一變四 四變十二 宇宙演化永恆真理

一變四
四變十二
來到這禮拜更加諷刺

作為科學家，我並不相信報應，但我相信物理上的因果。除了生物學上的病毒傳染會「一變四、四變十二」，天文學上亦有「一變四、四變十二」，而且這個過程更直接影響地球上的生命，甚至整個宇宙的演化。

恆星是一個巨大的煉金術熔爐。構成恆星的元素，絕大部分是氫（原子量為1）。由於恆星自身的重力，恆星裡的氫會互相擠壓。好像擠壓一個氣球一樣，壓力和溫度會上升。當溫度提昇至約1,500萬度，氫原子核就能夠突破彼此的電磁斥力，透過量子穿隧效應結合在一起。

在這個溫度下最的過程是「質子-質子連鎖反應」（氫原子核其實就是一個質子）。簡單來說，就是四個氫結合成一個氦（原子量為4）。

一變四。

不過要注意的是，這個過程並非一步登天。事實上，首先兩對氫核各自結合成氘（氫的同位素），然後這兩個氘再各自與一個氫結合成氚（氫的另一款同位素）。最後，這兩個氚結合成氦，並同時放出兩個氫。這兩個氫能夠繼續連鎖反應。

不過，當太陽差不多用盡體內的氫元素，更多有趣的事情就會發生。其細節很複雜，如果我們只簡略說重點的話，大概就是首先因氫核不足，太陽核心的核反應放出的能量漸漸變少，重力開始將恆星中心壓縮。

本來太陽只有中心部分才會發生核反應，但恆星外圍的氫亦因壓力和溫度增加，亦開始發生核反應，因此恆星中心會向內壓縮，外圍卻會膨脹。這時，太陽就進入所謂的紅巨星階段，尺寸變得比地球軌道更大，因此地球要不是被燒得灰飛煙滅，就是因太陽重力場改變而向外移動。無論如何，因太陽變得非常熱，地球海洋會完全蒸發，所有生物都難逃一死。

扯遠了。回來討論太陽中心的核反應。因體積變小，溫度和壓力再次提高，直至點燃另外一個核反應「碳循環連鎖反應」。碳循環連鎖反應亦是把氫結合成氦的連鎖反應，只不過這次需要一個碳原子核幫手——太陽內部只有微量的碳，來自前一兩代的恆星殘骸，不過已經足夠了。

質子–質子連鎖反應的效率正比於溫度的4次方，而碳循環連鎖反應的效率則正比於溫度的16次方。這個恐怖的數字顯示，太陽裡的核反應將會失控地加速，核反應所產生的能量根本來不及散失到太空之中，因為一個光子要從太陽中心走到太陽表面需時以百萬年計。

這意味著，太陽中心溫度將不斷提高。當溫度達到1億度，另一個核反應「三氦核連鎖反應」就會接手，將三個氦結合成一個碳（原子量為12）。

四變十二。

三氦核連鎖反應由兩個步驟組成：先由兩個氦結合成一個鈹，然後這個鈹再跟一個氦結合成一個碳。三氦核連鎖反應的效率正比於溫度的40次方。

太陽中心的溫度將不斷提高，逐步點燃其他的核反應。加上各種不穩定同位素的核衰變反應，太陽共可合成80種元素。太陽能夠合成的最重元素是釙。

比太陽更重的恆星，有可能合成更重的元素，直至所有比鐵輕的元素都合成鐵了，恆星中心就會變成一顆鐵球。由於鐵的核結合能——即每個核子（質子和中子）結合時釋放了的能量——是所有元素之中最高的，結合鐵需要輸入能量而非放出能量。因此恆星中心的核反應會停止，沒有壓力[1]能夠抵抗重力，中心會急速向內坍塌，然後反彈，造成超新星爆發（II型超新星）。整個過程不足一秒。

超新星爆發之中，所有合成過的元素都會被光分解成氫，然後又在極高溫度裡再次重複核反應，合成宇宙中可以自然找到的所有元素。地球上的生命需要的各種元素，大都來自於超新星爆發[2]。而恆星以至星系的演化過程，又受各種元素的比例所影響。因此，整個宇宙的演化，都取決於主宰這些核反應的物理定律。

一變四，四變十二，宇宙演化永恆真理。

P.S. 都係聽返《喜氣洋洋》。飲杯！

[1]事實上，簡併壓力會再抵擋重力一段時間，不過要解釋的話就過於離題，有興趣的讀者可參考《星海璇璣》第五章第三節「恆星的死亡筆記」，或我的文章《恆星的死亡筆記》。

[2]2017年，人類觀察到首個來自雙中子星結合所釋放的重力波。近年研究發現，許多以往被認為源自超新星爆發的重元素——例如金，比較可能是來自於這類雙中子星結合事件的。可參考LIGO網頁的解說。