大家好,今天小编关注到一个比较有意思的话题,就是关于未解之谜116的问题,于是小编就整理了2个相关介绍未解之谜116的解答,让我们一起看看吧。
据说宇宙最后所有的元素都会变成铁,这是为什么?
答:这个说法是热寂学说中,一种可能的宇宙结局;热寂学说本身存在很大争议,所以关于题目说法,大家当做猜想就行。
我们知道,热力学第二定律也叫做“熵增定律”,公式为ΔS≥ΔQ/T,说的是一个封闭系统的熵,只会随时间增加或者保持不变,这条定律非常无情地指出了时间的不可逆转性。
如果把熵增定律用在整个宇宙模型中,就会得到“热寂学说”,指宇宙经过足够长的时间后,宇宙整体达到热平衡,整体的熵也会达到最大值,此时称之为热寂状态。
如果把量子力学用在热寂学说上,就可以得到题目的观点,其中的关键在于质子衰变问题。
在粒子物理学中,理论上预言质子是可以发生衰变的,只不过质子的半衰期非常长,至少为10^35年,比我们宇宙年龄还要长10亿亿亿倍,所以质子一般都视为稳定。
理论上,在遥远未来的某一时刻,宇宙中的所有元素有可能都会转变成铁元素,准确的说是铁-56。
热力学第二定律表明,作为孤立系统的宇宙,它的熵始终在增加,即混乱度会越来越高,有用能会越来越少,这就是熵增原理。基于这种原理,宇宙中的总熵终有一天会达到最大值,宇宙万物处于热平衡,这就是宇宙的可能最终结局——热寂。
在宇宙演化到热寂结局的过程中,如果整个宇宙没有发生质子衰变,那么,宇宙中的元素都将会转化为铁元素。因为在所有元素中,铁-56的比结合能最大,原子核最为稳定,熵值最大。
因此,在量子隧穿效应的作用下,比铁轻的元素会发生核聚变形成铁-56,比铁重的元素会发生核裂变形成铁-56,所以宇宙中所有元素最终都会转变成铁-56,使得宇宙的熵达到极大值。不过,宇宙物质衰变成铁的时间还早得很。根据理论预测,这个时间至少要在10^100年之后才会开始。
据说宇宙最后所有的元素都会变成铁,那不是老了都变成铁,变成“老铁”。难道老铁真的是并非浪得虚名?
科学的解释是:虽然在所有的元素中,铁56的结合能最大,最稳定,最不容易发生核反应,但铁元素并非宇宙的最终归宿。
一、从宇宙的演化角度来看,铁核恒星多是无法稳定存在的。
1、超大质量恒星演化到后期,当内核的硅聚变成铁(56)积攒到一定程度,往往会发生大规模的爆发,将所有物质向外太空抛洒。包括铁元素在内的一切抛洒物,最终又将为新的恒星作嫁衣裳。
2、超大质量恒星将原子核外的电子压入核内,电子与质子结合成中子,形成中子星。
但中子星和黑洞,均不是以质子数概念的元素形式存在。
二、从“熵增原理”考虑
作为孤立系统的宇宙,终有一天熵值会达到最大化而最终稳定,即宇宙万物最终处于热平衡状态——“热寂”。
那时,夸克、轻子和传播子等基本粒子的混沌态才是宇宙最终归宿。
大家都知道,如果从氢元素开始聚变,那么最终会停在铁元素。但是宇宙中本来就存在铁之后的元素,比如我们熟悉的黄金和白银。宇宙最后会变成铁,当然这个说法就是有问题的了。
在恒星内部,通过核反应最高只能聚变出铁元素。铁56的比结合能最大,再要合成更重的元素,就不是放热反应,而是吸热反应了,因此更重元素无法通过核聚变来产生。那是不是所有重元素都来自超新星或双中子星合并呢?也不尽然,在恒星内部,也有一条持续稳定的路径,让比铁重的元素逐一生成,这就是“慢中子俘获”。
第一代超新星爆炸出一些重元素的碎屑,有些飘荡在宇宙空间,凝结成行星,也有些被其他恒星吸引过去,成为进一步核反应的母核。在恒星内部,有着各种各样的辐射,其中就有中子辐射。偶然的机会,“贪吃蛇”母核将中子俘获过去,“吃”进肚里,变成更大的原子核。这个过程很漫长,可能要一年,甚至十年,才会发生一起俘获事件,所以称为“慢中子俘获”。
这些原子核就如同滚雪球一般,越来越大。然而雪球毕竟是有限度的,吃胀肚子的不稳定原子核会发生β衰变,吐出电子和中微子,变成了原子序数+1、原子量相同的其他元素。
▲原子核吃进中子,吃多了会“消化不良”,发生β衰变,中子变成质子。
比如银109“吃”掉一个中子,变成不稳定的银110,立刻衰变成镉110。镉元素比较能“吃”,连吃五个中子一直吃到镉115,才衰变成铟115,然后是铟116,又衰变成锡116。偶数位的锡也是个“吃货”,接连吃掉五个中子,到了锡121才撑不住,衰变成锑121。
原子核就是这样通过“慢中子俘获”过程,如同滚雪球一样越来越大,最终到了铊元素,遇到了问题。
▲从银到锑的慢中子俘获过程。
其实宇宙在刚刚诞生的时候,只产生了两种元素,一种是氢元素,一种是氦元素,前者占75%,后者大约是25%。
这两种元素随着恒星的聚变,就产生后面的元素,例如碳,氧,钙,氮等等,那么一直到第26号元素铁为止,恒星的聚变才算真正结束。
按照这个理论,宇宙中的氢和氦,终有一天会全部变成铁,而铁既不能聚变,也不能裂变,所以我们这个宇宙,终有一天会走向死亡。
到时候没有恒星,没有生命,当然也就没有人类了,但这个过程非常的漫长,大概需要10的14次方(100万亿年),宇宙中的氢才会用完。
但这里还有一个问题,就是如果不考虑质子衰变,在大一统理论当中,质子是会衰变的,但衰变的周期及其漫长。
大概在10的36次方年之后,宇宙中有一半的质子衰变光子和轻子,而在10的40次方年之后,所以的质子都衰变完毕。
这个时候宇宙中的物质,只会存在两种,一种是轻子,一种是黑洞,而黑洞则会缓慢蒸发,大概在10的100次方年之后后,99%的黑洞都会蒸发完毕。
而一些超大质量的黑洞,则会在10的150次方年之后蒸发完毕,最后在10的1000次方年之后,宇宙彻底进入热寂。
这个宇宙基本已经死亡,没有生命,甚至连天体都没有,但宇宙是否会变成这样,一切还只是人类的猜测......
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