我们每一个人,都是由无数个微小的粒子——原子,所共同构建的生化宇宙。单个原子结合形成基本的分子,进而组装为复杂的生物大分子,这些大分子再进一步构建成细胞内部的细胞器。而你我,便是由大约75万亿个独特细胞所组成的集合体。今天,让我们探索:宇宙、原子以及我们生命的奇妙联系。
尽管一个人体异常复杂,但本质上,我们仍旧是原子的结合体。其数量之巨大,令人瞠目结舌——我们体内包含了约10的28次方个原子。
试问,一个人体与一个原子之间的规模差距究竟有多大?以下的类比或许能助你一探究竟:假设将构成人体的每一个原子比喻为组成太阳系的“基本单位”!
太阳系的总物质量,拢共约有10的57次方个原子,也就是说,太阳系中大约含有10^29个“人体原子团”。因此,一个原子与人的对比,如同人与整个太阳系的对比。这便是原子与人体在规模上的显著区别!
而构成人体的每一个特定原子,都拥有其自身的传奇历程,并可追溯至宇宙的起源。
约在138亿年前,宇宙尚未有任何实体存在。所有物质与能量皆以真空势能的形态存在。在10^-36秒的瞬间,真空势能引发了宇宙的急速膨胀,而在10^33秒之后膨胀停止,真空势能转化为物质粒子,宇宙步入再加热阶段,形成由夸克、胶子和等离子体构成的浓汤——这就是人们所称的大爆炸初期。由于当时宇宙温度极高、密度极大,连夸克和胶子都无法结合成重子物质。
但宇宙的膨胀与冷却速度惊人,不足一秒钟,夸克和胶子就能结合为稳定的质子与中子,成为构成所有原子核的核心成分。
此时的质子力求与中子合成氘,然而宇宙辐射的能量过高,新生的氘仅存在一纳秒便遭电离,故需等待宇宙进一步膨胀方可。
大约三分钟过后,部分中子蜕变为质子,而宇宙冷却至足以形成稳定原子核的程度。质子和剩余中子迅速形成氘,随后是氦-3,最终氦-3与一氘融合成氦-4原子核。在宇宙的早期阶段,仅有8%的原子转变为氦-4;余下的92%则为普通的质子,亦称氢核。
自原子核的形成至首个中性原子的诞生,宇宙经历了约38万年的膨胀与冷却过程。最终,温度降低到质子与电子可以稳固结合。中性原子的形成标志着宇宙从一片炙热的等离子体浓汤变为半透明状态,光子不再受阻,沿既定路线传播——这便是宇宙大爆炸后的首缕光芒,名为大爆炸辉光——微波背景辐射。
紧接着的一亿年间,宇宙一片漆黑,充斥着大量原始气体云。万有引力开始施展其魔力,一些密度稍高的区域开始以加速度吸收周边物质。随着温度与压力的上升,在塌缩中心点燃核聚变,诞生了宇宙的第一代恒星。然而,大多数原子并非第一代恒星的构成部分,超过95%的原子依然游离在外。
形成恒星之后,原子在高温下重新电离。此时,宇宙的气体云主要由密集的中性原子构成,而中性原子会吸收大部分可见光。因此,这一时期被称为宇宙的黑暗阶段,亦即不可见阶段。
随着第一代恒星的诞生,强烈的辐射也会电离其周围的部分气体云。
但大多数原子仍旧被密集的分子云所包裹,免受辐射影响。因此,需要更多恒星参与彻底的电离过程,而这一过程持续了数十亿年,从而使宇宙进入透明时期。这正是我们今日能仰望星空,目睹星光的原因所在——大部分可见光可以穿透星际气体云抵达我们的视线。
在恒星内部,原子失去电子,缓缓沉淀至恒星核心。在那里,氢核融合生成氦核。当核心的氢燃料耗尽,氦又开始聚变,形成碳核。
大质量恒星能将碳核持续聚变至铁,并生成少量钴和镍。一旦恒星核心停止核聚变,重力坍塌过程中释放的巨大能量将引发超新星爆炸,恒星随之消亡。而恒星一生中产生的元素则被抛向星际介质,在太空中存留数十亿年。
在宇宙的舞台上,恒星不断循环着生死,丰富了星际介质中的元素种类。星际介质在引力作用下聚集,新的恒星由此诞生。
在银河系某个不显眼的角落,同样上演着这样的故事。那里是我们太阳系的发源地,太阳、地球以及太阳系中的一切,均由此孕育。
自宇宙诞生之初的氢元素开始,经过恒星的形成,直至地球的诞生,我们已拥有元素周期表中的所有元素,它们成为构建我们这个多彩世界的基石。
例如,恒星内部核聚变产生的碳原子会与四个氢原子结合,生成甲烷。随着时间的流转,甲烷经历无数化学反应,构建更为复杂的分子结构。
这些分子结构在生命诞生过程中成为细菌DNA的组成部分,继而成为植物细胞壁或复杂有机体的一部分,它们也直接构成了我们人类,或者转化成我们的食物。
此刻,那个碳原子或许就在你的某个红细胞之中,而在红细胞内,它将驻留约120天,直至该细胞被另一细胞替代。
尽管我们体内的细胞不断经历生命的循环,你却依然是原来的你。原子或许在你的体内外扮演着不同的角色,但它们始终是构建你我的基石。
根据你体内DNA的编码指令,这些原子或分子不断复制新细胞以替换那些衰老的细胞,每次使用的原子各不相同。
综上所述,无论是一个原子的宇宙,还是宇宙中的原子,你我体内的每一个原子都有着壮丽而独特的故事。
宇宙的传奇就藏匿于你身体的每一个原子之中。因此,我们的故事,可以追溯到137亿年前,你我皆是那个时代的产物,一个原子所构成的宇宙,以及宇宙中一个微小的原子。