据说宇宙最后所有的元素都会变成铁，这是为什么「不准套娃」

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据说宇宙最后所有的元素都会变成铁，这是为什么

答：这个说法是热寂学说中，一种可能的宇宙结局；热寂学说本身存在很大争议，所以关于题目说法，大家当做猜想就行。

热寂学说

我们知道，热力学第二定律也叫做“熵增定律”，公式为ΔS≥ΔQ/T，说的是一个封闭系统的熵，只会随时间增加或者保持不变，这条定律非常无情地指出了时间的不可逆转性。

如果把熵增定律用在整个宇宙模型中，就会得到“热寂学说”，指宇宙经过足够长的时间后，宇宙整体达到热平衡，整体的熵也会达到最大值，此时称之为热寂状态。

质子衰变

如果把量子力学用在热寂学说上，就可以得到题目的观点，其中的关键在于质子衰变问题。

在粒子物理学中，理论上预言质子是可以发生衰变的，只不过质子的半衰期非常长，至少为10^35年，比我们宇宙年龄还要长10亿亿亿倍，所以质子一般都视为稳定。

在1983年，日本制造了一个名为“神冈核子衰变实验”的探测器，探测器置于地下1公里处，探测器内装有5万吨超纯水，水中几乎不含任何杂质，周围上万个光电倍增器，用于捕捉超纯水发生质子衰变的事件。

可是经过多年的探测，质子衰变实验并未获得成功，只是得到了质子的半衰期下限值为10^35年；不过在1987年，探测器意外发现了1987A超新星爆发事件释放的中微子。

此后，“神冈核子衰变实验”更名为“神冈中微子探测器”，主要目标也转变为对中微子的研究，并获得了许多成果，还帮助日本拿下好几个诺贝尔物理学奖。

宇宙的未来

根据热寂学说和量子力学观点，宇宙在足够长的时间后，会因为衰变和量子效应，全部物质的熵将变得最大，甚至黑洞也将蒸发殆尽。

在所有物质中，铁原子是最稳定的，也既是熵最大的物质，那么在热寂学说成立的条件下，如果质子不发生衰变，那么宇宙最后就只剩下铁元素，既是题目所说的观点。

如果质子存在衰变现象，那么铁元素中的质子最后会衰变为轻子（比如电子、中微子等等），而中子会先衰变为质子，再发生质子衰变，这个时间数量级长达10^1500年。

艾伯菌的观点

该问题的讨论意义不大，因为质子衰变、霍金辐射、热寂学说等等，都还没有得到证实；甚至粒子物理学也还存在很多未解决的问题，随便一个猜想错误，都会导致题目观点陷入误区，所以大家也不要太当真了。

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理论上有可能，但现实不可能，因为宇宙有生命，等不了那么久了。宇宙的终极形态不可能是铁。富含铁元素只是宇宙演变过程中的一个较长时间阶段而已。

我们都知道铁元素是元素周期表上第26位，其中以铁56的结合能最大。

这也是宇宙中最稳定的原子结构了。在铁以上的元素很难聚变了，当然理论上也是存在铁聚变的可能。不过需要温度达到上千亿度，不管是人为还是自然都几乎不可能创造如此高的温度。即便是恒星的超新星爆发，其核心温度都达不到千亿摄氏度。这就意味着恒星的聚变的最后元素就是铁。

而在铁元素之上重元素容易裂变，之后裂变到铁就基本停止了。

也就是说，在原子序数26以下的元素会聚变到铁停止。在原子序数26以上的元素会裂变到铁停止。这是因为铁最稳定，元素总是朝向稳定的状态演变。

不过科学家预计，宇宙中的氢要完全聚变殆尽，起码需要百万亿年，要完全聚变到铁起码需要数百万亿年。宇宙的预期寿命才是1500亿年。

在宇宙死亡之前，宇宙中不可能全部元素都变成铁。

有的答主提到了质子衰变，认为宇宙最后会衰变成轻子们的天下，我认为这几乎不可能。因为宇宙中的所有质子衰变一次，起码需要10^30年，也就是100万亿亿亿年，宇宙早凉了。按照费恩曼的宇宙循环理论，还没等到质子衰变完，宇宙已经开启数亿轮周期循环了。

大家都知道，如果从氢元素开始聚变，那么最终会停在铁元素。但是宇宙中本来就存在铁之后的元素，比如我们熟悉的黄金和白银。宇宙最后会变成铁，当然这个说法就是有问题的了。

在恒星内部，通过核反应最高只能聚变出铁元素。铁56的比结合能最大，再要合成更重的元素，就不是放热反应，而是吸热反应了，因此更重元素无法通过核聚变来产生。那是不是所有重元素都来自超新星或双中子星合并呢？也不尽然，在恒星内部，也有一条持续稳定的路径，让比铁重的元素逐一生成，这就是“慢中子俘获”。

第一代超新星爆炸出一些重元素的碎屑，有些飘荡在宇宙空间，凝结成行星，也有些被其他恒星吸引过去，成为进一步核反应的母核。在恒星内部，有着各种各样的辐射，其中就有中子辐射。偶然的机会，“贪吃蛇”母核将中子俘获过去，“吃”进肚里，变成更大的原子核。这个过程很漫长，可能要一年，甚至十年，才会发生一起俘获事件，所以称为“慢中子俘获”。

这些原子核就如同滚雪球一般，越来越大。然而雪球毕竟是有限度的，吃胀肚子的不稳定原子核会发生β衰变，吐出电子和中微子，变成了原子序数+1、原子量相同的其他元素。

▲原子核吃进中子，吃多了会“消化不良”，发生β衰变，中子变成质子。

比如银109“吃”掉一个中子，变成不稳定的银110，立刻衰变成镉110。镉元素比较能“吃”，连吃五个中子一直吃到镉115，才衰变成铟115，然后是铟116，又衰变成锡116。偶数位的锡也是个“吃货”，接连吃掉五个中子，到了锡121才撑不住，衰变成锑121。

原子核就是这样通过“慢中子俘获”过程，如同滚雪球一样越来越大，最终到了铊元素，遇到了问题。

▲从银到锑的慢中子俘获过程。

铊的稳定同位素铊203“吃”下一个中子，又衰变成铅204，和它的小弟“锡”一样，铅也是个大吃货，它继续吃中子到铅209，这是一种不稳定的同位素，它迅速衰变成铋209。铋209吃掉一个中子就撑不住，衰变成钋210。到了这里，偌大的原子核终于吃中子吃到吐，于是发生α衰变，直接吐出一个氦核（α粒子），原子序数-2，原子量-4。

▲“铅铋钋循环”，其中红线为中子俘获，蓝色为β衰变，绿色为α衰变，青色为电子俘获。

不信你看，铋以后的元素全都是放射性元素，钋210的半衰期只有136天，发生α衰变，直接掉到铅206。就这样，从铅206，到铅207，铅208，铅209，铋209，铋210，钋210，再回到铅206，恰好组成了一个循环。“慢中子俘获”滚雪球的游戏玩不下去了，重元素一步一步向上爬格子，最终撞到了天花板——铅。

正是如此，虽然铅“重”达82号，在地壳里却比很多轻元素——如碘、溴甚至五金之一的锡——都要多，是重元素里最多的一个存在。


▲地壳元素的丰度表上，铅是最后的高峰。

稍微偏题一下，恒星里的“慢中子俘获”只是铅元素的一部分来源，在超新星爆炸和双中子星合并事件中也会产生铅的兄弟姐妹们，只是这其中的机理叫做“快中子俘获”。

超新星爆炸和双中子星合并的时候，伴随着高密度的中子流，每秒每立方厘米高达100万亿亿个中子。在如此之多的中子碰撞下，较轻的原子核如同沐浴在中子的“沙尘暴”里，各种各样的富中子原子核被制造出来，而又迅速发生β衰变，最终变成较稳定的原子核。铱、锇、铂等贵金属、其他重元素以至放射性元素都可以通过“快中子俘获”制造出来，铅元素也不例外。

▲超新星也是重元素的制造工厂。

所有元素变成铁，是基于铁原子核（铁-56）的结合能最大，原子核最稳定这一事实依据提出来的。推倒过程大致如下：

根据热力学第二定律，能量会自发从高往低的地方传递，直到二者没有能量差。所以如此来说，我们的宇宙能量最终也会平均化，即整个宇宙能量都是相等的。而铁原子核作为能量最低的原子核，理论上所有的物质最终都需要变成铁原子核才能够完全平均宇宙的能量，且保持一个最稳定的物质形态。

上述描述看似有理有据，但其实宇宙中所有元素并不会变成原子。宇宙中分子、原子都是无穷无尽的，两个原子在一起并不会自发聚变或者铁以上元素裂变，然后变成铁。聚变是首先需要巨大能量提供的，没有一定的条件，根本无法发生聚变。另外，虽然铁原子核很稳定，但其实铁元素并不稳定，其电子的活泼性很高，所以很容易失去电子。这样的话，热力学第二定律怎么可能让全宇宙的元素变成铁呢。

比如金子，我看就算宇宙的灭亡了，金子它依然是金子，不会变成其它物质。

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