铁元素为什么无法继续聚变？那么比铁重的元素又是怎么来的？

仰望天空，宇宙中充满了大大小小的物质结构，布满了无数的恒星、星系、星系团；环顾四周，在我们身边可以看到各种各样的物质形式，有空气、有水、有高楼大厦、有汽车、有各种生物等等，看到这样一个纷繁的世界，我们难免不去想这些物质是怎么来的？追其根本，物质的起源其实就是宇宙的起源，因为我们地球也只不过是宇宙中的一颗普普通通的由物质构成的星球。

那么宇宙的起源是怎样的？

我们对宇宙起源的了解得益于爱因斯坦相对论的提出，这为我们人类能正确理解时空的性质奠定了基础，相对论告诉我们，时间和空间是一个统一的整体，并且时空会因为物质/能量的存在而改变其形状曲率，反过来时空的曲率又会影响物质在空间中的运动状态。

因此在广义相对论控制下的宇宙是一个动态的宇宙，它会因为引力的存在发生收缩，最终坍缩到一个点上，不过在爱因斯坦的心中更加崇尚一个静止的宇宙，所以他就为自己的引力方程引入了一个宇宙常数，这个宇宙常数可以对抗平衡物质引力的作用，以保证整个宇宙是静止的。

不过事实证明，爱因斯坦的引力常数只是他的一厢情愿，宇宙并不需要静止，更不会收缩，而是一直在膨胀，这一重大的发现是埃德温·哈勃在1924年发现的。膨胀的宇宙为现代宇宙学的诞生以及人类对宇宙模型的建立提供了一个绝好的思路。

不仅是宇宙，假如我们在生活中看到一个东西在不断地膨胀，我们很容易就能想到，在过去这个东西肯定体积更小，这一思路对宇宙来说也是适用的。膨胀的宇宙在遥远的过去体积更小、物质更加稠密、温度更高，这就是宇宙大爆炸理论模型来源的基础。

现在我们知道宇宙在138亿年前起源于热大爆炸状态，也就是一个温度、密度、能量非常高的状态，这个状态又来自于宇宙暴涨阶段，在暴涨阶段，宇宙空间以指数膨胀的方式迅速的扩张，暴涨结束后，真空能量衰变到物种和辐射中，产生了我们在标准模型中已知和未知的所有基本粒子。

随着宇宙的膨胀温度的降低，夸克被束缚在和质子和中子中，质子和中子结合产生原子核，直到宇宙诞生后的30万年，随着温度的降低，原子核和电子得以结合在一起，宇宙首次诞生了中性原子，不过宇宙早期进行的大爆炸核合成所创造的中性原子只有氢、氦、锂，其中氢的数量约为92%，氦的数量约为8%，及其微量的锂可以忽略不计。现在氢元素有了，那么元素周期表中其他比氢和氦重的元素是怎么来的？

恒星：宇宙重元素的加工厂

中性原子诞生以后，宇宙充满了以氢为主要成分的气体云，这些物质的分布从严格意义上来说并不是均匀的，而且在大小尺度上都存在极其微小的密度波动，这一点我们可以在微波背景辐射中发现。这些物质密度为微小不均匀就为更大的物质团块的诞生提供了基础。

我们知道物质密度越大引力就越大，所以那些物质密度稍微高的地方就会开始在引力的作用下吸积周围的物质，由于引力是一种失控的力，也就是密度越大的区域形成物质团块的速度更快，而物质聚集就会导致核心温度的升高，超过一定的阈值就会在核心区域点燃核聚变。核聚变的过程就是一个将轻元素融合为重元素的过程，并且损失的质量会以能量的形式释放出来，这就是恒星发光发热的根本原因。

以太阳为例，其核心的温度可以达到1500万摄氏度，密度可以达到铅的13倍，但是就是这样的高温高压，还不足以克服质子之间的库仑力，使得它们融合在一起。不过，多亏了量子力学的作用，两个质子可以发生量子隧穿效应，在极端和极小的几率下瞬间靠近对方并被太阳高温和高压的环境融合成为氘，虽然双质子融合几率很低，但是太阳有10^57个质子，大约10%位于太阳核心，因此从这么大的基数来看，发生质子-质子融合的数量还是很多的。

在氘形成以后，会迅速再捕获一个质子变为氦-3，两个氦-3会继续融合为氦-4，太阳内部每秒钟大约有4×10^38个质子会聚变为氦-4，而这个过程中会有400万吨的质量转化为能量。上图就是太阳聚变重元素的过程，但最后也只能将元素聚变为碳、氮、氧，并发生循环，最后太阳会在行星状星云中死亡，在其核心会留下以碳为主的白矮星。

但是在质量更大的恒星中，会将元素一路聚变到铁，上图展示了更大质量的恒星各种元素聚变发生位置，那么恒星最后的聚变为何会在铁元素停止，发生超新星爆发，核心要么坍缩为中子星，要么变为黑洞呢？

上图可以看到在铁元素以前，元素的聚变都会释放能量，而到了铁以后会发生了变化，这些元素融合聚变以后就不再释放能量，反而会吸收能量，因此恒星到铁以后都无法在继续聚变，而铁核达到了一定的质量会在引力的作用下剧烈的收缩，释放出巨大的引力势能，将整颗恒星炸毁。既然恒星无法聚变比铁更重的元素，那么元素周期表中的其他重元素是咋来的？

其他更重的元素的诞生得益于超新星爆发或者是中子星相撞后产生的巨大能量并且会释放出大量的高能中子，这些中子会被其他元素捕获，使得元素变为更重的元素，铁以后的元素都是这么来的，而这个过程被称为快中子和慢中子捕获过程。

总结一下：

宇宙最基础的元素氢来自于大爆炸的核合成，而比氢重的元素来自于各种质量恒星聚变的结果，铁元素之所以聚变不下去是因为它不再释放能量，或导致核心聚变停止塌缩，毁灭整颗恒星，恒星在毁灭的过程中发生的中子捕获过程，又为宇宙创造了比铁更重的元素。