“物質(zhì)永恒不滅”，相信大家應(yīng)該聽(tīng)到過(guò)這個(gè)說(shuō)法，但事實(shí)上世間萬(wàn)物焉有不滅的道理，春去秋來(lái)，生老病死，萬(wàn)物都在不斷變化，物質(zhì)怎么可能會(huì)不滅呢？難道是從哲學(xué)上來(lái)理解？

物質(zhì)是由什么組成的？

古希臘唯物主義哲學(xué)家留基伯認(rèn)為，萬(wàn)物是由原子組成的，他是最早提出原子論的哲學(xué)家。受到留基伯的原子論事項(xiàng)，他的學(xué)生德謨克利特也支持原子論，不過(guò)局限當(dāng)時(shí)的條件，他們都沒(méi)有證據(jù)，僅憑一個(gè)直覺(jué)！

• 現(xiàn)代物質(zhì)組成認(rèn)識(shí)過(guò)程

現(xiàn)代原子之父是道爾頓，他在十九世紀(jì)初提出了原子論。道爾頓認(rèn)為原子是物質(zhì)世界不可分割的一部分，在化學(xué)反應(yīng)中不會(huì)改變，一直保持穩(wěn)定狀態(tài)。道爾頓的原子論是有化學(xué)反應(yīng)支持的，系統(tǒng)的闡述了物質(zhì)的組成，這是人類對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的一個(gè)飛躍。

約翰·道爾頓

1897年湯姆遜在陰極射線的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電子的存在，所以他提出了葡萄干補(bǔ)丁的原子模型。但盧瑟福在1908年他在指導(dǎo)學(xué)生做α粒子散射實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了原子核，這使得湯姆遜的葡萄干布丁的原子模型明顯站不住腳，繼而盧瑟福的原子模型開(kāi)始被大家接受，但顯然這里不能缺了他的學(xué)生玻爾的努力。

α粒子散射實(shí)驗(yàn)

因?yàn)楸R瑟福的原子模型中原子核帶正電，電子會(huì)在運(yùn)動(dòng)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(chuàng)造玻爾原子模型。當(dāng)然盧瑟福也沒(méi)閑著，他在1920年發(fā)現(xiàn)了α粒子轟擊氮原子發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，再是他的學(xué)生查德維克發(fā)現(xiàn)了中子。

關(guān)于宏觀物質(zhì)的組成其實(shí)到電子質(zhì)子中子這個(gè)層次就差不多了。

物質(zhì)一直都不改變嗎？

現(xiàn)代元素周期表是門(mén)捷列夫發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)然在門(mén)捷列夫以前也有很多科學(xué)家都試圖將有規(guī)律的元素編個(gè)表，但沒(méi)有一個(gè)人有門(mén)捷列夫那敏銳的洞察力和眼光。當(dāng)然周期表很多人都會(huì)背，但元素是怎么編排序號(hào)的呢？它們之間的差別由什么物質(zhì)決定的？

門(mén)捷列夫1869年的周期表。注意此表格的行列與現(xiàn)代元素周期表正好相反：周期為縱行，族為橫行

質(zhì)子數(shù)決定了元素的序號(hào)，中子數(shù)則決定了同位素

上文中我們介紹了質(zhì)子和中子的認(rèn)識(shí)過(guò)程，其實(shí)質(zhì)子發(fā)現(xiàn)還挺有趣的，1917年盧瑟福用α粒子撞擊氮原子核，結(jié)果得到了氫原子核，所以盧瑟福推測(cè)，氫原子核是物質(zhì)最基本的組成。氫原子核中就只有一個(gè)質(zhì)子，而中子數(shù)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(zhì)子數(shù)的差異，而不同元素就是質(zhì)子數(shù)的堆積，盡管當(dāng)時(shí)已經(jīng)搞清楚了這個(gè)差別，但即使是最前沿的科學(xué)家仍然搞不清楚這些元素到底是怎么來(lái)的，相互之間由有什么關(guān)系！

質(zhì)子鏈反應(yīng)

1920年愛(ài)丁頓提出了恒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(yīng)過(guò)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(guò)程。如下則為元素的合成過(guò)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

之后的重元素則從中子捕獲和質(zhì)子捕獲以及光致蛻變中誕生，涉及這些過(guò)程的有紅巨星、超新星以及中子星合并等，這些都是產(chǎn)生比鐵重的元素的途徑。

中子捕獲和衰變過(guò)程

所以我們了解了從元素的產(chǎn)生過(guò)程，那么元素不會(huì)變嗎？

物質(zhì)會(huì)永遠(yuǎn)存在嗎？

其實(shí)這里有兩個(gè)問(wèn)題，需要拆分出來(lái)理解，物質(zhì)是永恒不變的嗎？組成物質(zhì)最關(guān)鍵的質(zhì)子和中子一直都不變？

物質(zhì)是會(huì)改變的！

上文我們說(shuō)了在恒星內(nèi)核中物質(zhì)時(shí)時(shí)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(guò)除了恒星，我們地球上的核電站中的物質(zhì)也在改變，比如鈾-235裂變成了氪-92和鋇-141，在它們之后又會(huì)繼續(xù)衰變成其他元素，導(dǎo)致鈾-235裂變的是中子，獲得了一個(gè)中子的鈾-235原子核不穩(wěn)定，裂變成了氪-92和鋇-141，而這兩種同位素又會(huì)繼續(xù)通過(guò)β衰變的方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榉€(wěn)定的釹和釔。

U-235裂變過(guò)程

裂變和衰變是重元素變成輕元素的一種途徑，過(guò)程中伴隨著能量釋放，這是因?yàn)樽屬|(zhì)子和中子聚合在一起的強(qiáng)作用力在并不能無(wú)限疊加，在重核中強(qiáng)力維持不穩(wěn)所導(dǎo)致。

質(zhì)子會(huì)衰變嗎？

物質(zhì)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(zhì)中最穩(wěn)定的元素，當(dāng)然指它的原子核，常見(jiàn)的鐵元素是鐵-56，它由26個(gè)質(zhì)子和30個(gè)中子組成，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。所以恒星聚變到鐵后再高的能量也無(wú)法讓鐵再聚變，因此隨著外殼坍縮會(huì)引發(fā)超新星爆發(fā)。

恒星內(nèi)部的鐵核

那么鐵元素真的就不會(huì)改變了嗎？上文中我們說(shuō)了中子和質(zhì)子捕獲以及光致蛻變是幾種方式，那么組成它的質(zhì)子和中子就不會(huì)改變了嗎？

在標(biāo)準(zhǔn)粒子模型中，質(zhì)子的重子數(shù)大致守恒，因此質(zhì)子不會(huì)以攝動(dòng)的形式衰變成其他粒子，因?yàn)橘|(zhì)子已經(jīng)屬于能量最低的重子了，中子倒是會(huì)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(wěn)定的。

有理論根據(jù)物質(zhì)比反物質(zhì)多推導(dǎo)出質(zhì)子也會(huì)衰變，但缺少證據(jù)支持，不過(guò)即使按推測(cè)計(jì)算，質(zhì)子的壽命也高達(dá)10^31年，到那會(huì)宇宙早已到達(dá)了熱寂狀態(tài)。而近來(lái)日本的超級(jí)神岡探測(cè)器在水中探測(cè)切連科夫輻射的實(shí)驗(yàn)中得出結(jié)論：如果質(zhì)子完全衰變，半衰期至少長(zhǎng)達(dá)10^34年。

猜測(cè)中的質(zhì)子衰變方式：衰變后產(chǎn)生正電子和中性π介子，而中性π介子會(huì)再度衰變產(chǎn)生兩個(gè)單位的伽馬射線（γ）：

p→e+和π0

π0→2γ

物質(zhì)是來(lái)自哪里的？

問(wèn)題已經(jīng)到達(dá)了本源，現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為宇宙中的所有物質(zhì)都來(lái)自于138.2億年前的大爆炸，當(dāng)然這有廣義相對(duì)論的背書(shū)以及無(wú)數(shù)科學(xué)家推導(dǎo)出來(lái)的宇宙膨脹和原初物質(zhì)豐度和微波背景輻射站臺(tái)，我們姑且信之，因?yàn)闀簳r(shí)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)比這個(gè)更貼合觀測(cè)的理論。大爆炸誕生物質(zhì)的過(guò)程：

138.2億年前的某個(gè)時(shí)刻，熾熱致密的奇點(diǎn)發(fā)生爆炸，隨著這團(tuán)物質(zhì)的膨脹，宇宙中的四大基本作用力：引力、強(qiáng)力和弱力先后從中分離出來(lái)，隨后暴脹開(kāi)始，這個(gè)極速的膨脹將一切都抹平，即使現(xiàn)代仍然可以從微波背景的各向同性中仍然可以觀測(cè)到。

暴脹結(jié)束后宇宙中充滿了夸克膠子等離子體，溫度的繼續(xù)降低足以讓夸克和膠子構(gòu)成質(zhì)子和中子，這是未來(lái)構(gòu)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(zhì)的豐度就是這個(gè)時(shí)候決定的，這個(gè)時(shí)間持續(xù)了大約十幾分鐘，簡(jiǎn)單的說(shuō)這個(gè)時(shí)期決定了早期宇宙物質(zhì)比例，氫、氦以及少量的鋰元素在此時(shí)誕生。

從宇宙誕生到38萬(wàn)年時(shí)，宇宙的溫度才逐漸降低到讓原子核捕獲電子，一片混沌的宇宙才開(kāi)始清朗起來(lái)，光子退耦，宇宙中的第一縷光誕生，那是來(lái)自宇宙大爆炸的光，其實(shí)我們現(xiàn)在依然看得到，那就是微波背景輻射。

到現(xiàn)在為止，我們所說(shuō)的一切都是能觀測(cè)到的，其實(shí)宇宙中還有看不到的暗物質(zhì)和暗能量，不過(guò)即使到現(xiàn)在科學(xué)界仍然說(shuō)不清楚那是什么，一切的一切尚在猜測(cè)之中，而對(duì)它們的誕生，還兩眼一抹黑。

質(zhì)能不是守恒么，宇宙的物質(zhì)或者能量是從哪來(lái)的？

也許沒(méi)有人可以回答這個(gè)問(wèn)題，到現(xiàn)在為止一切都是猜測(cè)，但量子力學(xué)發(fā)展后使得整個(gè)問(wèn)題有了個(gè)猜測(cè)性的答案，不妨來(lái)看看：

量子論中的不確定性理論告訴我們，時(shí)間T和能量Q是一對(duì)共軛量，當(dāng)時(shí)間T非常確定的一剎那，真空中也會(huì)爆發(fā)巨大的能量，因此接下來(lái)的事情就非常有趣了！上實(shí)際六十年代開(kāi)始流行一種理論，認(rèn)為引力是一種負(fù)能量，因此在這個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的能量誕生了質(zhì)量，兩者互相抵消以維持整體上守恒，那么物質(zhì)真的就在一無(wú)所有中誕生了。

麻省理工的阿蘭·古斯就是這個(gè)理論的提出者，他認(rèn)為量子效應(yīng)突然產(chǎn)生了一塊時(shí)空，并且極速膨脹形成了宇宙，而他的這個(gè)暴脹理論解釋了宇宙微波背景輻射為什么會(huì)那么均勻，磁單極子為什么找不到等等，總之暴脹理論已經(jīng)成了宇宙誕生的一部分。

能量誕生了，物質(zhì)從中而來(lái)，它會(huì)隨著天體演變改變宇宙，它會(huì)變得很慢，但最終宇宙有的是時(shí)間等它改變！