通常來講,我們讨論的光速是指光在真空中的速度(即每秒299792458米),這個速度是宇宙中的一種速度極限,同時也是不會改變的。那如果光速變慢一點點會發生什麼呢?根據已知的物理規律,我們可以推測出,如果光速變慢一點點,碳基生命将不會在宇宙中出現,為什麼這麼說呢?且看下文分析。
所謂碳基生命,是指以碳元素為有機物質基礎的生命,事實上,地球上包括我們人類在内的所有已知生命都是屬于碳基生命,而之所以會這樣,是因為碳元素(在地球的環境中)有着其他元素無法與之相比的優越性。
比如說碳原子擁有四個自由電子,其得到電子的能力(氧化性)和失去電子的能力(還原性)是旗鼓相當的,和其他元素相比,碳原子能夠更容易地形成複雜且穩定的高分子有機物,又比如說含碳化合物的分子活性很強,可以迅速對外界條件的改變做出反應。
總而言之,宇宙中要演化出碳基生命,首先就必須要有大量的碳元素,幸運的是,宇宙中的碳元素豐度确實很高,那宇宙中的碳元素是怎麼來的呢?
3α過程根據現代宇宙學的主流觀點,宇宙誕生于大約138億年前,在早期宇宙中隻存在着簡單的元素(絕大多數都是氫和氦),随着時間的流逝,這些物質不斷地在引力的作用越聚越多,然後形成了一團團巨大的原始星雲。
在此之後,一些原始星雲會繼續發生引力坍縮,其核心區域的壓強和溫度也不斷升高,當達到一定程度的時候,氫元素就發生了核聚變,在此過程中,氫不斷地聚變成氦,并釋放出大量的光和熱,于是一顆顆閃亮的恒星就誕生了。
如果恒星的質量足夠大,那麼在其核心的氫元素消耗完畢之後,又會啟動氦的核聚變,而碳元素就是來自于此,具體過程可分為兩步,第一步是兩個氦-4原子核(He-4)首先聚變成铍-8原子核(Be-8),第二步則是铍-8原子核再與另一個氦-4原子核聚變成碳-12原子核(C-12)。
因為氦-4原子核其實就是“α粒子”,所以這個過程就被稱為“3α過程”。
光速的改變對“3α過程”的影響在“3α過程”中,铍-8扮演着非常重要的角色,然而铍-8的穩定性極差,通常情況下,它們會在大約2.6 x 10^(-16)秒之内就重新衰變成兩個α粒子,這樣就會讓“3α過程”的第二步很難發生。
那為什麼宇宙中依然存在着大量的碳元素呢?這主要有兩個原因,一是在恒星核心高溫高壓的環境中,新的铍-8原子核會不斷地生成。
還有一個更重要的原因就是,“3α過程”的第二步所釋放的能量為7.3367MeV,而碳元素處于激發态的能量為7.3-7.6 MeV,可以看到,前者剛好在後者的範圍之内,這樣就可以形成一種特殊的“能量共振”,從而使得“3α過程”的第二步成功完成的可能性大幅度升高。
換句話來講就是,假如碳元素處于激發态的能量再高一點點,那麼恒星内部聚變出碳元素的可能性就會大幅度下降,那麼是什麼決定了碳元素處于激發态的能量呢?答案就是精細結構常數。
精細結構常數(α)是一個表征電磁相互作用強度的基本常數,其表達式如上圖所示,其中的e、ε0、c和h分别代表基本電荷、真空介電常數、光速(指真空中的光速)以及普朗克常數。
據此我們可以推測出,如果光速是可以改變的,那麼光速和精細結構常數就是反比例關系,也就是說,假如光速變慢,那麼精細結構常數就會變大,與此同時,精細結構常數又與碳元素處于激發态的能量值是正比例關系,因此碳元素處于激發态的能量就會随之變高。
也就是說,光速隻需要變慢一點點,就可以讓“3α過程”的第二步所釋放的能量低于碳元素處于激發态的能量,這樣就會造成恒星内部聚變出碳元素的可能性大幅度下降,在這種情況下,宇宙中的碳元素就會比現在少很多,而假如宇宙中的碳元素不夠多的話,那麼碳基生命就将不會在宇宙中出現。
不得不說,宇宙的精妙實在是令人歎為觀止,你認為呢?
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