“平凡的世界”构筑在宇宙核合成基础上

在宇宙诞生的极早期阶段，在核聚变反应中产生的化学元素只有氢、氦和少量的锂，这三种化学元素构成了元素周期表中其余元素的基础，从最简单的三个元素发端，所有的更为复杂的物质元素从中产生，在千变万化的“链式反应”过程中，今日宇宙产生了大约100多种化学元素，通过自然方式产生了大部分的物质元素，通过人工方式产生了少部分的物质元素。有数千种同位素元素，它们是100多种化学元素的变形体，大自然从未停止过复杂元素的合成过程。

自然演化史不同于社会发展史，自然演变经历了很长的、甚至远超生命周期的时间，人们才能观察到物质元素和物质形态的变化。自然和社会的运动与人们的愿意、态度无关，运动和变化都是自然和社会不变的主题，永恒的运动和变化或以静悄悄的方式，或以剧烈的方式发生，一部自然和社会的发展史就是运动和变化的历史记录。在难以确定的未来，人们可能发现新的化学元素。

宇宙从开始阶段的三个基本元素扩充到目前阶段的“元素家族”，多种形态元素的形成是目前新物理学研究的前沿领域，也是物理化学的焦点课题之一。亚利桑那州立大学的地球和空间探索学院（SESE）得到了国家科学基金会的支助，地球和空间探索学院下设了原子核天体物理学中心，科学家将总额1140万美元的经费分成几个部分，大约100万美元用于未来5年对化学元素的研究。

SESE的天体物理学家弗朗克·蒂姆斯是亚利桑那州立大学物理学前沿中心的主要科学家，同时担任亚利桑那州立大学高级计算机中心的主任和《天体物理学》杂志的编辑，蒂姆斯的研究方向集中在天体物理学领域，包括了超新星、宇宙化学的进化、天体生物学、高级计算机运算。除了亚利桑那大学设立的元素进化的研究项目，位于兰幸的密西根大学、印第安纳州南班特的诺特丹大学和西雅图的华盛顿大学参与了化学元素的研究。除了蒂姆斯领衔的项目团队，全美有十个科学研究中心，对与物质元素有关的前沿物理学课题展开研究。

蒂姆斯领衔的科学团队致力于在宇宙开始的地方挖掘“金矿”，他们对宇宙时间的追朔达到了137亿年以前，宇宙在大爆炸核合成过程中产生了三种基本的化学元素，实际上在宇宙诞生后的10亿年，人们已知的几乎所有的化学元素已经形成。物质元素的形成遵循了物理化学的原理。除了三种基本的元素，其余的物质元素都在恒星的内部产生，恒星是宇宙的“元素工厂”，从恒星内“呼唤”出了大量的元素，好似资本仿佛从地下呼唤出了大量人口。

恒星在开始阶段获得了三种基本的轻元素，好似资本所有者获得了生产资料，恒星对氢、氦物质元素进行了核合成的加工处理，好似资本所有者对生产资料以资本主义的生产方式进行了加工处理，以获得资本的增值效应。从恒星“元素工厂”炼成了新的元素，其中包括了碳、氮、氧和其它所有的金属元素，越来越复杂的物质成分最终组成了展现在人们眼前的万事万物，不同的物质成分构筑了气象万千的物质世界。

人们大体上了解了化学元素演变的过程，人们的身体由简单和复杂的化学元素组成，但大量的细节有待阐明，人们了解了化学元素和物质演变的基本轮廓，但很难解释宇宙物理学的所有细节信息，好似人们知道了资本主义生产方式遵循的经济学原理，但很难解释所有细节的信息，其中包括技术进步、五花八门的金融产品、眼花缭乱的社会经济和生活的形态。科学家尽可能地描述化学元素进化的所有细节信息，他们将低能原子核天体物理的实验和对恒星实际的天文观测结合起来。

古老恒星和今日恒星有很大的不同，最古老的恒星由轻元素物质构成，它们是三种基本的化学元素，而今日恒星添加了重元素物质，而重元素物质产生于最古老的恒星。晚年的古老恒星会发生爆炸，崩塌的恒星向外抛洒重元素物质，比如：碳和氮，下一代恒星“就地取材”，逐步演变为今日的恒星世界。上一代的古老恒星消失了，下一代的年轻恒星产生了，恒星的生命循环过程持续到了今天，大质量恒星在核聚变和核裂变的过程中制造了越来越多的复杂物质元素。

在恒星内部的核反应过程停止后，大质量恒星抵抗不了自身引力的压缩作用，它们以超新星暴的方式结束了光明灿烂的时光，超新星暴制造了大量的化学元素物质，它们被超新星暴抛射到了太空，形成了下一代恒星的物质材料，在恒星一次次新老交替的循环中，下一代恒星逐渐获得了稳定、更重和更复杂的化学元素。太阳、地球和月球大约在45亿年以前形成，太阳系天体的大多数化学元素在宇宙的极早期并不存在，通过一代代恒星的循环往复得到了新的化学元素物质。

典型的大质量恒星大致上可以存活100万年，太阳大约在宇宙大爆炸后的92亿年形成，设想一下10亿年的恒星进化史，从理论上讲，大约有1000代大质量恒星加入了生命周期的大循环，一颗拥有太阳化学元素成分的恒星，大致需要10000代大质量恒星加入到生命周期的大循环。太阳经历了很多代恒星生命周期的演变。亚利桑那大学地球和空间探索学院的研究人员开发了恒星演变过程的计算机模型，在模型建构中考虑了所有尺寸、质量和化学成分的恒星类型，在生命周期演变的基础上设置了恒星的模型。

经过计算机模型设置的恒星与实际观测的恒星进行一番比较，尽可能使模型设置的恒星与真实观测的恒星保持一致。科学团队遇到了一个十分艰难的理论问题，他们无法精确地理解死亡恒星发生大爆炸的物理过程，只能粗略、概要地理解死亡恒星的爆炸过程，他们没有彻底地理解恒星如何制造更多、更复杂的化学元素。公众的科普知识不同于科学家的专业技能。只有达到对研究对象的精确理解，借助物理、化学和数学的知识，应用高级计算机的模拟技术，以专业化的态度对待专业化的问题。

（编译：2014-9-17）