王群光醫師的中道自然醫學

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【氫分子生物學】氫是宇宙元素


第一節 氫是宇宙元素

氫(hydrogen)是一種化學元素,在元素周期表中位於第一位,元素符號是H,是自然界最小的原子。氫元素是自然界中最簡單的元素,有3個同位素,分別為氕、氘和氚。

霍金被認為是世界上活著的最聰明的科學家,關於他所研究的物理學和大爆炸理論,普通人實在難以全面理解。我們暫且不探究他的理論是否完全正確,從歷史角度看,將來應該有更理想的理論來解釋這些現象。但他的理論目前是公認正確的,且看他是如何描述宇宙產生的。

為了解釋他和其他人關於量子力學如何影響宇宙的起源和命運的思想,霍金提出了“熱大爆炸模型”。這一觀點認為,我們的宇宙是起源於150億年前密度無限大、溫度無限高和體積無限小的一個極點的爆炸。那是宇宙的起源,也是時間和空間的起源。大爆炸模型假定,從大爆炸開始那一刻起,宇宙就按照弗利德曼模型演化。所謂弗利德曼模型,是指宇宙膨脹過程中,宇宙中任何物體都會因為輻射而降低溫度(就是會散熱)。溫度是微觀粒子平均運動速度的整體或宏觀體現;粒子運動速度越快,則宏觀溫度越高,反之亦然。宇宙降溫會對其中的物質狀態產生巨大影響。在非常高的溫度下,粒子運動得非常快,甚至能逃脫任何由核力或電磁力將它們吸引到一起的限制(這個時候無法形成原子)。但可以預料,當溫度逐漸變低時,互相吸引的核力或電磁力使粒子開始相互結合。

在大爆炸後的大約100秒,溫度從無限大迅速降低到了10億℃。在此溫度下,質子和中子不再有足夠的能量逃脫這些粒子之間強核力的相互吸引,所以開始結合產生氘(重氫)的原子核。氘核包括一個質子和一個中子。所以宇宙中演化過程中出現的第一類原子核就是氘元素。然後氘核和更多的質子、中子相結合形成氦核,它包含兩個質子和兩個中子,還產生了少量的兩種更重的元素鋰和鈹。餘下的中子會衰變成質子和電子,質子不需要和任何粒子經結合,本身就是氕原子的核,也是我們所熟悉的氫離子。也就是說原子核形成過程中,先有氘原子核,然後有氕原子核;先形成原子核,後來才出現原子。

大爆炸後的4分鐘,氦和其他元素原子核的產生就基本停止了。從宏觀上考慮,此後30萬年左右,宇宙僅僅只是繼續膨脹,沒有發生明顯變化。最後,一旦溫度降低到幾千度,電子和核子不再有足夠能量去抵抗它們之間的電磁吸引力,才開始結合形成原子。就是在大爆炸後30萬年這個時候,質子和電子結合,宇宙中最偉大,最重要的成員氫原子誕生了。

隨著時間流逝,星系中的氫和氦氣體被分割成更小的星雲,它們在自身引力下坍縮。當它們收縮時,其中的原子相互碰撞,氣體溫度升高,直到最後,熱得足以開始發生熱核聚變反應。這些反應將更多的氫轉變成氦,釋放出的熱升高了壓力,因此使星雲不再繼續收縮。正如同我們的太陽一樣,它們將氫燃燒成氦,並將得到的能量以熱和光的形式輻射出來。它們會穩定地在這種狀態下停留一段很長的時間。質量更大的恆星需要變得更熱,以平衡它們更強的引力,使得其核聚變反應進行得極快,以至於在一億年這麼短的時間裡將全部氫消耗完,並給生命進化的行星提供光和熱。

無論我們現在的宇宙是不是真如上述所描述的這樣形成的,科學觀測表明,組成宇宙的成分中,90%是氫元素,9%是氦元素。我們生活的地球上似乎不是這樣的比例。地殼中各元素的含量從大到小依次為:氧48.06%,硅26.30%,鋁7.73%,鐵4.75%,鈣3.45%,鈉2.74%,鉀2.47%,鎂2.00%,氫0.76%,其他0.76%。不過宇宙的主要成分中,像地球這樣的星球並不是主要的,太陽這樣的恆星才是分量更大的宇宙成員,才是決定宇宙成分的主要因素。

說氫是宇宙元素,可以從3個方面來考慮。首先,氫元素在組成上是宇宙的主要成分;其次,氫元素是宇宙中結構最簡單的元素;第三,氫元素是宇宙中能量轉化的中心。德國著名天體物理學家格哈德曾經說過“氫是宇宙中最重要的成分”。著名的科普作家、華盛頓大學教授、物理學家里格登的一部《氫的傳奇》2002年被《發現》雜誌選為20部最佳科普著作。里格登是這樣評價氫的:“我們對物質世界的認識,小到最基本的原子,大到宇宙本身,其實都可以由氫原子貫穿起來。”在《氫的傳奇》中,作者展示了氫原子在科學發展歷史中的獨特魅力,氫原子結構最簡單,也最為獨特。數百年來,氫原子一直挑戰著世界頂級科學家的興趣和信心。如果讓筆者來評價氫元素,我覺得氫元素就是為科學而生,圍繞氫的研究簡直可以寫成自然科學的一部經典史書。而且,它現在又開始進入生物學家的視野,將在生物學領域繼續演繹它的傳奇。

巧合的是,有機生命組成最多的元素也是氫,作為電子傳遞介質氫也是生命能量轉化的中心成員,而作為生命內環境最重要的成分水主要也是由氫元素組成。因此可以說氫元素不僅是宇宙元素,更是生命元素。

有人說世界起源於自然法則,也有人說起源於氫元素。無論是在宇宙、銀河系、太陽、行星、衛星,還是漫長、精彩演化的各類生命起源和進化形式,氫元素都無處不在,並一直扮演最重要的角色。

以上文章出自
http://www.ckwang.com.tw/n-H2-101.html

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