氢元素是怎么来的？为什么氢被烧了138亿年，占比还有75%？

在地球大气中，含量最多的元素是氮和氧。在地球表面上，70%被海水覆盖，1个水分子中包含2个氢原子，这样看起来地球上的氢元素非常多。但事实上，地壳中丰度最高的元素是氧、硅、铝、铁和钙等元素，氢元素位列第10，质量占比仅为0.14%。

虽然氢元素在地球上的丰度非常低，但这种元素在整个宇宙中的含量最高，其质量占到了整个宇宙的75%。那么，为什么宇宙中会有这么多元素呢？氢元素以及其他元素都是怎么来的呢？

氢元素的来源

作为元素周期表中的第1号元素，氢元素是宇宙中第一种被合成出来的元素，它们出现在极早期的宇宙中。氢原子核（氕核）中只包含一个质子，也就是说，质子就是氢原子核。一个质子俘获一个电子，可以形成稳定的中性原子，这就是氢原子。

在138亿年前，宇宙从炽热致密的奇点中发生大爆炸而诞生。此后，空间经历了极其短暂的暴胀过程，宇宙温度从10^32度的普朗克温度迅速降低。宇宙开始合成出了夸克、胶子和轻子基本粒子，但那时的温度高达数千万亿度，这些基本粒子处于夸克-胶子等离子体的状态。

到了宇宙诞生大约1微秒之后，宇宙开始了重子产生过程，夸克在胶子的束缚下合成出了质子和中子。理论上，宇宙中最初合成出来的质子和反质子数量应该是一样的。但如果是这样，正反质子就会完全湮灭成能量，也就不会有现在充满物质的宇宙。关于正反物质的不平衡，有很多理论解释，其中包括CP（电荷***轭和宇称）对称破缺。

不管怎样，在早期宇宙中，每产生一亿零一个质子，对应会产生一亿个反质子。到了宇宙大爆炸之后100微秒，空间持续快速膨胀，宇宙的温度下降到了大约10万亿度，反质子都被湮灭掉，最终只有质子残留下来。同样地，还有中子、电子保留下来。

在宇宙诞生还不到1秒时，通过弱相互作用，质子和中子之间相互转化。质子不断与电子结合产生中子和中微子，中子不断与正电子结合产生质子和反中微子，质子与中子的比例维持在平衡的状态。

随着宇宙温度的迅速下降，到了宇宙大爆炸之后1秒，宇宙温度略低于中子-质子质量差，这些弱相互作用的速度慢于宇宙的膨胀速度，由于质子的质量更低，这有利于产生质子的过程，导致中子和质子的比例下降到1:6，并在此冻结。

自由中子非常不稳定，它们很容易发生β衰变产生质子、电子和反中微子。自由中子的半衰期只有10.2分钟，平均寿命仅14.7分钟。如果宇宙中没有进一步发生反应让中子能够稳定地束缚在原子核中，宇宙将会是纯氢。

在宇宙诞生三分钟之时，宇宙的温度下降到了10亿度，中子经过衰变之后，中子和质子的比例进一步下降到1:7。由此启动了原初核合成过程，宇宙开始合成比氕核更重的原子核。

质子和中子会先结合成氢的同位素——氘核。氘核非常不稳定，它们会与中子或者质子碰撞形成氚核（氢的最重同位素）或者氦-3。氚与氦-3也非常不稳定，它们分别会与质子和中子发生碰撞，结合成稳定的氦-4。在原初核合成过程中，中子几乎都被束缚到氦原子核中。

氦-4十分稳定，它们需要数万年的时间才会有效形成碳原子核。而宇宙温度下降非常快，原初核合成只能持续大约17分钟，所以更重的元素基本上都来不及合成。

考虑到质子和中子数的比例为7:1，一个氢核只有一个质子，一个氦核包含两个质子和两个中子，而且质子和中子的质量非常接近，所以氢与氦的质量比为3:1。因此，宇宙中最初的物质组成为75%的氢和25%的氦。

其他元素是怎么来的？

在宇宙大爆炸数千万年之后，宇宙中的氢和氦通过引力结合形成了第一代恒星。在质量巨大的恒星中，氢先会转变为氦，氦又会通过3-氦过程合成出更重的元素，一直到铁、镍。数百万年后，第一代恒星就会爆炸成超新星，在此期间，通过中子俘获过程可以产生铁以上的元素，这个过程在如今的宇宙中还在持续。另外，死亡恒星之间的碰撞也会合成出重元素。

不过，锂、铍和硼的来源比较特殊，它们不是来自于与恒星有关的过程，而是来自于高能宇宙射线轰击重原子核的散裂过程。

宇宙中的氢元素会被消耗完吗？

虽然宇宙中存在着数以亿计的恒星，它们在不断地通过氢核聚变来消耗氢元素，但138亿年过去了，被消耗掉的氢元素仍然极少。根据光谱分析，如今宇宙中的氢元素质量占比仍有75%，氢还是宇宙中丰度最高的元素，比氦更重元素的丰度仍然非常低。

宇宙中大部分的氢都是弥漫在星际和星系际空间中，它们很少能够聚集在一起形成恒星。因此，宇宙中的恒星不会消耗掉所有的氢元素。事实上，就连恒星本身都无法完全消耗掉自身的氢元素，因为只有核心区域的氢才能发生核聚变，大部分的氢还是维持原状。例如，太阳的氢核聚变已经持续了46亿年，但氢元素的含量仍然有将近四分之三。

如果要消耗完氢，可能也只有等它们自己消耗掉自己——质子衰变。一些大统一理论预言，质子在漫长时间跨度下是不稳定的，它们最终也会发生衰变，形成正电子和伽马射线。据估计，质子的半衰期长达1万亿亿亿亿年。因此，如果质子真的能够发生衰变，那么，宇宙最终也会消耗完所有的氢元素。