2-1 元素的誕生I
歡迎回到我的《從大爆炸到暗能量》課程。正如我在上一講中所強調的那樣，在過去一個世紀左右的時間裡，我們已經了解了大量有關宇宙的資訊。我們想要解決關於宇宙的許多基本問題，就像一個小孩子仰望天空，對宇宙的美麗感到敬畏和印象深刻。所以很自然地我們都喜歡問諸如宇宙是如何開始的問題？它的命運是什麼？它是由什麼製成的？
其基本法則是什麼？而且，我們為什麼存在？在這個宇宙中，我們是如何存在的？所有這些問題現在都進入了實際科學研究領域。
因此我們提出了有關我們周圍事物的問題。事實上，有白天和黑夜、四個季節、行星的運動等等。最終，一路回到宇宙之初，當時宇宙只有38萬年的歷史。這是一個真正的嬰兒宇宙，發出瞭如此多的光，我們仍然可以觀察到那個炎熱的宇宙。今天依然如此。但我們甚至希望超越這一點。所以當我們問這個問題時，我們是如何存在的？當然，我們需要了解我們的材料來自哪裡。我們是由原子組成的。那麼原子又是從哪裡來的呢？在宇宙誕生之初，連原子都不存在。這是一碗又熱又濃的基本粒子湯。原子其實並不存在。所以我們需要提出關於化學元素誕生的問題。元素從哪裡來？
或者事實證明，這個問題與您最近可能聽說過的事情有關。去年七月，在瑞士和法國邊境的大型強子對撞機實驗中發現了希格斯玻色子。因此，我們需要詢問原子核是如何形成的，以及它是在宇宙誕生三分鐘時發生的。希格斯玻色子是如何形成的，原子是如何誕生的，這與宇宙的時間有關，當時宇宙的年齡只有萬億分之一秒。
因此，透過研究化學元素和原子的起源，我們將回到甚至更接近大爆炸本身的開始。那麼這就是今天的主題。
所以，第二講是元素的誕生和希格斯玻色子。所以前半部是關於元素的誕生。
這是一張古怪的舊電視的圖片，你們中的許多人可能一生中都沒有見過這樣的電視。但無論物體是什麼，如果你把它切成更小的碎片，最終你就會得到原子。我們周圍的一切都是由原子組成的，你知道的。原子是由電子和原子核組成的。所以它有點像太陽系，所有行星都圍繞著太陽旋轉。原子中的電子圍繞原子核旋轉。這就是你已經知道的原子結構。
原子核可以進一步分成更小的碎片。即，不帶電荷的中子和帶正電的質子。如果你仔細觀察，你會發現中子和質子也不是基本物體，它們是由更小的夸克碎片組成的。中子和質子內部都有三個夸克，稍後我們會簡單討論一下，但現在你不必太擔心。
當我們談論起源時，關於化學元素的要點是，一旦你知道原子核內質子的數量，你就知道你在談論什麼化學元素。因此，您將中子和質子粘合在一起以構建原子核，而質子的數量是確定該原子元素性質的關鍵。這樣我們就看到了一張熟悉的桌子，我相信您在科學教室的牆上見過它。這就是化學元素週期表。 [咳嗽]這個元素表的問題是，那裡有太多的元素，超過 100 個，而我們的，你知道，所有的環境都是由大約 90 個元素組成的，你需要所有的元素這些東西來解釋我們今天在周圍看到的所有物體。但事實證明，在宇宙誕生之初，大爆炸時，它們只是氫和氦。氫就在這裡，它的原子核只由一個質子組成，除此之外別無他求。還有氦，由兩個質子和兩個中子組成。它們是大爆炸後唯一存在的化學元素。但我們的身體裡還有很多其他元素。我們需要碳、氮、氧。例如，甚至一直到鐵。我們實際上需要所有這些元素來組成我們的身體。所以，這是很自然的問題。當大爆炸本身只產生氫和氦時，所有這些元素是如何誕生的。這就是你的問題。那麼，較小的元素是如何形成較大的元素的呢？
2-2 元素的誕生II
因此，在我們討論所有這些化學元素從何而來之前，也許我們應該問一個更基本的問題。所以我們在學校學到一切都是由原子組成的。但我們怎麼知道呢？例如，考慮一顆恆星，甚至我們的太陽。沒有人去過太陽，採集樣本，然後回來，對吧？我們怎麼知道太陽是由原子組成的？從某種意義上說，這實際上是我們科學進步的重大發現之一，我們有充分的證據表明整個宇宙中的所有恆星都是由原子組成的。一個非常重要的工具就是光譜學。
你可能在學校做過這個小實驗，如果你拿一塊叫做棱鏡的玻璃。它是一種三角形的玻璃，如果讓光線穿過它，它就會將不同的顏色分開，形成類似彩虹的條紋。
如果您使用更先進的設備，那麼您可以更精確地做到這一點。你可以讓來自太陽的光通過這個設備，例如所謂的分級，然後你可以將光從紅色一直分離到紫色。而且，這裡的這張圖片實際上應該是一個單獨的條帶，但它不適合這張投影片，所以我把它切成很多塊，然後像這樣排列它們。因此，這實際上是來自太陽的單一連續顏色光譜。
如果你看這張照片，我希望你注意到一件奇怪的事情：缺少一些顏色，對吧？您看到這些黑線，這意味著這些顏色在陽光下不知何故消失了。那麼那裡發生了什麼事？如果您仔細觀察這些缺失的顏色，您實際上可以將它們識別為您在實驗室中研究的東西。例如，如果你進入隧道，你可能會經歷這樣一個事實：你的身體突然看起來像一具死屍。這是因為許多隧道中使用的光都是基於鈉的。它們被稱為鈉燈。那裡發生了什麼，在燈或燈的玻璃內部，我們有鈉氣體，鈉會發出非常特殊顏色的光。它們總是黃色的。
對於給定的化學元素，您確切地知道該化學元素會發出什麼顏色。同時，這是特定化學元素也能吸收的唯一顏色。
所以一種元素，特定的顏色，要嘛吸收，要嘛發射。
一種化學元素意味著一組非常特定的顏色。因此，一旦您在陽光下看到這些缺失的黑線，您就可以看到這些缺失線的特定顏色，然後說，啊哈，這實際上是鐵。這其實就是鉻等。所以從某種意義上來說，這些缺失的線條就像是存在於太陽內部的化學元素的指紋。因此，透過研究這些缺失的線條，您可以知道太陽是由什麼組成的。所以，如果你把它炸毀，你會看到很多這樣的線，你可以將它們中的每一條識別為一種可以在實驗室研究的特定化學物質、化學元素。例如，這是鎂，這是鈉、氫和鐵。你可以看到，它們在不同的位置都有不同顏色的線條。因此，了解這些黑線，即陽光中的吸收線，您可以準確地判斷哪條線對應於哪種化學元素。
但這不是完整的故事，所以當你思考我們的太陽時，你唯一能看到的就是太陽的表面。你無法直接看到太陽的內部或中心，因為光無法穿透它。太陽又熱又濃，光線無法穿透，有點霧氣。而且你無法直接看到太陽的中心。當人們問為什麼太陽會發光時，這實際上是問題之一。你知道這個問題的答案嗎：太陽為什麼會發光？嗯，我們從太陽中獲得所有的熱和溫暖。沒有它我們就無法生存，地球上可能不可能有任何生物系統。所以這對我們的存在非常重要。當然，從科學早期開始，人們就這個問題爭論很多，為什麼太陽會發光。
十九世紀末，有一位著名的物理學家，名叫開爾文勳爵，眾所周知，他非常聰明，幾乎每個物理學家都對他非常欽佩。他當然回答了這個問題，為什麼太陽會發光？當然，人們也想知道太陽會持續多久！一旦人們了解了能量守恆，很明顯太陽不會永遠持續下去。即使是太陽，當它耗盡它所獲得的所有能量時，也會有一定的限度。
開爾文勳爵說，太陽不可能存在超過 20,000 年。
這是一個令人震驚的聲明。人類已有一百萬多年的歷史。所以，聽起來幾乎就像明天一樣。
但也有反對的論點，例如達爾文。考慮到生物系統的演化，有些記錄了來自世界各地岩石採樣的地質數據。他們相信地球至少有 3 億年的歷史。現在，數字上存在很大差異。如果太陽的壽命可能超過幾十萬年，但地球的年齡比這要大得多，這是否意味著太陽的誕生比地球的漫長歷史要晚得多？這聽起來不太對吧？所以開爾文勳爵在這裡遺漏了，所以開爾文勳爵實際上是錯誤的，那就是他根據太陽發光基本上來自化學反應的假設來估計太陽的壽命。因此，如果你想像太陽的照耀就像炸藥或某種燃燒燃料之類的爆炸。然後你當然可以計算它可以持續多長時間，因為我們知道對於給定質量的太陽燃料它可以產生多少能量。所以，他就是這麼做的。但他犯的最大錯誤是認為化學反應是唯一的能量來源。確實，那是當時最強大的能量來源，所以這對他來說是很自然的假設。但他並不知道這個著名的方程，E等於m c 平方。如您所知，E 等於 m c 平方是由阿爾伯特愛因斯坦提出的。他提出了當時頗具爭議的方程式。但正是有了這個方程，我們現在才明白太陽為何發光了。事實證明，太陽正在將質量轉化為能量。所以它實際上在做的是，太陽將兩個氫核（即質子）聚集在一起。它將四個質子融合成一個氦核，但是當你引入四個質子時，氦核只有兩個質子。因此，您需要將兩個質子轉化為中子。事實證明這是可能的。有這樣的反應，我們稍後再討論。它被稱為弱力，如果你這樣做，你就會以反物質的形式釋放兩個單位的正電荷。它們被稱為正電子。還有兩種不熟悉的粒子，稱為中微子，它們是一種幽靈。它滲透到我們所見的一切事物中。
從這個反應中，它釋放出一定量的能量，我們在物理學中使用的單位是 2500 萬電子伏特。這就是太陽產生能量的方式。
而這一切的關鍵就在於此。所以假設你把所有這些東西放在一個秤上，你最初得到的是四個質子。反應後得到的是氦加上一些正電子和中微子之類的東西。如果您將它們放在一起稱重，那麼您開始時獲得的所有質量將大於您最終獲得的所有質量。
這有點令人驚訝，對吧？因此，如果您想像一下，例如，兩輛車相撞，就會產生大量碎片。但如果你能把這兩輛車的每一塊碎片都挖出來並總結出來。它們一開始必須與兩輛車的品質總和完全相同。我們稱之為質量守恆。這是我們在日常生活中認為理所當然的事。如果你們兩個的體重相同，那麼你們測量的就是你們和你們朋友的品質總和。同樣，質量可以簡單地相加，不會改變。
但是，我們在這裡看到的是不同的。嗯，反應前的太陽比反應後重一點。
因此，透過釋放能量，太陽所做的實際上是不斷變亮。事實上，太陽每秒變輕400萬噸。
這之所以重要是因為 E 等於 m c 平方。 E是能量。 M 是質量。 C是光速。對於這裡討論的目的來說，這只是一個很大的數字。所以它基本上是說質量和能量是同一件事。
因此，透過變輕，太陽可以釋放質量作為能量，這就是太陽發光的方式。
同時，它釋放出一種叫做中微子的副產品。
所以，如果你想回答這個問題，我們如何知道這個反應確實發生在太陽內部，這個問題有一個答案。也就是說，你可以探測到這些中微子，而這些中微子就像物體一樣，它們可以輕鬆穿透整個太陽。它可以毫無問題地穿透整個地球，因此每秒必定有一百萬億個中微子穿過你的身體。因此，太陽正在將質量轉化為能量。這就是它的作用，這就是太陽的光芒。這是比任何化學反應更強大的能源。所以開爾文勳爵錯了。太陽會持續更久。
但問題是，我們真的可以測試這個嗎？透過檢測這些被稱為中微子的奇怪粒子。那麼，這就是接下來的問題。我們如何探測這些中微子，以找到這確實發生在太陽中心的證據。
2-3 元素的誕生III
好的。因此，我們才能真正看到證據表明這種反應發生在太陽中心，即太陽正在失去質量並將其轉化為能量。我們想驗證這些中微子確實來自太陽。
但他們與我們互動不多。正如我所說，每秒有一百萬億個中子穿過你的身體。你感受到來自太陽的中微子風了嗎？
沒有人這樣做。所以它基本上不會與任何東西相互作用。因此，如果你想探測這些來自太陽的中微子，這將是一個挑戰。但有一個辦法。這就是觀察這些幾乎看不見的中微子的方法。基本上，中微子與任何物體相互作用的可能性都很低，你需要建立一個大目標。如果目標夠大，中微子可能有很小的機會在這個大目標內部引起一些反應。所以，你需要有一些非常大的東西。這就是日本人所做的，就是建造一個5萬噸水的水箱。
約 40 公尺高，埋在[未知]山下。它位於漆黑的地下礦井中，您希望透過這個罐子來探測來自太陽的中微子。你在這張照片中看到的是這些小圓的東西，它們可能看起來很小，但它實際上是一個相當大的物體，叫做光電管，它有這麼大，想像一下這些大東西一直懸掛在牆上其中 11,000 個。然後你就把整個水箱裝滿了。這個過程本身可能需要四個月的時間。這是一個非常非常大的目標，用來探測來自太陽的中微子。所以我想在這裡向您展示的只是為了讓您了解這個物體有多大，所以如果您看水箱底部，那就是它的樣子，我只是慢慢地移動圖片你會開始抬頭往水箱裡面看。最終你會到達天花板，我希望你透過將這張圖片移動到這裡來了解這個水箱實際上有多大。所以，這就是它有多大。
因此，我們希望使用這個非常大的水箱來偵測來自太陽的中微子。
正如我已經說過的，我們相信太陽正在通過將四個氫原子融合成氦來燃燒原子。中微子是副產品。這些中微子每秒鐘都在穿過我們的身體，有數萬億個中微子。
它們相互作用不多，所以我們感覺不到它們，但是一旦你有一個像這樣的大水箱，中微子就有可能引起一些反應，即使有這個巨大的水箱和這麼多來自太陽的中微子，事實證明，你每天也許能夠看到五個中微子，所以這是很難看到的。但如果你等待足夠長的時間，例如五年，並不斷記錄這些來自太陽的中微子，最終你可以在長時間曝光後拍出太陽的照片。這是非常了不起的。這是在漆黑的地下一公里處用中微子拍攝的照片，但中微子可以很容易地穿透整個一公里的岩石，並能引起反應。雖然數量很少，但只要累積並等待足夠的時間，就可以拍到太陽的照片。地下。
更重要的是，這是一張太陽中心的照片，那裡正在發生核反應，釋放出中微子。這不是我們用肉眼看到的太陽表面的圖片。所以這就是我們現在有確鑿證據表明在太陽內部確實你正在迫使這些元素聚集在一起。將它們融合在一起以建立更大的元素。這就是太陽內部發生的事情。
因為這是一個非常了不起的實驗，所以實驗的名字就叫Super Kamiokande，我們通常簡稱它為Super K。晚餐於科羅拉多州中餐廳。所以Super K，如你所見，非常有名。
好的，那麼這讓我們思考以下問題，好嗎？開爾文勳爵錯了。他假設太陽是基於化學燃料燃燒的，但事實並非如此。核融合的威力遠比燃燒化學物質強大。所以你，它會持續更久。現在我們對太陽能持續多久有了修正後的估計。答案是大約四年五億年。這是一個很大的區別，對吧？所以我們不必擔心太陽會在 1000 年後失去動力。這將在四年五億年後發生[未知]。但它會結束，然後會發生的是，太陽不再可以使用氫燃料來提供能量，一旦沒有太陽的能量，它就無法支撐自己的重量。它會在太陽的中心粉碎。
結果，太陽的外圍就會被炸毀。
它變得非常非常大，最終可能會吞噬地球。
這就是太陽將變得多大。它被稱為紅巨星。
顯然，在這種情況發生之前，我們需要製定一個逃跑計劃。我們需要建造一艘大型太空船或其他東西。四年五億年後我們去了另一個星球。這當然是研究主題，所以我希望你也能參與這樣的研究。
2-4 元素的誕生IV
所以我剛才講了一種可能，就是逃離地球，被太陽吞噬。並到達其他地方。當然，我們需要知道是否有更新的恆星和更新的行星，也許我們可以生存。幸運的是，我們確實看到新的恆星在我們的銀河系中誕生。例如，就像這裡一樣。所以那裡發生的事情是，有一個氣體雲，你實際上累積了這種氣體，當然，它基本上是由一堆由原子組成的微小顆粒組成的。最終，它們結合成一顆恆星，周圍會有塵埃，最終形成岩石行星，就像地球一樣。因此，如果你能找到額外的太陽行星，這將是當今一個有趣的研究主題。長期以來，我們只知道太陽系內有行星。現在這裡發生了爆炸。新的觀察結果已經確定了候選人。我們太陽系之外的行星。這是今年早些時候實際情況的一部分。太陽系外行星的候選行星數量超過2000顆。你會看到它們的質量分佈，所以其中一些非常重，例如木星，其中一些則輕得多。還有類地行星。所以你在這裡看到的是，更大的東西更容易被發現。所以你仍然可以找到更大的。但是，在這裡，你還可以找到候選行星，它們的質量與地球相似。
其中一些也恰好與恆星的距離合適。溫度適宜有液態水，我們大多數人認為這是生物系統發育所必需的。因此，太陽系外存在著可能支持生命存在的候選行星。
這是當今一個非常有趣的研究主題。在這張照片中，這是第一張太陽系外行星的照片。與行星相比，恆星非常明亮，因為行星不會自行發光，因此它們實際上設法掩蓋了恆星本身，因此您盡量不要透過掩模看到恆星。當然，還有一些殘留的光會出來。但當你稍微偏離方向時，你會發現這些行星的候選人。這是有史以來第一張行星照片，是由日本國家天文台建造的名為斯巴魯望遠鏡的望遠鏡拍攝的。在山上，島上，山上，夏威夷大島。
所以，總結這個故事，星星會結束，星星越大，它們的壽命就越短。
所以，如果你想從中吸取教訓的話，這將是另一個人生教訓。
更大的恆星最終會發生大爆炸。這將使恆星的所有外部部分飛散，而核心仍然存在。如果恆星夠大，核心就會變成黑洞。我們討論過這個。如果稍微輕一點，它就不會一路形成黑洞，而是留下一些非常非常小的緻密核心。稱為中子星。那麼在這種情況下，整個恆星就只有十公里那麼大。而整個恆星基本上就像一個大原子核。這就是中子星。
如果恆星更輕，就像我們自己的太陽一樣，它也會爆炸。並留下這個非常緻密的核心。但密度不如中子星。這些物體被稱為白矮星。因此，根據恆星的質量，它們有不同的壽命，甚至最終會產生不同的結果。
但我們今天在這裡討論的最重要的事情是恆星的形成。越來越大的化學元素。太陽燃燒氫來產生氦。即使在像太陽這樣相當小的恆星中，這種情況也可能發生，氫可以轉化為氦。就太陽而言，它可能會一路上升到碳，它將三個氦核聚在一起，將它們融合成碳。當太陽的氫燃料耗盡時，這種情況也會在太陽接近壽命終點時發生。
但人們相信它不會超出這個範圍。你需要更大、質量更大的恆星才能讓反應進行得更遠。透過從碳到氖、矽和鐵，你可以利用更大恆星的內核不斷建構更重、更大的元素。如果你舉一個典型的恆星一直到鐵的例子，時間尺度其實沒有那麼長。氫燃燒可能只會持續七百萬年。然後事情開始變得越來越快，氦燃燒成碳、氖、氧、矽。最終，矽燃燒可能只持續一天，然後就進入了死胡同。一旦它一路發展到了熨燙的地步，就無法再超越這一點了。
這只是基於能量守恆。
因此，正如我所說，透過將它們放在一起，您實際上正在釋放質量，這就是這些過程釋放能量的方式。但是，一旦到達能量曲線的底部，這條曲線就顯示它有點像一座小山，如果你從氫氣開始，那就有點像山頂。並且可以一直滾下山。最終在最小值處安定下來。事實證明那是鐵。如果你想超越鐵，那麼你需要輸入能量來使反應發生，而不是透過釋放質量來釋放能量。因此，就我們而言，這種情況不會發生在太陽或任何恆星內部。所以這是一個死胡同。一旦達到鐵芯，它就無法再進行核融合過程來釋放更多的能量來支撐其重量。然後它就會崩潰。然後砰的一聲，這會導致恆星爆炸。這是大麥哲倫星雲生命末期恆星爆炸的照片。那是附近的一個伴小星系，距離我們大約 16 萬光年。這就是我們的鄰居，正如我們在上一講中所了解的那樣。而這次爆炸也導致了大量的中微子釋放出來。事實上，雖然這是一次非常非常大的爆炸，但是你用我們肉眼就能看到，你可以看到這次爆炸發出的光芒幾乎可以與整個大麥哲倫星雲星系相媲美。事實上，99%的能量都是以中微子的形式釋放出來的。只有 1% 是您在光下觀察到的。因此，大量的中微子被釋放出來，經過 16 萬年的旅行，它們到達了另一個名為 Kamiokande 的水箱，這發生在 1987 年。
由於中微子很難偵測到，大多數時候你擔心的是噪音。但你在這張圖片中看到，作為時間的函數，大多數時候，你看到的只是這種噪音。那不是你想要的。這只是噪音。但就在某一刻，你看到的是一場大爆發。許多中微子幾乎在十秒左右的時間內非常緊密地聚集在一起。顯然這不是噪音。噪音不會這樣做。所以發生了爆炸性的事情，結果天文學家在尋找一顆爆炸的恆星後，他們發現了這一點。所以這次中微子的爆發就是來自這顆超新星的爆炸。
這使得小芝先生獲得了諾貝爾物理學獎，這當然是一個非常非常大的事件，一個重要的發現。這麼令人印象深刻的原因之一是，就在這項發現的一個月前，這個[未知]實驗有如此多的噪音，他們不可能從這次恆星爆炸中檢測到中微子。
所以他們很幸運，這件事發生在他們準備好一個月後。但一個月後，小芝先生從大學強制退休。所以只有這兩個月的窗口期他才有可能偵測到中微子。因此，就在這兩個月的中間，也就是 16 萬個地球年前，恆星爆炸了。所以這個實驗可以看到中微子。所以你從這堂課學到的一件事是，你必須非常非常幸運才能在科學上取得成功。所以請記住這一點。但更重要的是，我們從這次觀測中了解到，即使是這顆在16萬光年外爆炸的遙遠恆星也是由原子構成的。這顆恆星一直在將這些原子組合在一起，以形成更重、更大的元素。
2-5 元素的誕生V
總而言之，我們到目前為止所討論的，大爆炸只產生了氫和氦，沒有其他重元素。只有一點點重的元素，但你幾乎可以忽略它們，所以很接近只有氫和氦，這導致了一些力恆星的形成，並且在恆星內部形成了更大的元素，如碳，氧，矽，一直到鐵，只要這些元素被困在恆星內部，我們仍然無法用它們來形成物體，所以它不能解釋我們從哪裡來。
但幸運的是，正如您在前幾分鐘看到的那樣，這些恆星實際上可以在生命結束時爆炸。這會將大量物質釋放回外太空。然後，這些恆星核心合成的物質像碳、氮、氧和鐵一樣被釋放出來，最終形成了一個物體。所以我們相信，我們的太陽可能是第三代恆星。所以我們有一個僅基於氫氦的恆星形成的初始階段。有些爆炸了，產生更多的東西，你把它們累積起來，再次形成恆星，它們也到了生命的終點爆炸了，太陽用那種物質形成了恆星最初的核心。這導致了我們自己的存在。所以像這樣的爆炸星非常重要，因為那將是我們自己存在的起源。有些諾貝爾的由來，諾貝爾獎也是。所以我們確實是星塵。所以我們來自星星。這就是我們的本質。
但當然你還是應該問一個問題，這是真的嗎？有證據證明這一點嗎？所以至少我們可以觀察到一些發生在我們銀河系附近的過去超新星 所以這就是著名的蟹狀星雲，據信是過去超新星的遺跡，實際上最近發生在10年、40年、54年故知當年。日本古代文學中有一些歷史記錄，作者是 Teika Fujiwara，在這份舊手稿中，你可以找到對超新星的提及。字面意思就是客串明星。有一顆星星，他可以看到以前不存在的星星，這就是為什麼它是客串星星，那就是超新星爆炸。
如今，您可以透過多種不同的方式研究同一對象。透過使用光學望遠鏡，只需普通的望遠鏡，就可以觀察X射線。您可以使用紅外光，就像我們談到看到銀河系中心的大黑洞一樣。我們也用無線電來觀察大爆炸本身。透過結合這些不同技術的信息，您可以更好地了解該物體內部發生的情況以及來自錢德拉衛星的 X 射線紋理的時間序列。透過將其放入電影文件中，您可以看到仍然存在一種悸動。所以，這就像一千年前爆炸時發生的那樣，但仍在釋放物質。你可以在這部令人心悸的放蕩電影中看到這一點，所以我們可以看到超新星確實將物質釋放到太空中，這就是我們存在的方式。
我們相信類似的事情很快就會發生，而且實際上就在附近。你知道這張照片中的參宿四是哪顆星嗎？您可能可以辨識獵戶座，獵戶座。
所以參宿四位於獵戶座的左上角。它的重量是太陽質量的20倍。而且距離還蠻近的。距離只有640光年。所以現在，聽我的講座你會立即註意到，這其實是宇宙尺度上非常近的距離。如果這顆恆星被公開，你甚至可以透過使用望遠鏡觀察它來測量它有多大。這些數據顯示參宿四的外觀尺寸在短短 15 年內縮小了 15%。所以這位明星確實發生了一些事情。
因此，當恆星如此接近時，您甚至可以觀察恆星的表面。你在這張照片中看到的是，表面現在也確實在跳動。你會看到膨脹的部分，你會看到下沉的部分。所以這確實向我們表明，這顆恆星很快就會發生一些事情，很快這種情況可能意味著接下來的一萬年，但你知道明天也可能發生爆炸。我們真的不知道我們無法預測，但很明顯，有時這種情況很快就會發生在一顆大超新星中。那麼從我們可以看出的角度來看，一顆恆星的年齡有多大？這顆恆星是由什麼組成的？好吧，我們可以做，再次回到這種棱鏡，透過測量來自恆星的顏色光譜，你會看到這些線條，這表明一些顏色丟失了。這就是光譜學，它是研究天體物體非常重要的技術。
所以這顆特殊的恆星，實際上是我們的太陽，有很多這樣的線條，顯示它有很多重元素。所以這些恆星被稱為第一族，也就是大量的金屬，比氦重的元素。這顯然受到了過去超新星爆炸的污染。
如果你夠仔細觀察，有時你會發現看起來更乾淨的星星。這些重元素的污染較少。所以他們被稱為人口二星。
如果你追溯到宇宙之初，一定存在所謂的三顆星。它們僅由氫和氦組成，沒有受到上一代恆星的任何污染。我們還沒有找到這些，但人們仍在尋找。那麼，現在我們來到這個問題，我們怎麼知道大爆炸產生了氫、氦，但沒有產生更多？
正如我們所討論的，我們需要一個不同的工具。我們可以透過電波望遠鏡回溯到宇宙只有38萬年的歷史，因為我們可以偵測到宇宙的微觀背景。這是我們討論過的來自大爆炸本身的起始光。但是有一堵牆，對吧，你無法使用望遠鏡超越它，我們無法透過那堵牆看到，我們需要一些不同的技術來了解宇宙早期發生的事情。所以我們使用一種不同的工具，稱為粒子加速器。這個想法很簡單，宇宙是如此密集和炎熱，我們想了解當時發生了什麼，所以這是我們可以在自己的實驗室中嘗試做的事情。我們試著創造一個可以人為地產生類似反應的環境。這一定是在宇宙誕生之初發生的。這樣，我們就可以回到宇宙誕生只有三分鐘的那一刻。我們所做的就是將中子和質子放在一起，將它們相互撞擊，看看它們是否能形成更重的東西，例如氦。因此，我們可以嘗試在我們自己的實驗室中重做大爆炸後立即發生的這種反應，這就是我們嘗試超越這面 30 萬年前宇宙之牆的方法。
因此，透過在實驗室研究這些反應，您可以測量發生此類反應的機率。一旦你進行了測量，你就可以預測在宇宙開始時必須合成多少氦，這個過程被稱為大爆炸核合成。這會給你一個預測，我們宇宙中氫與氦的比例一定約為 3:1。事實上，你可以透過再次觀察來自遠處物體的光譜來測量氫、氦的比例，這個 3:1 的比例與觀察結果非常吻合。這就是我們可以比較的方式，根據從粒子加速器中學到的知識來預測的內容與我們實際上可以返回並使用望遠鏡看到的內容進行比較。如果它們匹配，那就給我們足夠的信心，讓我們了解大爆炸本身發生了什麼。
因此，透過將這些資訊放在一起，我可以將它們放入電腦中，並模擬第一批恆星是如何誕生的。我們稍後會回到這個問題，但在初始階段，你沒有那麼多濃度的氣體，你有一大團暗物質。我們在第一講中簡單講過。一旦我們有了這團暗物質，重力就會將普通氣體吸引進來，並開始形成稱為分子雲的氣體雲，分子雲的核心進一步塌縮並開始產生相當緻密的東西。這最終將成為明星。現在您可以在電腦上重現此過程。
如果你進一步進行電腦模擬，那麼這種初始形式的恆星將開始透過重力從外部累積更多的物質。但一旦它們開始如此密集地積累，它就會開始真正噴射出來。透過反應，它有點被吹散了，所以這就是你可以在電腦模擬中看到的東西，所以有一段時間塵埃只是落在這顆原恆星的表面上。它還不是一顆恆星，但隨著它在表面不斷積累，你會看到物質在極地方向噴射。所以它在那個階段停止生長，因為任何進一步定居的東西都會被吹滅，所以恆星不會再生長了。所以你了解到的是，第一批恆星只能成長到大約四十個太陽質量。但在這個階段，它足夠大，可以合成一直到鐵的元素，這就是我相信初始元素是在恆星內部合成的。所以，回到我們一開始的討論，我們只從氫和氦開始。所以我們問一個問題，我們可能來自哪裡，因為我們需要碳、氧氣等。答案是，它們是由恆星構成的，而我們就是星塵。
但是，你可能一直在仔細聽我說話並問這個問題，你告訴我我們只能達到鐵，不能超越它，因為你無法透過失去鐵以外的質量來釋放能量。那是在這條曲線的底部。怎樣才能進一步爬上山呢？
我們當然知道有些元素比鐵重，就像您在珠寶店購買的元素一樣。所以我們需要一種機制來產生這些元素。事實上，如果你看看宇宙中這些元素的所謂豐度，你確實看到了所有這些較重的元素，例如銀、金、鉑、鉛，它們一定是在某個地方產生的。
而且，你知道，科學的本質是，你還沒有每個問題的答案。它們還有待研究。我們不太清楚它們來自哪裡。我們許多人認為，這些較重的元素是在恆星爆炸時形成的。
我們討論了發生的元素合成、爆炸釋放。
但爆炸本身可能會使反應進一步加劇。爆炸是一個動態的過程，你甚至可以投入能量來讓反應發生。所以想必這就是這些較重元素的形成方式。但我們還不確定，因此您可以提供進一步的研究來證明這個想法。
如果你仔細想想，這又是一個奇怪的事實，很多重要的事情都已經得到了解釋，都是透過這些單獨的粒子（如質子和中子）聚集在一起的特性來解釋的。
我們所知道的是，質子中子的品質非常相似，每米爾只有 2 個。基本上它們的質量完全相同，可以很好地近似。
但如果你考慮可能的宇宙，其中質子可能比中子重 20%。
更重。 E=mc平方意味著更多的能量。因此質子可以透過轉變為中子來釋放能量。因此，所有質子最終都會衰變，如果中子重 20%，則最終會衰變。所以如果是這樣的話，即使你設法像氦核一樣合成，原子核中的質子也會衰變成中子。它們都是電中性的。所以你最終不會得到任何可以成為原子核的東西。所以根本不可能存在原子。
因此，化學元素的存在實際上取決於質子和中子的質量幾乎相同的事實
[聽不清楚]。這是我們不太了解的另一個謎團。為什麼粒子質量以這樣的方式設計，使得所有這些維持我們生命的重要事物都成為可能。
當然，另一個問題是，即使你確實能夠形成原子核，你仍然需要電子圍繞它們形成原子。那麼原子是如何可能的，為什麼可能呢？這是下一個問題，關於希格斯玻色子。