具体描述
The Evolution of Matter explains how all matter in the Universe developed following the Big Bang and through subsequent stellar processes. It describes the evolution of interstellar matter and its differentiation during the accretion of the planets and the history of the Earth. Unlike many books on geochemistry, this volume follows the chemical history of matter from the very beginning to the present, demonstrating connections in space and time. It provides also solid links from cosmochemistry to the geochemistry of Earth. The book presents comprehensive descriptions of the various isotope systematics and fractionation processes occurring naturally in the Universe, using simple equations and helpful tables of data. With a glossary of terms and over 900 references, this volume is a valuable reference for researchers and advanced students studying the chemical evolution of the Earth, the Solar System and the wider Universe.
《星尘回响：宇宙物质的交响曲》 导言：超越界限的探索 本书并非一部追溯物质形态演变的编年史，亦非对已知元素周期表的机械罗列。相反，它是一场深入时空褶皱的沉浸式旅程，旨在捕捉宇宙从“无”到“有”的宏大叙事中，那些常常被忽略的微妙转折与深刻哲思。我们将避开标准教科书的窠臼，聚焦于物质构成的深层动力学、量子泡沫中的不确定性，以及宇宙膨胀如何塑造了我们今日所见的万物之基。 第一部：虚无的黎明与初始之音 第一章：普朗克尺度下的低语 在时间诞生之前，或者说，在时间概念本身的意义尚未确立的瞬间，宇宙是一片不可思议的、能量密度趋于无穷的奇点。本章将聚焦于普朗克时代（$10^{-43}$秒之前），一个理论物理学家的游乐场，但更是对“存在”本质提出挑战的领域。我们不会冗述对引力量子化的既有尝试，而是深入探讨在极高能量下，时空结构本身可能表现出的“泡沫化”特性。这种泡沫，不是物质的缺失，而是比物质更基础的、结构未固化的信息集合。 我们将引入“有效场论”的概念，说明在缺乏完整量子引力理论的背景下，我们如何通过观测低能现象来反推高能物理的边界条件。核心论点在于：今天的物质结构，其“形态”的确定性，源于早期宇宙在极度高温高压下经历的某种“相变”，这种相变使得原本统一的、无差别的能量场，开始涌现出基本对称性的破缺。 第二章：夸克-胶子汤与手征对称性的陨落 宇宙冷却到约 $10^{-6}$ 秒时，温度降至足以让夸克和胶子可以自由活动，形成了我们称之为“夸克-胶子等离子体”的炽热海洋。这一章将细致描绘这一阶段的动态。重点不在于如何形成质子和中子，而在于夸克如何被“禁闭”——这个过程本身就是物质结构稳定性的关键。 我们详细考察“手征对称性”在早期高温下的完全对称性，以及随后冷却过程中，对称性是如何“自发破缺”的。正是这种破缺，使得夸克获得了质量。我们探讨了“质量的起源”——它并非夸克自身固有属性的简单累加，而是其与“希格斯场”以及“量子真空”相互作用的结果。我们将分析，如果手征对称性破缺的程度略有不同，今天的原子核将如何无法稳定存在，从而导致宇宙中只有辐射和轻子，而没有我们所知的恒星和行星。 第二部：元素的锻造与宇宙的炼金术 第三章：核合成的窗口与“稳定之岛”的幽灵 大爆炸核合成（BBN）是宇宙演化中一个极其短暂但决定性的阶段。本章将把注意力集中在氦和锂的产生上，以及为什么宇宙在最初三分钟内就确定了其元素丰度的基本比率。我们分析了关键的“中微子风暴”如何精确地调制了中子到质子的转换速率，从而设定了重元素合成的“原材料”配给。 更引人入胜的是，我们将探讨“稳定之岛”——理论上存在的超重元素，它们可能在某些极端天体物理环境中短暂存在。我们不试图预测它们的合成方法，而是反思宇宙对“稳定”的偏好。为什么在原子序数中存在明显的“质量空洞”？这揭示了核力与电磁力之间在特定原子核构型下的精妙平衡，以及宇宙如何倾向于选择那些能长期维持其结构的物质组合。 第四章：恒星熔炉：超新星的慷慨馈赠 本书将恒星视为宇宙的物质转化中心，但视角将超越简单的聚变反应。本章重点研究那些无法在正常恒星生命周期内产生的元素——铁及更重的元素。我们将深入分析II型超新星爆发时，在极短的时间内发生的“快速中子捕获过程”（r-过程）。 我们将构建一个动态模型，模拟中子星合并产生的引力波事件如何提供了r-过程所必需的、近乎无限的中子流和极端的高压环境。这部分内容强调了“暴力”是物质多样性的驱动力。如果没有这种瞬间的、极端的能量释放，宇宙的物质图谱将永远停留在铁的水平，生命赖以存在的复杂分子结构将无从谈起。我们探讨了这些重元素如何通过超新星抛射物，被播撒到星际介质中，成为下一代恒星和行星系统的基石。 第三部：宏观形态的涌现与物质的未来 第五章：固体的几何学与晶体学的哲学 当物质冷却到足以形成原子和分子时，新的规则开始生效：晶体学和材料科学的萌芽。本章将物质的组织形式从随机碰撞转向有序结构。我们不讨论常见的晶格类型，而是探讨“准晶体”——那些具有非整数维度的对称性的奇异结构——的出现对物质特性的挑战。 我们将分析电子在周期性势场中表现出的“能带结构”，这本质上是量子力学在宏观尺度上集体行为的体现。能带的填充决定了材料是导体、绝缘体还是半导体。这种从微观粒子到宏观功能（导电性、透明度）的涌现，是物质演化中最迷人的桥梁。我们甚至会触及拓扑绝缘体，探讨那些在表面表现出不同于内部的导电性的奇特物质，它们预示着物质可以如何携带“拓扑信息”。 第六章：暗物质的影子：缺失的引力锚点 物质的构成不仅包括我们所见的重子物质，更有一大部分是神秘的暗物质。本章将完全聚焦于暗物质对可见物质分布的影响，将其视为塑造宇宙大尺度结构的“隐形骨架”。 我们不会陷入具体的粒子物理模型猜想，而是着重于暗物质的“运动学”证据——它如何提供额外的引力，使得星系团不会因自身的旋转速度过快而解体。我们将探讨暗物质在早期宇宙中如何充当“重力种子”，促使重子物质聚集，从而加速了第一批星系的形成。暗物质的存在，实际上定义了宇宙物质聚集的“最大可能范围”和“速率”。它是物质宏观形态的塑形师，却以一种我们无法直接探知的方式在工作。 第七章：熵增与最终的归宿 宇宙的物质最终将走向何方？本章探讨热力学第二定律对物质存在的最终裁决。我们将展望遥远的未来，当恒星燃尽，黑洞蒸发，物质将如何瓦解。 这不是一个关于“死亡”的故事，而是一个关于“稀释”的故事。我们将分析电子和质子在极端漫长的时间尺度下，可能发生的衰变（如果超对称理论的预测成立）。即使不衰变，物质最终也将趋于一种极其稀疏、能量均匀分布的状态——“热寂”。然而，即使在这种终极的、无差别的状态下，我们仍能看到早期宇宙的痕迹，因为即使是零星的、低能的光子，也是早期高能碰撞的最终遗存。本书在对物质的演变进行史诗般回顾后，最终将我们带回到对“信息”和“存在”本身意义的沉思。 结语：未完待续的物质交响 《星尘回响》的目的在于展示物质的“演化”并非一个终结的理论，而是一个持续涌现的过程。从夸克的禁闭到星系的形成，每一次结构层次的跃升，都伴随着新的物理定律和全新的涌现特性。我们今天所触及的每一颗原子，都携带着数十亿年前的宇宙印记，是宇宙力量和随机性精妙博弈的产物。物质的故事，远未结束。
作者简介
作者伊格尔·托尔斯提金曾于1966年获圣彼得斯堡矿业学院（St Petersburg Mining Institute）地球化学系的博士学位，于1975年获莫斯科福尔纳得斯基研究所（Vernadsky Institute）的理学博士学位。他目前是科拉科学中心空间研究所和地质研究所的高级研究员，二者皆分属俄罗斯科学院，他的研究领域是包裹体稀有气体，放射性同位素地球化学，同位素水文学和地球化学模拟。他最近的研究成果包括含全对流地幔的化学地球模型。
作者吉安·克拉默尔斯于1973年获瑞士伯尔尼大学的博士学位，并在南非、英国和津巴布韦工作过，然后回到伯尔尼大学，目前是地质科学研究所的地球化学教授。克拉默尔斯教授的研究兴趣领域包括地幔地球化学（金伯利岩、金刚石），太古代陆壳的起源，全球放射性同位素分类，地球大气圈的早期演化，最近的兴趣是根据洞穴堆积物来研究古气候。
目录信息
引 言... 1
第一篇 元 素... 6
1 同位素：比重与丰度... 8
1.1 简介：原子核及其行为... 8
1.2 原子核和结合能，对元素丰度作些预测... 10
1.3 总结... 17
2 宇宙简介：重子物质... 19
3 元素与同位素丰度：参考材料... 24
3.1 氢、氦及其特殊意义... 24
3.2 贫金属恒星：最古老的星系物质... 25
3.3 先太阳尘埃... 26
3.4 太阳系元素和同位素丰度... 31
3.5 总结... 42
4 宇宙核合成：H和He的诞生... 44
4.1 膨胀的宇宙与大爆炸假说... 44
4.2 大爆炸核合成（BBN）... 44
4.3 宇宙的年龄... 46
4.4 总结... 49
5 星体核合成：低质量恒星与s过程... 52
5.1 简介... 52
5.2 恒星的形成... 52
5.3 H燃烧和He燃烧，低质量恒星的演化... 56
5.4 慢核合成（s过程）... 59
5.5 总结... 67
6 星体核合成：r过程及有关过程... 68
6.2 大质量恒星的演化... 69
6.3 星核坍缩超新星（SNe II）和快核合成... 70
6.4 SNe Ia：核合成与光度... 76
6.5 总结... 77
7 星体核合成定年.. 79
7.1 长半衰期放射性元素宇宙年代学... 79
7.2 铀同位素：星体核合成的年龄和演化... 80
7.3 星团年龄：光度–温度关系... 81
7.4 总结... 82
8 星系的化学演化... 83
8.1 简介：过程控制星系化学演化... 83
8.2 银河系的演化... 84
8.3 短半衰期放射性核素... 91
8.4 银河系演化：模型和结果... 94
8.5 总结... 97
第二篇 早期太阳系：星云形成，演化和寿命... 99
9 太阳星云简介... 101
10 原始太阳系天体及有关过程... 106
10.1 太阳星云：初始组分和早期演化... 106
10.2 钙–铝包体... 108
10.3 太阳系最早天体的“绝对”年龄... 117
10.5 星云中的氧同位素：CAI系列... 128
10.6 CAI 形成物：结论... 131
11 球粒陨石... 134
11.1 球粒陨石简介：组分和分类学... 134
11.2 球粒与基质... 137
11.3 球粒中的变质作用与平衡... 142
11.4 高挥发元素：氢，碳和氮... 144
11.5 高挥发元素：稀有气体... 146
11.6 球粒陨石：年代标尺... 152
11.7 球粒陨石：形成过程... 158
11.8 总结：球粒陨石与太阳星云的早期演化... 161
12 高演化陨石... 163
12.1 简介：无球粒陨石及其关系... 163
12.2 岩浆分馏和痕量元素分配... 164
12.3 无球粒陨石中的主要元素和痕量元素... 168
12.4 星子过程年代学... 175
12.5 无球粒石和铁陨石的形成... 186
12.6 总结：星云晚期过程记录于无球粒陨石... 189
13 太阳系早期年代学总结... 191
第三篇 地球的增生... 197
14 行星系统，地球与月亮简介... 199
14.1 太阳系：行星和卫星... 199
14.2 预览后增生地球和月球... 201
15 行星增生简介... 208
15.1 有序增长... 208
15.2 失控增长... 210
15.3 行星形成... 211
16 地球增生：大撞击... 212
16.1 大撞击：撞击体质量能量堆焊... 212
16.2 后撞击地球模型... 212
17 后增生硅酸盐地球：与陨石比较... 214
17.1 简介：后增生地球的主要储库... 214
17.2 硅酸盐地球：重造方式... 215
17.3 主要元素... 216
17.4 痕量元素.. 218
17.5 地球岩浆洋概念：对流的作用... 225
17.6 总结... 230
18 地核分凝... 231
18.1 简介：硅酸盐地幔中的亲铁元素和地核中的轻元素... 231
18.2 成功的地核形成模型... 236
18.3 地核分凝的时间约束... 240
19 地核顶上的重“地壳”... 243
19.1 简介：隔离储库早期形成事件的地球化学指示... 243
19.2 现代状态：核幔过渡带... 245
19.3 核幔过渡的早期形成... 246
19.4 总结：核幔过渡带的地球化学重要性... 248
20 早期大气圈和水圈... 250
20.1 简介... 250
20.2 稀有气体存量和对大气圈演化的约束... 252
20.3 行星大气圈中挥发元素的损失机制... 258
20.4 主要挥发分：存量和源... 261
20.5 总结... 266
21 来自月球的光... 267
21.1 简介... 267
21.2 月球的总成分与形成... 268
21.3 早期月球的地壳和地幔... 271
21.4 月球地幔和地壳的早期演化... 281
21.5 总结... 286
第四篇 地球的全球演化... 289
22 预览地球... 291
23 板块构造概念：一些现象学... 294
23.1 地球主要构造单元：板块... 294
23.2 板块运动：板块边界过程... 296
23.3 板内岩浆作用：地幔柱... 297
23.4 板块构造的动力... 298
23.5 总结：再造物质的地球主工厂... 300
24 洋脊岩浆作用与洋岛岩浆作用... 301
24.1 无水地幔熔融简介... 301
24.2 拉斑玄武岩：洋脊岩浆作用的主要产物... 303
24.3 洋中脊岩浆作用：稳定痕量同位素... 305
24.4 洋中脊岩浆作用：放射性痕量元素证据... 310
24.5 MORB 熔融模型的主要特征：来自痕量元素和放射性核素的证据... 314
24.6 洋岛玄武质岩浆作用的具体特征... 317
24.7 总结... 319
25 俯冲作用与岛弧岩浆作用... 321
25.1 简介：俯冲，有关过程与水的重要作用... 321
25.2 弧岩浆岩的主要元素化学... 323
25.3 弧原始火山的痕量元素化学... 324
25.5 板砧内的变质作用：流体产生和释放... 335
25.6 俯冲板砧的熔融：超临界液体... 338
25.7 地幔楔内的熔融... 339
25.8 总结... 341
26 陆壳的组分： 岩浆过程，变质过程和沉积过程... 344
26.1 简介：大陆地壳... 344
26.2 上层陆壳：岩浆岩... 346
26.3 沉积岩及其内部转化... 359
26.4 下层陆壳：与上层互补?. 365
26.5 地壳年龄分布函数... 368
26.6 地壳储库的平均组分... 371
26.7 控制地壳质量和组分的过程... 372
26.8 总结... 380
27 地球储库演化的同位素记录... 382
27.1 简介... 382
27.2 地幔Lu–Hf、Sm–Nd、Rb–Sr和Th–U–Pb同位素体系... 385
27.3 OIB岩浆作用源区... 391
27.4 地幔中的轻稀有气体... 394
27.5 地幔氙测年法... 399
27.6 陆壳中的Sr、Nd和Pb同位素... 403
27.7 Sm–Nd和Lu–Hf 同位素体系之间的关系... 409
27.8 地球初期的同位素痕迹与演化趋向... 413
27.9 沉积岩记录的演化趋向... 418
27.10 总结... 425
28 地球化学模型... 427
28.1 地球化学模型简介... 427
28.2 多元储库地球模型... 428
28.3 结果：对地球演化的同位素地球化学约束... 432
28.4 总结... 440
参考文献... 442
术 语... 489
缩写词... 507
文中讨论或提及的陨石、岩石和矿物... 510
索 引
· · · · · · (收起)
第一篇 元 素... 6
1 同位素：比重与丰度... 8
1.1 简介：原子核及其行为... 8
1.2 原子核和结合能，对元素丰度作些预测... 10
1.3 总结... 17
2 宇宙简介：重子物质... 19
3 元素与同位素丰度：参考材料... 24
3.1 氢、氦及其特殊意义... 24
3.2 贫金属恒星：最古老的星系物质... 25
3.3 先太阳尘埃... 26
3.4 太阳系元素和同位素丰度... 31
3.5 总结... 42
4 宇宙核合成：H和He的诞生... 44
4.1 膨胀的宇宙与大爆炸假说... 44
4.2 大爆炸核合成（BBN）... 44
4.3 宇宙的年龄... 46
4.4 总结... 49
5 星体核合成：低质量恒星与s过程... 52
5.1 简介... 52
5.2 恒星的形成... 52
5.3 H燃烧和He燃烧，低质量恒星的演化... 56
5.4 慢核合成（s过程）... 59
5.5 总结... 67
6 星体核合成：r过程及有关过程... 68
6.2 大质量恒星的演化... 69
6.3 星核坍缩超新星（SNe II）和快核合成... 70
6.4 SNe Ia：核合成与光度... 76
6.5 总结... 77
7 星体核合成定年.. 79
7.1 长半衰期放射性元素宇宙年代学... 79
7.2 铀同位素：星体核合成的年龄和演化... 80
7.3 星团年龄：光度–温度关系... 81
7.4 总结... 82
8 星系的化学演化... 83
8.1 简介：过程控制星系化学演化... 83
8.2 银河系的演化... 84
8.3 短半衰期放射性核素... 91
8.4 银河系演化：模型和结果... 94
8.5 总结... 97
第二篇 早期太阳系：星云形成，演化和寿命... 99
9 太阳星云简介... 101
10 原始太阳系天体及有关过程... 106
10.1 太阳星云：初始组分和早期演化... 106
10.2 钙–铝包体... 108
10.3 太阳系最早天体的“绝对”年龄... 117
10.5 星云中的氧同位素：CAI系列... 128
10.6 CAI 形成物：结论... 131
11 球粒陨石... 134
11.1 球粒陨石简介：组分和分类学... 134
11.2 球粒与基质... 137
11.3 球粒中的变质作用与平衡... 142
11.4 高挥发元素：氢，碳和氮... 144
11.5 高挥发元素：稀有气体... 146
11.6 球粒陨石：年代标尺... 152
11.7 球粒陨石：形成过程... 158
11.8 总结：球粒陨石与太阳星云的早期演化... 161
12 高演化陨石... 163
12.1 简介：无球粒陨石及其关系... 163
12.2 岩浆分馏和痕量元素分配... 164
12.3 无球粒陨石中的主要元素和痕量元素... 168
12.4 星子过程年代学... 175
12.5 无球粒石和铁陨石的形成... 186
12.6 总结：星云晚期过程记录于无球粒陨石... 189
13 太阳系早期年代学总结... 191
第三篇 地球的增生... 197
14 行星系统，地球与月亮简介... 199
14.1 太阳系：行星和卫星... 199
14.2 预览后增生地球和月球... 201
15 行星增生简介... 208
15.1 有序增长... 208
15.2 失控增长... 210
15.3 行星形成... 211
16 地球增生：大撞击... 212
16.1 大撞击：撞击体质量能量堆焊... 212
16.2 后撞击地球模型... 212
17 后增生硅酸盐地球：与陨石比较... 214
17.1 简介：后增生地球的主要储库... 214
17.2 硅酸盐地球：重造方式... 215
17.3 主要元素... 216
17.4 痕量元素.. 218
17.5 地球岩浆洋概念：对流的作用... 225
17.6 总结... 230
18 地核分凝... 231
18.1 简介：硅酸盐地幔中的亲铁元素和地核中的轻元素... 231
18.2 成功的地核形成模型... 236
18.3 地核分凝的时间约束... 240
19 地核顶上的重“地壳”... 243
19.1 简介：隔离储库早期形成事件的地球化学指示... 243
19.2 现代状态：核幔过渡带... 245
19.3 核幔过渡的早期形成... 246
19.4 总结：核幔过渡带的地球化学重要性... 248
20 早期大气圈和水圈... 250
20.1 简介... 250
20.2 稀有气体存量和对大气圈演化的约束... 252
20.3 行星大气圈中挥发元素的损失机制... 258
20.4 主要挥发分：存量和源... 261
20.5 总结... 266
21 来自月球的光... 267
21.1 简介... 267
21.2 月球的总成分与形成... 268
21.3 早期月球的地壳和地幔... 271
21.4 月球地幔和地壳的早期演化... 281
21.5 总结... 286
第四篇 地球的全球演化... 289
22 预览地球... 291
23 板块构造概念：一些现象学... 294
23.1 地球主要构造单元：板块... 294
23.2 板块运动：板块边界过程... 296
23.3 板内岩浆作用：地幔柱... 297
23.4 板块构造的动力... 298
23.5 总结：再造物质的地球主工厂... 300
24 洋脊岩浆作用与洋岛岩浆作用... 301
24.1 无水地幔熔融简介... 301
24.2 拉斑玄武岩：洋脊岩浆作用的主要产物... 303
24.3 洋中脊岩浆作用：稳定痕量同位素... 305
24.4 洋中脊岩浆作用：放射性痕量元素证据... 310
24.5 MORB 熔融模型的主要特征：来自痕量元素和放射性核素的证据... 314
24.6 洋岛玄武质岩浆作用的具体特征... 317
24.7 总结... 319
25 俯冲作用与岛弧岩浆作用... 321
25.1 简介：俯冲，有关过程与水的重要作用... 321
25.2 弧岩浆岩的主要元素化学... 323
25.3 弧原始火山的痕量元素化学... 324
25.5 板砧内的变质作用：流体产生和释放... 335
25.6 俯冲板砧的熔融：超临界液体... 338
25.7 地幔楔内的熔融... 339
25.8 总结... 341
26 陆壳的组分： 岩浆过程，变质过程和沉积过程... 344
26.1 简介：大陆地壳... 344
26.2 上层陆壳：岩浆岩... 346
26.3 沉积岩及其内部转化... 359
26.4 下层陆壳：与上层互补?. 365
26.5 地壳年龄分布函数... 368
26.6 地壳储库的平均组分... 371
26.7 控制地壳质量和组分的过程... 372
26.8 总结... 380
27 地球储库演化的同位素记录... 382
27.1 简介... 382
27.2 地幔Lu–Hf、Sm–Nd、Rb–Sr和Th–U–Pb同位素体系... 385
27.3 OIB岩浆作用源区... 391
27.4 地幔中的轻稀有气体... 394
27.5 地幔氙测年法... 399
27.6 陆壳中的Sr、Nd和Pb同位素... 403
27.7 Sm–Nd和Lu–Hf 同位素体系之间的关系... 409
27.8 地球初期的同位素痕迹与演化趋向... 413
27.9 沉积岩记录的演化趋向... 418
27.10 总结... 425
28 地球化学模型... 427
28.1 地球化学模型简介... 427
28.2 多元储库地球模型... 428
28.3 结果：对地球演化的同位素地球化学约束... 432
28.4 总结... 440
参考文献... 442
术 语... 489
缩写词... 507
文中讨论或提及的陨石、岩石和矿物... 510
索 引
· · · · · · (收起)
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