锂、铍、硼｜大爆炸和恒星聚变不能产生的元素，它们从何而来？

环顾四周，放眼世界，你会惊讶地发现，无论是自然存在还是由人类的双手创造，我们世界的事物充满了复杂性和多样性。

所以从古希腊的哲学家到近代物理学，人类戴上思维的帽子去研究和透视世间万物，从土、水、气、火，四大元素到原子再到夸克，我们人类发现在基本层面上，一切都是由相对简单的基本粒子构成的。但基本粒子组合在一起的方式是如此的复杂和多样，以至于可能的组合可以产生看似无限的结果。今天我们就聊下三种元素：锂、铍、硼的身世之谜？大爆炸和恒星聚变都不能产生这三种元素，那我们地球上的锂、铍、硼从何而来？

万物的基本构成

在最小尺度上，物质主要由夸克和胶子组成，它们占我们这个世界上所有相互作用的物质质量的99.96%。但是夸克和胶子不能自由存在，我们目前只发现它们以两种形式结合在一起形成:质子和中子。

虽然单个自由中子不稳定（半衰期大约为10分钟11秒，衰变为一个质子，并释放一个电子和反电子中微子），但我们发现质子和中子结合在一起可以形成了大量稳定组合，这样就形成了我们熟知的庞大原子核群体。然后给每个原子核加入足够的电子，我们就得到了中性原子。

正是这些中性原子构成了我们所熟悉的宇宙中所有物质的组成元素。包括从单个原子到简单分子到复杂大分子和分子链的一切，一直到细胞器、细胞、特殊器官和整个功能生物体。

地球上发现的所有物质都是由上图中相对较少的元素构成的。事实证明，从元素1(氢)到包括元素92（铀）在内的大部分元素在地球上都是自然存在的，但有两个例外:元素43(锝)和元素61(钷)，因为这两种重元素具有各种形式的放射性，半衰期比地球的年龄要短得多。

宇宙中缺失的锂、铍、硼

当我们深入太空，深入星际气体云，深入恒星形成区域、深入恒星表面和超新星残骸的中心，我们就能了解在宇宙和星系中元素存在的普遍性。我们发现，在地壳上发现的元素并不能很好地反映宇宙中不同元素的真实丰度，但是我们在太阳中发现的元素丰度却非常接近。我们可以通过观察太阳的吸收光谱来判断，并确定存在哪些元素以及它们的比例。

如果我们绘制出太阳系中所有不同元素的丰度图，我们得到了以下的一个趋势，其中存在一些起伏，但是整体趋势呈现出一条曲线，最轻的元素是最丰富，而较重元素的丰度随着元素周期表越往下走，会逐渐减少。下图：

如果你仔细端详上图，你就会发现元素周期表上的三、四、五元素:锂、铍和硼的丰度有点诡异，它们的丰度似乎不符合普遍的规律。这三种元素在太阳(或任何恒星)中实际上很少存在甚至是不存在的，与其他轻元素相比显得含量很低。

从另一方面来说，锂和硼对人类有生物作用，硼是所有植物细胞壁中所必需的元素!这三种元素的起源不同于元素周期表中的其他元素。

宇宙中元素的起源，主要是氢和氦

大爆炸初，宇宙中没有元素，只是夸克、胶子、电子、中微子、辐射、不稳定粒子和反物质的热混合物。然而，随着宇宙的膨胀和冷却，不稳定的粒子逐渐衰变，反物质与物质一起湮灭(当时物质只多了十亿分之一)，夸克和胶子凝聚成质子和中子。这时宇宙的的温度还是过高，质子和中子无法融合，它们刚一发生作用会立即被热辐射炸开。下图：

随着宇宙的膨胀和冷却，辐射能量再也无法阻止原子核的形成，于是宇宙中最轻的元素（氢、氦、一些同位素和少量的锂）就诞生了。通过对宇宙早期元素的直接观测，对原子核光子比的了解(来自微波背景)，以及对核合成的理论理解，可以看到这和我们对宇宙早期元素形成的预测非常吻合。

宇宙一开始只为我们提供了前两种元素，那么剩下的元素呢?

剩下的元素都是在恒星的核心完成的，在恒星核心经历核聚变之后，宇宙有138亿年的时间来创造其他元素。在主序星的核心，氢聚变成氦，如果恒星的质量足够大(太阳也是)，氦将继续聚变成碳、氮和氧。

在质量更大的恒星中，碳可以继续融合成较重的元素（氧，硫和硅），最终会在恒星中留下铁，镍和钴的重元素核心，这时这颗恒星将在短时间内变成超新星，产生大量更重的元素并将这些物质抛洒到宇宙空间中，最终这些物质会在重力作用下形成行星。

随着时间的推移，不稳定的重元素会衰变成其他元素，而铀的半衰期和地球年龄相当，这就是为什么铀是当今地球上自然存在的最重元素。

细心的你肯定发现了一个问题，在恒星的核聚变中，我们直接说从氦到碳，跳过了三个中间元素。如果在一颗恒星中放入锂、铍或硼，恒星的高压和高温会破坏这些元素，把它们分解成氦、氢，和中子!

那么锂、铍、硼从何而来呢?

它们来自在宇宙中以接近光速飞行的自然加速粒子:宇宙射线!这些高能质子和原子核(偶尔还有电子)是由超新星、活跃的星系、可能还有中子星和黑洞产生。

高能粒子在宇宙中运动，碰到一个碳原子或更重的元素时，高能粒子会和重元素质量核心发生作用，将重元素核打散，形成很多自由核子或很轻的原子核，这种作用过程称为散裂。

虽然氢(以及少量锂)是在大爆炸中产生的，碳和较重的元素是在恒星中产生的，氦也是在恒星中产生的，但所有铍、硼以及地球上发现的大多数锂都是在散裂的过程中产生的，也就是宇宙射线与较重的、已存在的原子发生碰撞产生的!

所以，下次当你观察一种植物时，你就能想到这样一个过程:赋予这些植物细胞独特性质的硼元素，需要一个被黑洞、中子星、超新星或遥远星系加速的粒子与上一代恒星释放出的重元素发生碰撞才能产生！这是一个跨越了几十亿年的高能物理过程，一切发生的就是这么自然、悄无声息！

这就是宇宙中稀有的三种轻元素锂、铍和硼的身世之谜！