩個中子為單位結(jié)合在一起的更大粒子，同時向外迸發(fā)出巨大的能量。質(zhì)子，我們另一個更熟悉的名稱叫氫；氫合成的新粒子，叫氦——氦元素從此誕生。
這向內(nèi)坍縮的趨勢，與向外迸發(fā)的能量，終于在某個時刻達(dá)到平衡。于是，物質(zhì)不再往內(nèi)塌陷，恒星進(jìn)入了平穩(wěn)期。連同恒星一起生成的還有行星?，F(xiàn)在，逐漸成熟下來的恒星平穩(wěn)地散發(fā)著光和熱，滋養(yǎng)著它的行星孩子們。行星們沐浴著恒星的光輝，圍繞著恒星旋轉(zhuǎn)，日復(fù)一日，年復(fù)一年，也許直到永久。
太陽系
然而一切都會有盡頭。盡管溫馨的時光延續(xù)了很久，但終于有一日，命運的鐘聲響起：It's time to end（結(jié)束的時候到了）。這時，已經(jīng)燃燒了很多億年的恒星，它的燃料已經(jīng)接近耗盡。就像白發(fā)蒼蒼的老爺爺，只有在心里知道，自己走路的腳步一天比一天慢，說話的力氣一天比一天小，也許不用多久就會離去。只是行星卻不太會感受它內(nèi)部的變化，就像可愛的小孫子看爺爺一樣，看到的永遠(yuǎn)是慈愛健康。
很快地，氫燃料燃燒的力量抵抗不了向內(nèi)坍縮的力量。恒星收縮了。中心區(qū)域的物質(zhì)也越聚越密，溫度也越來越高。此時在外層，還有未消耗完畢的氫繼續(xù)在燃燒。這時候恒星分成了兩層，中心是一個氦核，外殼是氫燃燒。
隨著氫燃燒蔓延到外殼，燃燒的爆發(fā)出的能量超過了引力。恒星表面向外的力量急劇增加，外層迅速膨脹。它開始變成一個龐然大物，而且溫度還在不斷增加。它膨脹的速度比溫度增長更快，使得表面溫度的略略降低——因此變得越來越紅。最后，恒星失去了和藹慈祥的面龐。取而代之的是一副血紅而猙獰的面孔。恒星現(xiàn)在成為了變異的怪獸，越變越巨大，一個一個地，接連吞噬了自己的行星。
紅巨星
隨著中心區(qū)域的越來越熱，氫燃燒的產(chǎn)物——氦也開始以更瘋狂的速度碰撞起來。這種比氫大四倍的大粒子（注1）必須要以更高的速度碰撞，才能產(chǎn)生像氫合成氦這樣的反應(yīng)。然而隨著坍縮的進(jìn)一步發(fā)展，形成了更高的溫度和更巨大的壓力。最后，氦燃燒的條件達(dá)到了。
氦原子帶著巨大無比的速度瘋狂地相互碰撞，兩倍于氫的電荷數(shù)的它們再次沖破庫倫力的阻擋，闖進(jìn)強(qiáng)力的范圍，結(jié)結(jié)實實的被強(qiáng)力擁緊在一起。三個這樣的氦原子（注2）結(jié)合在一起，合成了新的粒子碳——碳元素誕生。
氦燃燒時溫度升速極快，最后達(dá)到的溫度更是難以想象之高：一億至二億度。恒星的中心現(xiàn)在已是一個恐怖的煉獄場。不僅如此，比起氫聚變，氦聚變反應(yīng)的速率更快。恒星已經(jīng)失控。能量在極短時間釋放出來，使得恒星在幾秒鐘之內(nèi)釋出的能量超過正常恒星的一百萬倍。這個過程，叫做氦閃。
劉慈欣《流浪地球》：
……太陽的演化已向主星序外偏移，氦元素的聚變將在很短的時間內(nèi)傳遍整個太陽內(nèi)部，由此產(chǎn)生一次叫氦閃的劇烈爆炸，之后，太陽將變?yōu)橐活w巨大但暗淡的紅巨星，它膨脹到如此之大，地球?qū)⒃谔杻?nèi)部運行！
至此，主星序、紅巨星與氦閃交代完畢，流浪星球的災(zāi)難解讀告一段落。
讓我們回到恒星。
這時候恒星內(nèi)部異常復(fù)雜。內(nèi)層是氦在燃燒，外層是氫在燃燒，中心還有一個碳核。此時的恒星極不穩(wěn)定，時而膨脹，時而收縮，一會兒變大，一會兒變小。越來越多的氦燃燒成碳。經(jīng)過幾輪這樣的反復(fù)，外層燃燒的猛烈力量終于沖破引力的束縛。這時，恒星把所有的外層物質(zhì)拋射到太空中，只剩下中心的一個碳核（注3）。
在氦燃燒完畢之后，我們的太陽再也沒有足夠的質(zhì)量讓剩下的碳再燃燒起來了。內(nèi)塌的力量迫使碳原子緊緊地壓縮在一起，原子們依靠電子簡并力來抵抗進(jìn)一步坍塌。這個核心密度極大，大得難以想象（注4）。
但值得慶幸的是——如果這也算一種幸運的話——現(xiàn)在恒星終于穩(wěn)定下來了。小小的星體，高高的溫度，發(fā)著耀眼的白光。由于再也沒有能量的支持，隨著時間的流逝，核心慢慢變冷，慢慢變暗。最終，消失不見。
于是，黑暗重新統(tǒng)治虛空。
這就是我們太陽的結(jié)局。
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然而故事還沒結(jié)束。
當(dāng)恒星的質(zhì)量達(dá)到太陽質(zhì)量4倍的時候，它巨大的質(zhì)量就能越過碳的門檻。演化至此，它還能引發(fā)碳的燃燒。碳聚變反應(yīng)的溫度更高，反應(yīng)的速率更快。碳燃燒之后形成的新元素就是氧——氧元素誕生。
當(dāng)恒星的質(zhì)量達(dá)到太陽質(zhì)量8到10倍時，它還能引發(fā)氧的燃燒，形成新元素氖。更大質(zhì)量的恒星會循環(huán)往復(fù)這個過程，依次生成鎂、硅……等一系列更重的元素。最后直到鐵為止，這個反應(yīng)“鏈條”才停止。
此時，恒星就像洋蔥一樣，不同的元素在不同的層殼燃燒，一層接一層，直到形成了中心的鐵核。在鐵核，聚變反應(yīng)就停止了。
洋蔥星
自然界在鐵這個地方設(shè)置了一道門限。從輕核聚變到更重的核一直是釋放能量。但鐵的比結(jié)合能最高。這使得鐵聚變不但不能釋放能量，而且需要注入能量。鐵的平均核子質(zhì)量最低，無論聚變與裂變，都產(chǎn)生不了能量。
這就好比山谷一樣。如果有兩股水流分別從兩邊的高處的懸崖往低處流，總有一天它們會相遇在最低的地方，這個地方就是谷底。在谷底，無論水從哪邊流都無法流到比它更低的地方。核反應(yīng)的鏈條也一樣。聚變的一頭是從氫開始，裂變的一頭是從鈾開始。兩頭都能釋放能量。既然兩頭都釋放能量，那中間肯定會有一個元素，能量達(dá)到最低。自然界選擇了鐵。
這就是鐵不同于其他元素的特別意義。
從我們賴以生存的氧，到有機(jī)物的基礎(chǔ)氫、碳、氮、磷；從我們離不開的微量元素鈉、鉀、鎂、錳，到常用的工業(yè)原料鋁、鈦、硅、硫……這一切的一切都是從宇宙的恒星中生產(chǎn)而來——以死亡的方式，而且還不止一次。第一代的恒星死亡時候，拋灑出一些略重的元素，成為下一代恒星的原料。下一代恒星死亡的時候，拋灑出更重的元素，再成為更新一代恒星的原料。
恒星以湮滅來獲取進(jìn)化，以死亡去換來新生。所以，當(dāng)你凝望夜空星辰的時候，請不要忘記，我們骨骼中凝聚的鈣，血液中流淌的鐵，以至到我們本身，我們的整個世界，都是星星送給我們的禮物。這是美麗的夜空童話，也是絢麗的宇宙之歌。
這是美麗的夜空童話，也是絢麗的宇宙之歌
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感謝各位一路的陪伴。我們的路程也差不多到終點，可能再越過一個山頭就結(jié)束了。在山腳的小旅館，有前人留下的一張紙條，那上面寫著一個問題：既然自然界把終止符設(shè)定在鐵這里，那鐵之后的元素，又是如何產(chǎn)生的呢？
鐵在元素周期表中的位置
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這種比氫大四倍的大粒子（注1）必須要以更高的速度碰撞，才能產(chǎn)生像氫合成氦這樣的反應(yīng)。
注1：恒星中氫氦聚變的反應(yīng)過程實際上要復(fù)雜一些：
兩個質(zhì)子首先結(jié)合，然后釋放出一個正電子，變成氚；
再和一個質(zhì)子結(jié)合，變成氦3；
兩個氦3原子結(jié)合，釋放出兩個質(zhì)子，變成穩(wěn)定的氦4，也就是α粒子。
三個這樣的氦原子（注2）結(jié)合在一起，合成了新的粒子碳——碳元素誕生。
注2：氦原子的下一步聚變應(yīng)該是原子序數(shù)為4的鈹（Be）。可是鈹原子極不穩(wěn)定，它會在10^(-19)秒內(nèi)又變回兩個氦原子。可是如果在這個瞬間內(nèi)剛好又有一個氦原子參與進(jìn)來，則三個氦原子可以直接聚變成穩(wěn)定的碳6。這就是著名的三α反應(yīng)。這個發(fā)現(xiàn)得感謝天才的天體物理學(xué)家弗雷德·霍伊爾（Sir Fred Hoyle）。
三α反應(yīng)就是氦閃。氦閃很猛，當(dāng)它發(fā)生時，太陽質(zhì)量的40％，將在幾分鐘內(nèi)通過三α轉(zhuǎn)化為碳。
這時，恒星把所有的外層物質(zhì)拋射到太空中，只剩下中心的一個碳核（注3）。
注3：太陽不是第一代恒星。它的內(nèi)部實際進(jìn)行的熱核反應(yīng)是碳氮氧（CNO）循環(huán)。因此在它生命的最終留下的不止是碳，而是碳和氧。太陽最終會形成碳氧白矮星。碳氮氧循環(huán)是我們賴以生存的氮的唯一生產(chǎn)途徑。
在氦燃燒完畢之后，我們的太陽再也沒有足夠的質(zhì)量讓剩下的碳再燃燒起來了。內(nèi)塌的力量迫使碳原子緊緊地壓縮在一起，原子們依靠電子簡并力來抵抗進(jìn)一步坍塌。這個核心密度極大，大得難以想象（注4）。
注4：這時形成的就是白矮星。科學(xué)家估計太陽形成的白矮星密度大致是1.4x10^11kg/m^3。我打個形象的比喻，這個白矮星一個乒乓球大小的物質(zhì)等同于20架空客A380客機(jī)的重量。
空客A380
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最后的彩蛋——感謝您還讀能到這里。送上碳之后的核反應(yīng)彩圖：
還有單位核子結(jié)合能圖：
下期見。
