为什么第3、4和5号元素在宇宙中非常罕见？

如果把元素周期表上的每一个元素按照它们在宇宙中的丰度来排序，结果会出人意料。最常见的元素是氢，其质量大约占了整个宇宙质量的75%。另外大约25%是氦，它们主要产生于热大爆炸的早期阶段，但也产生于包括太阳在内的大多数恒星的氢核聚变。

氧的丰度位列第三，碳位列第四，紧随其后的是氖、氮、铁、镁和硅，这些都是在大质量恒星内部合成出来的。一般而言，重元素很稀少，轻元素很丰富。但有三个例外：分别是3号元素锂、4号元素铍和5号元素硼。这三种元素是元素周期表中第三、第四和第五轻的元素，只比氢和氦更重一些，那么，为什么这些元素在宇宙中非常罕见呢？

原初核合成

在早期宇宙中，由夸克、轻子、光子、胶子和反物质粒子组成的早期宇宙合成出了第一批原子核。在早期宇宙中，光子的能量太高，以至于无法合成出哪怕是最简单的重原子核——氘，由一个质子和一个中子组成。在宇宙大爆炸之后三分钟，随着宇宙膨胀冷却，反粒子湮灭，质子和中子开始融合在一起，光子的能量不足以把原子核撞开，宇宙开始了原初核合成过程。

原初核合成只持续了十几分钟，这奠定了宇宙的物质基础。宇宙的组成包括大约75%的氢，25%的氦-4，大约0.01%的氘和氦-3，以及大约0.0000001%的锂。少量的锂元素早在恒星形成之前就已经存在的，这对我们来说是一件非常非常好的事情，因为锂是地球上许多应用、技术，甚至是人体所需要的重要元素。

恒星的核聚变

然而，一旦宇宙中开始形成恒星，一切都被改变了。一旦温度升高到400万度以上，氢元素就能聚变成氦，我们的太阳目前正经历这样的过程。恒星的核聚变反应改变了宇宙，它们把事情朝着意想不到的方向改变。

恒星从宇宙大爆炸所产生的气体云中形成，它们的核心温度非常高，从几百万度到几亿度。在这种温度下，对于氢元素而言，它们会发生核聚变反应。但对于锂元素而言，这种极高的温度足以使它们爆炸。锂元素一直是宇宙中最难以测量的元素之一，主要是因为当我们现在能够可靠地提取锂元素信号时，宇宙开始时的许多环境已经被破坏了。

宇宙中充满了诸多重元素：碳、氮、氧、磷，以及地球生命所必需的元素，一直到元素周期表中的铀，甚至是更重的钚。那么，为什么就没有方法合成出锂元素呢？

当恒星燃烧完核心中的氢原子核时，氢核聚变就会减慢并停止，从而导致辐射压力降低，无法对抗引力坍缩，使得核心区域会不断收缩。在此期间，恒星内部的温度将会进一步升高。

由氦组成的核心可以达到十分极端的温度，使得氦可以通过3氦过程发生核聚变反应，合成出更重的元素。在像太阳这样的恒星中，最终被合成出来的是6号元素碳。合成更重元素的唯一途径是产生中子，这可以非常缓慢地使元素周期表中的重元素变多。

对于中低质量恒星，一旦氦聚变完全结束，它们的外层就会脱离，形成行星状星云，而核心则会坍缩成白矮星。

但对于大质量恒星，它们核心还能进一步坍缩和升温，从而启动碳核聚变。碳会聚变成氧，氧聚变成氖，氖又聚变成镁，不停地合成下去，硅、硫、氩、钙、钛和铬等元素会相继产生，一直到铁、镍和钴。铁核聚变会吸收能量，导致大质量恒星的平衡被打破，它们将会发生猛烈的超新星爆发。

在超新星爆发的过程中，还会进一步合成出比铁更重的元素。另外，白矮星-白矮星合并或中子星-中子星合并也会制造出重元素。要是没有这些过程，就没有元素周期表中的各种元素，地球生命就不可能会进化出来。

特殊的锂、铍和硼

我们几乎可以解释在宇宙中发现的每一种元素，但锂、铍和硼是个例外。我们所知道的元素合成机制都不能产生铍和硼元素，而且我们所探测到的锂元素丰度不能仅仅用原初核合成来解释。

氢聚变生成氦，氦是2号元素。氦需要三个氦核聚变成碳，碳是6号元素。但如何解释锂、铍和硼的存在呢？

事实证明，没有一种恒星过程能在不摧毁这些元素的情况下，产生足够数量的它们。如果把氢与氦结合在一起，结果会得到锂-5，但它极为不稳定，很快就会衰变。如果把两个氦-4核融合在一起，可以合成出铍-8，但铍-8也十分不稳定，马上就会衰变。事实上，所有质量数为5或8的原子核都是不稳定的。

从与恒星有关的过程中，无法得到这三种元素。然而，锂、铍和硼不仅都存在于宇宙中，而且它们对地球上的生命进化也是至关重要。

锂、铍和硼究竟来自于哪里？

根据目前的推测，这三种元素的存在要归功于宇宙中最高能的粒子来源——脉冲星、超大质量黑洞、超新星、千新星和活跃星系。这些都是宇宙中天然存在的超级粒子加速器，它们会向整个星系的各个方向喷射宇宙粒子，这些粒子甚至有足够的能量来跨越浩瀚的星系际空间。

宇宙粒子加速器发射出去的高能粒子朝着四面八方运动，它们有可能会与其他粒子发生碰撞。如果被撞击的粒子是碳或者更重的原子核，那么，碰撞产生的巨大能量将会引发另一个核反应，重原子核分裂开来，产生一系列低质量粒子。这就像核裂变反应能把重原子分裂成轻原子一样，宇宙射线也会撞开重原子核。

当高能粒子撞击重原子核时，巨大的原子核会分裂成各种各样的粒子。这种过程被称为散裂，它是锂、铍和硼的主要形成来源。锂、铍和硼是宇宙中仅有主要依靠散裂过程形成的元素，它们不像其他重元素那样依赖于与恒星有关的过程。

由于锂、铍和硼的产生依赖于高能粒子在宇宙中的偶然碰撞，这使得它们的丰度非常低，只有碳、氧和氦的十亿分之一。虽然这些元素在宇宙中非常稀少，但它们是地球生命不可或缺的元素。