世间万物都在运动变化，都有各自的起源和演化规律，碳元素也不例外，也在不断演变和进化，也有其起源和演化的规律。

那么碳是从哪里来的呢？

早在1886年，英国著名科学家克鲁克斯曾发表了一篇论文《元素的产生》，提出所有的元素都是由一种原始物质逐渐凝聚而成的。1932年匈牙利天文学家勒梅特首次提出宇宙大爆炸概念。他根据任何事物都是从简单到复杂的规律，认为整个宇宙最初是聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了现代的宇宙。1956年，美国科学家尤里首先发表了在宇宙间元素分布的数据，发现氢最多，氦次之，再次为碳、氮、氧，并且某一元素随其原子量的增加而迅速减少，但到了铁时又会突然增多，而比铁原子量更重的元素则又逐渐减少。1948年，美籍俄国天体物理学家伽莫夫考虑到，如果按照爱因斯坦的广义相对论的理论再加上一些原子的反应过程，就有可能推算出宇宙的演化历史。伽莫夫和他的学生阿尔文及朋友贝瑟一起将他们的论文《化学元素的由来》投给著名的刊物《物理学评论》，这篇文章最后按照三位作者名字第一个字母的希腊文读音，被称之为αβγ理论。这一文章在勒梅特想法的基础上，完整地提出了他们的大爆炸宇宙模型，提出宇宙起源于大约150亿年前一次巨大的爆炸，由最早时期温度极高且密度极大，体积极小的一个“奇点”迅速膨胀而形成，是一个由热到冷、由密到稀不断膨胀的过程，犹如一次规模极其巨大的超级大爆炸。根据天文观测和爱因斯坦的相对论，现代天文学界和物理学界都一致认同宇宙诞生的大爆炸理论。20世纪60年代，这个预言果然被天文学家在对宇宙进行观测后证实，这也就使大爆炸宇宙模型成为宇宙学界的标准模型。它与粒子物理学中的夸克模型、生物学中的DNA双螺旋结构模型和地质学中的板块模型一起，并称为20世纪科学界最著名的四大科学模型。

在此基础上，1954-56年间福勒（Fowler）与伯比奇夫妇 (E. M. Burbidge和G. R. Burbidge) 以及霍伊尔 (F. Hoyle) 合作，对恒星中的核反应进行了一系列的研究。1957年，他们全面阐述了恒星中化学元素的核合成，在《现代物理评论》上发表了后来简称为B2FH（四作者名的第一个字母）理论的著名论文。该论文指出了恒星的演化方向以及与恒星演化各阶段相应的8种核合成过程，提供了计算恒星内部结构的客观基础，阐明了超新星爆发和大质量恒星演化的关系。

近年来美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)向天文学家提供了新的数据，证实大爆炸理论的正确性，它已探测到137亿年前大爆炸后40万年所形成的余辉，发现约40亿年后第一代星球的生成。

WMAP探测到的宇宙膨胀过程

因此，根据最近标准宇宙论模型以及B2FH理论，比较一致的认为是：宇宙是在不断地进行膨胀和收缩循环，既没有开始，也没有结束，我们处在的这一轮循环是大约137亿年前由收缩到非常致密的小质点爆炸后产生的。大爆炸后的极短时间内（10-30秒）宇宙便加速暴胀，目前正处于缓慢膨胀的初期，仍在继续膨胀。在爆炸后的百万之几秒，温度达1千亿度（1011K），形成一种超炽热、极致密、由一些被称为夸克(quark)和胶子(gluon)的粒子组成，它们四处游荡，横冲直撞。随后少量的电子、光子和其他较轻的基本粒子又参加进来。这时混合物的温度可高达上万亿℃，比太阳核心还要炽热10万倍以上。但是，温度会随着宇宙的膨胀而直线下降，就像今天一团普通气体在迅速膨胀时会冷却一样。夸克和胶子的速度也大为减慢，以致其中一部分开始能暂时地粘连在一起。随着宇宙的膨胀，当其冷却至1百亿度时，夸克通过胶子传递的强作用力组成亚原子粒子质子和中子，后者又进而形成原子核。当电磁力起作用时，原子核捕捉电子后形成一些最轻的氢和氦原子，这一过程仅三分钟。在大爆炸10亿年后，宇宙冷却到4000K时，最初形成的氢、氖、氦等元素组成原始星际物质，靠引力收缩形成原始恒星团块，此时温度又逐渐升高，当温度达到700万K时，原子中电子脱除，仅剩原子核，高温高压下它们因热运动碰撞，两个轻原子核熔合在一起成为一个重原子核。在温度为110～1110万K的恒星中，主要产生质子－质子热核反应，氢核聚变转化为氦。当恒星中心温度和压力提高至氦被点燃时，氦芯收缩而外层膨胀和冷却，变成了红巨星。按照B2FH理论，通过3α过程，三个氦原子可聚变成一个碳原子。这一过程由两步完成，先是两个α粒子(即4He原子核)形成8Be，但后者寿命仅10^-16秒，然后再捕获一个α粒子，形成12C。因此，碳是完全在星球内部形成的第一个最轻的元素。若星球核心进一步收缩至6亿度以上的高温，则碳继续聚变产生氧、镁等原子核。如果没有形成碳的3α过程，就不可能进一步形成其它重元素。在形成质子数为26的铁之后，核聚变不再是放热反应，此时核心产生的震动波与外层的物质相撞，释放大量能量产生更多热核反应，从而形成更多比铁更重的元素。恒星外层炸掉，形成所谓超新星爆炸，一系列热核反应生成的各种元素也被散布到宇宙各处。据估计太阳中每106氢核有215个碳原子，宇宙中106氢核中有85个碳原子，而恒星包覆物及环绕其外围中碳/氧>1的富碳星每年可产生固态C的速率约为0.002M⊙（M⊙为太阳的质量）。

在温度为 ~5×107K的最早恒星中，会以更高速率产生必要量的碳来催化氢的燃烧。太阳中心温度为1500万度，而质量>1.5M⊙的恒星，其核心温度可达3000万K以上，此时主要是：“碳氮氧循环”（也称“碳循环”）反应。在此反应中，碳作为中间物起催化作用，所以碳在恒星发光发热过程中也起着重要作用。1938年贝特（Bethe）提出这一碳氮氧循环理论,并因此获得1967年的诺贝尔奖。

从现代观点看，整个宇宙都是大爆炸后热核反应的产物，无论是我们每天看到的太阳，还是我们目前生活的地球都莫不如此。作为物质的一种的碳元素当然也不例外。可以说，我们人体中的每一个碳原子也都是宇宙大爆炸后，在恒星热核反应中燃烧 “灰烬”的产物。

碳是宇宙前期中形成的关键元素,也是地球上最活跃的元素,其存在形式复杂而且在不断地演化:从单一键态，演化到复合键态的多形式碳；从早期的原生碳，演化到无机碳,从无机碳演化到有机碳；碳的单质形态，也从链型向层型、管型、球型和配位型不断转化。那么宇宙中的碳有哪些形态？请看研炭翁说碳(六)宇宙中的碳。

本文来自王茂章科学网博客。

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