大家好！又跟大家見面了，歡迎收看本期的科學有話說，對我個人而言，科技探索不僅僅是一個重大的事件，還可能會改變我的人生。

“物質永恆不滅”，相信大家應該聽到過這個說法，但事實上世間萬物焉有不滅的道理，春去秋來，生老病死，萬物都在不斷變化，物質怎麼可能會不滅呢？難道是從哲學上來理解？

物質是由什麼組成的？

古希臘唯物主義哲學家留基伯認爲，萬物是由原子組成的，他是最早提出原子論的哲學家。受到留基伯的原子論事項，他的學生德謨克利特也支持原子論，不過侷限當時的條件，他們都沒有證據，僅憑一個直覺！

現代物質組成認識過程

現代原子之父是道爾頓，他在十九世紀初提出了原子論。道爾頓認爲原子是物質世界不可分割的一部分，在化學反應中不會改變，一直保持穩定狀態。道爾頓的原子論是有化學反應支持的，系統的闡述了物質的組成，這是人類對物質世界認識的一個飛躍。

約翰·道爾頓

1897年湯姆遜在陰極射線的實驗中發現了電子的存在，所以他提出了葡萄乾補丁的原子模型。但盧瑟福在1908年他在指導學生做α粒子散射實驗時發現了原子核，這使得湯姆遜的葡萄乾布丁的原子模型明顯站不住腳，繼而盧瑟福的原子模型開始被大家接受，但顯然這裏不能缺了他的學生玻爾的努力。

α粒子散射實驗

因爲盧瑟福的原子模型中原子核帶正電，電子會在運動中損失能量而掉入原子核毀滅，所以玻爾引入量子的概念創造玻爾原子模型。當然盧瑟福也沒閒着，他在1920年發現了α粒子轟擊氮原子發現了質子，再是他的學生查德維克發現了中子。

關於宏觀物質的組成其實到電子質子中子這個層次就差不多了。

物質一直都不改變嗎？

現代元素週期表是門捷列夫發現的，當然在門捷列夫以前也有很多科學家都試圖將有規律的元素編個表，但沒有一個人有門捷列夫那敏銳的洞察力和眼光。當然週期表很多人都會背，但元素是怎麼編排序號的呢？它們之間的差別由什麼物質決定的？

門捷列夫1869年的週期表。注意此表格的行列與現代元素週期表正好相反：週期爲縱行，族爲橫行

質子數決定了元素的序號，中子數則決定了同位素

上文中我們介紹了質子和中子的認識過程，其實質子發現還挺有趣的，1917年盧瑟福用α粒子撞擊氮原子核，結果得到了氫原子核，所以盧瑟福推測，氫原子核是物質最基本的組成。氫原子核中就只有一個質子，而中子數不一樣，則讓氫有三種同位素。

氫的三種同位素

元素之間的差異主要就是質子數的差異，而不同元素就是質子數的堆積，儘管當時已經搞清楚了這個差別，但即使是最前沿的科學家仍然搞不清楚這些元素到底是怎麼來的，相互之間由有什麼關係！

質子鏈反應

1920年愛丁頓提出了恆星從氫聚變成氦中獲取能量，1939年漢斯·貝特分析了氫聚變成氦可能的不同反應過程，1954年由弗雷德·霍伊爾則從足夠條件下，提出了從氫元素一直到合成鐵元素的過程。如下則爲元素的合成過程：

氕 → 氘 → 氦-4 → 鈹-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 鎂-24 → 硅–28 → 硫–32 → 氬–36 → 鈣–40 → 鈦–44 → 鉻–48 → 鐵–52 → 鎳–56

之後的重元素則從中子捕獲和質子捕獲以及光致蛻變中誕生，涉及這些過程的有紅巨星、超新星以及中子星合併等，這些都是產生比鐵重的元素的途徑。

中子捕獲和衰變過程

所以我們瞭解了從元素的產生過程，那麼元素不會變嗎？

物質會永遠存在嗎？

其實這裏有兩個問題，需要拆分出來理解，物質是永恆不變的嗎？組成物質最關鍵的質子和中子一直都不變？

物質是會改變的！

上文我們說了在恆星內核中物質時時刻刻都在改變，從氫聚變成氦，從氦聚變成鈹，再變聚成碳氧等。不過除了恆星，我們地球上的核電站中的物質也在改變，比如鈾-235裂變成了氪-92和鋇-141，在它們之後又會繼續衰變成其他元素，導致鈾-235裂變的是中子，獲得了一箇中子的鈾-235原子核不穩定，裂變成了氪-92和鋇-141，而這兩種同位素又會繼續通過β衰變的方式轉變爲更爲穩定的釹和釔。

U-235裂變過程

裂變和衰變是重元素變成輕元素的一種途徑，過程中伴隨着能量釋放，這是因爲讓質子和中子聚合在一起的強作用力在並不能無限疊加，在重核中強力維持不穩所導致。

質子會衰變嗎？

物質聚變的終極元素是鐵，重元素裂變和衰變的終極元素也是鐵，所以鐵是物質中最穩定的元素，當然指它的原子核，常見的鐵元素是鐵-56，它由26個質子和30箇中子組成，結構非常穩定。所以恆星聚變到鐵後再高的能量也無法讓鐵再聚變，因此隨着外殼坍縮會引發超新星爆發。

恆星內部的鐵核

那麼鐵元素真的就不會改變了嗎？上文中我們說了中子和質子捕獲以及光致蛻變是幾種方式，那麼組成它的質子和中子就不會改變了嗎？

在標準粒子模型中，質子的重子數大致守恆，因此質子不會以攝動的形式衰變成其他粒子，因爲質子已經屬於能量最低的重子了，中子倒是會衰變，自由中子的半衰期大約15分鐘，但在鐵原子核中，中子也是穩定的。

有理論根據物質比反物質多推導出質子也會衰變，但缺少證據支持，不過即使按推測計算，質子的壽命也高達10^31年，到那會宇宙早已到達了熱寂狀態。而近來日本的超級神岡探測器在水中探測切連科夫輻射的實驗中得出結論：如果質子完全衰變，半衰期至少長達10^34年。

猜測中的質子衰變方式：衰變後產生正電子和中性π介子，而中性π介子會再度衰變產生兩個單位的伽馬射線（γ）：

p→e+和π0

π0→2γ

物質是來自哪裏的？

問題已經到達了本源，現代科學認爲宇宙中的所有物質都來自於138.2億年前的大爆炸，當然這有廣義相對論的背書以及無數科學家推導出來的宇宙膨脹和原初物質丰度和微波背景輻射站臺，我們姑且信之，因爲暫時還沒有發現比這個更貼合觀測的理論。大爆炸誕生物質的過程：

138.2億年前的某個時刻，熾熱緻密的奇點發生爆炸，隨着這團物質的膨脹，宇宙中的四大基本作用力：引力、強力和弱力先後從中分離出來，隨後暴脹開始，這個極速的膨脹將一切都抹平，即使現代仍然可以從微波背景的各向同性中仍然可以觀測到。

暴脹結束後宇宙中充滿了夸克膠子等離子體，溫度的繼續降低足以讓夸克和膠子構成質子和中子，這是未來構成原子核的重要粒子，但必須等到講到足以維持原初核聚變，原初物質的丰度就是這個時候決定的，這個時間持續了大約十幾分鍾，簡單的說這個時期決定了早期宇宙物質比例，氫、氦以及少量的鋰元素在此時誕生。

從宇宙誕生到38萬年時，宇宙的溫度才逐漸降低到讓原子核捕獲電子，一片混沌的宇宙纔開始清朗起來，光子退耦，宇宙中的第一縷光誕生，那是來自宇宙大爆炸的光，其實我們現在依然看得到，那就是微波背景輻射。

到現在爲止，我們所說的一切都是能觀測到的，其實宇宙中還有看不到的暗物質和暗能量，不過即使到現在科學界仍然說不清楚那是什麼，一切的一切尚在猜測之中，而對它們的誕生，還兩眼一抹黑。

質能不是守恆麼，宇宙的物質或者能量是從哪來的？

也許沒有人可以回答這個問題，到現在爲止一切都是猜測，但量子力學發展後使得整個問題有了個猜測性的答案，不妨來看看：

量子論中的不確定性理論告訴我們，時間T和能量Q是一對共軛量，當時間T非常確定的一剎那，真空中也會爆發巨大的能量，因此接下來的事情就非常有趣了！上實際六十年代開始流行一種理論，認爲引力是一種負能量，因此在這個極短的時間內產生的能量誕生了質量，兩者互相抵消以維持整體上守恆，那麼物質真的就在一無所有中誕生了。

麻省理工的阿蘭·古斯就是這個理論的提出者，他認爲量子效應突然產生了一塊時空，並且極速膨脹形成了宇宙，而他的這個暴脹理論解釋了宇宙微波背景輻射爲什麼會那麼均勻，磁單極子爲什麼找不到等等，總之暴脹理論已經成了宇宙誕生的一部分。

能量誕生了，物質從中而來，它會隨着天體演變改變宇宙，它會變得很慢，但最終宇宙有的是時間等它改變！

人類現在在生物、化學等自然學科技術發展的突飛猛進，給原本好奇心強烈的人們帶去了豐富多彩的精神食糧。人類在探索與發明的同時給自我價值以肯定，人們在享受科技帶來的福祉的同時也收穫了快樂。以上就是本期關於科學探索的事情了，大家有什麼想法呢，歡迎在評論區告訴小編一起討論哦！