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核效率

马丁·里斯强调的巧合,与生命和宇宙的亲密关系这个简单的例子相比,专业性更强,但这些巧合值得我们略微详尽地探讨,以此来强调宇宙真是很奇怪。这些特别数字中的第一个数字与霍伊尔的人择理论密切相关,并与将物质转换成能量的核过程的效率有关,这一过程符合爱因斯坦的著名公式E=mc 2

事物有一种自然倾向,即寻求可获得的最低能级。这方面我们最熟悉的例子是水往山下流。在 引力场 中,某物所处的位置越高,它拥有的能量就越多——当你抬起某物的时候,抬这个动作就被转化成了此物的 重力势能 。当此物体落下来,或当水往山下流的时候,重力势能就会被释放出来,转化成运动的能量,即动能。轻原子核相互融合形成重原子核,这是因为重原子核内部每个粒子(每个质子或中子)的能量比轻原子核内部粒子的能量少。

质子和中子统称为 核子 ,且氦中每个核子的能量比氢中每个核子的能量少,碳的比氦的少,氧的比碳的少,依此类推一直到铁。假设它们能够克服相互排斥(因为它们带有正电荷),在此过程中,原子核就会相互结合,并释放能量。虽然它们带正电荷,但能把它们结合在一起的却是一种力,我们称之为 强核力 ,这种强核力比 电力 强大,但其作用范围很小;因此只有原子核非常接近时,才能互相融合,在极端情况下,如恒星内部极高的密度和温度的条件下,这种情况就会发生。但是,当它们真的彼此靠近的时候,它们就会紧紧抓住对方不放。

对于比铁原子核更重的原子核,这种情况就不会发生了。这些元素的每个原子核的能量要比每个铁原子核的能量多,而这些元素的形成只能依赖巨大的恒星的爆炸,即所谓的 超新星 ,因为这种爆炸可以迫使能量进入到原子核中。这就是为什么,与氧和铁这类元素相比,这样的重元素比较罕见的原因,但这并不影响较轻原子核。

实际上,这个链条的最初阶段释放出的能量最多。虽然在大爆炸中生成了很多氦,但更多的氦是在诸如太阳这样的恒星内部生成的,这是一个多步骤的过程,在此过程中,氢原子核相互结合,形成氦原子核。氢原子核只是单个的质子,随着时间的推移,其中有些必须转化成中子。每个氦原子核是由 2 个质子和 2 个中子形成的,但每次形成一个氦原子核,这个氦原子核的质量正好是 2 个质子和 2 个中子质量之和的99.3%。剩下的 0.7%已转换成能量,使得太阳及与之类似的恒星不断发光。这一过程中的“核效率”是一个值为 0.007 的系数。就恒星内部物质转化成能量而言,这是迄今为止最重要的一步。所有的其他过程,其中包括铁的生成过程,都只把 10%的物质转化成能量。因此,这个链条中的第一个步骤的效率是决定恒星寿命的最重要的因素——一旦所有的氢都用完了,其他的核聚变过程就无法使恒星长期发光了。

更重要的是,这个链条中第一步的效率,系数 0.007,也与 强力 (即上文所提到的强核力,它可以把原子核结合在一起)的力量相关。如果这个数字——0.007——稍微大百分之几或稍微小百分之几,就会对强力造成影响,从而破坏共振,我们已经知道,当一个氦原子核碰撞一个短命的铍原子核的时候,只有通过共振才能形成碳。这个数字也影响着氦本身的形成方式。正如我所说,这是一个多步骤的过程。第一步,会形成一个只包含单个质子和单个中子的原子核,强力将这个质子和中子捆绑在一起,我们称之为 或者“ 重氢 ”。核效率的值越小,相对应的强力的力量也越小。如果核效率仅为 0.006,强力就会太弱,以至于无法将单质子与单中子绑定在一起,宇宙中就不会有氘或氦,更不用说比它们更重的元素了。

另一方面,如果核效率高达 0.008,强力会非常强大,进而使两个质子结合在一起,根本不用牵涉到中子,从而制造出一种奇特的氦。大爆炸中所有的氢都将被转化成这种氦。其含义是复杂的,但别的方面不说,它至少将意味着像太阳这样的恒星不可能存在,因为通过我所描述的方式,无法产生氢,也就无法使之转换成氦。如果确实存在恒星的话,它们燃烧殆尽的速度会远远超过我们宇宙中的恒星燃烧殆尽的速度,也许,在围绕这些恒星运转的任何行星上,智能生物根本就来不及演化出来。无论如何,根本就没有水,众所周知,水是生命之源。

存在于这种假定宇宙中的实际元素的混合物,取决于核效率的精确值。但正如里斯总结的那样,“如果这个数字是 0.006 或 0.008,而不是0.007 的话,以碳为基础的生物圈就不可能存在”。而这仅仅只是一个宇宙数字,还有更多的数字需要同样的微调才能适合我们的生存。 z42yCoXHsii/JIwfgUHxqleN3wsk50rn2FOHIxZk9ee7c9JX4RddYe6b2XQ5/y0S

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