大自然中的化学元素是怎么起点的,宇宙并从未

2019-10-04 作者:奥门金沙手机娱乐网址   |   浏览(165)

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元素周期表上已经列有超过110种不同的化学元素,各种元素所具有的各不相同的物理、化学性质,造就了我们这个多姿多彩的、充满生命力的世界。然而,这些化学元素是怎么来的呢?

(本文由 Nautilus 授权转载,译/玛雅蓝)在生命出现之前,一定存在着结构。我们的宇宙在它的早期就合成了原子核,这些原子核捕获电子,形成了原子。原子聚集起来,形成了星系、恒星和行星。最后,生命有了家的港湾。我们想当然地认为是物理学定律让这些结构得以形成,但事情并不见得是必然如此。

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在过去几十年中,许多科学家辩称,只要物理规律有哪怕一点点的不同,宇宙就不会形成任何复杂结构。然而与此同时,宇宙学家开始意识到,我们的宇宙也许不过是多重宇宙的一个组成部分,而多重宇宙是许许多多宇宙的组合,构成了一个更大的时空。其他宇宙的存在为物理规律的微调提供了一个诱人的解释。不同宇宙有不同的物理规律,而我们之所以生活在一个允许观察者存在的宇宙,是因为我们无法生活在别处。

在回答这个问题之前,我们要对原子的结构做一个简单的介绍。现代的原子模型奠基于20世纪初卢瑟福的阿尔法粒子撞击实验。现在我们知道,原子的质量集中在一个很小的原子核当中,原子核内包含了带正电的质子与不带电的中子。在原子核外通常环绕着一些带负电的电子。

图片 3参数的设定:即使电磁力或万有引力比现实更强或者更弱,宇宙中也会有生命存在。图中阴影区域展示了可允许生命存在的参数值范围,星号代表我们的宇宙中的参数值,而坐标轴参照这些值进行标度。限制条件包括:恒星必须能够发生核聚变(在黑色曲线之下);恒星寿命需要足够长到可以演化出复杂的生命(红色曲线以下);温度足够高,以支持生物圈的存在(蓝色曲线左侧);不能膨胀太大长出所属的星系(蓝绿色曲线右侧)。图片来源:Fred C. Adams

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天文物理学家一直在讨论微调(fine-tuning),导致许多人理所当然地认为我们的宇宙超乎寻常地适合复杂结构出现。即使怀疑多重宇宙的人也接受微调,他们只是认为一定存在其他的解释。但实际上,微调从未被严格证明。我们实际上并不知道哪些物理定律是天体物理结构的发展所必需的,哪些又是生命的产生所必需的。近来关于恒星演化、核天体物理学和结构形成的研究显示,微调理论并没有先前预想的那么有说服力。有许许多多可能的宇宙都能支持生命,我们的宇宙并不像看上去那么特别。

在中性的原子内,电子数与质子数相等,有时电子数会稍多于或少于质子数,我们通常将其分别称为负离子。各种元素原子的差异在于原子核内的质子数不同,因而影响到电子组态乃至化学性质的不同。比如说,碳原子核有6个质子而氮原子核有7个质子,造成这两种元素在化学性质上的极大差异。质子数相同但中子数不同的原子称为同位素,例如氢与氘都含有一个质子,但氘原子核还包含了一个中子。同位素原子的大部分化学性质非常类似。

微调的第一种类型,涉及运行中恒星上的自然基本相互作用力的大小。如果电磁力过强,质子之间的静电排斥会关闭恒星内部的核聚变,让恒星无法发光。如果电磁力太弱,核反应就会失控,导致恒星剧烈爆炸。如果引力太强,恒星要么坍缩成黑洞,要么永远不会发光。

从天文观测中我们知道,这些种类丰富的元素并不是地球上所独有的,而分布在宇宙的各个角落。并且很明显的,大部分的元素已经存在非常久的时间了。因此,要了解这些元素的起源,我们必须从宇宙发展的历史谈起。

但是,如果更仔细地进行测试,就会发现恒星极其顽强。电磁力的强度得增强到一百倍或缩减到百分之一,才会让恒星的运转受影响。至于引力作用,强的一头要达到正常水平的100000倍,弱的一头更是要减弱到正常水平的十亿分之一。引力和电磁力所允许的强度范围取决于核反应速率,这进而又取决于核力。如果核反应速率更快一些,恒星甚至能在一个更大的引力和电磁力变化范围中运转。核反应速度减慢则会让这个范围缩小。

自1929年天文学家哈勃发现宇宙持续膨胀的现象之后,科学家一般都认为宇宙起源于一次大爆炸,时间大约在137亿年前,一切的物质、能量、时间都由此产生。一般认为,大爆炸发生的那一瞬间,宇宙只有强烈的辐射能量而没有任何物质。在大爆炸之后约0.0001秒左右,宇宙温度降至1012开,此时,宇宙中的质子与中子脱离与宇宙射线的平衡而成形。到了大爆炸之后4秒左右,温度降至1010开以下,宇宙中的电子也脱离与宇宙射线的平衡而成形。至此,构成原子的基本粒子已经出现,但由于温度太高,宇宙中尚无重于氢的稳定原子核,到处都是高速运动的质子、中子、电子,以及非常高能量的宇宙射线。

除了这些最基本的运转要求之外,恒星还必需满足一系列其他限制条件,这进一步缩小了各种力的允许强度范围。星星必须很热:它的表面温度要很高才能驱动生命所必需的化学反应。在我们的宇宙中,大多数恒星周围都有一大片区域,其中的行星温度在300开尔文左右,足以支持生命的存在。在电磁力更强的宇宙中,恒星温度更低,也就不那么宜居。

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恒星的寿命还必需足够长。复杂的生命形式需要经过极其漫长的时间才能演化出来。由于生命是靠一套复杂的化学反应所驱动的,生命演化的基本时间表取决于原子的时间尺度。在其他的宇宙中,原子钟摆动的速度各不相同,取决于电磁力的强度,而这种变化也要纳入考虑。电磁力更弱的时候,恒星就会更快地燃烧它的核燃料,寿命也因此缩短。

在宇宙形成大约3分钟后,质子与中子开始可以结合成重氢的原子核而不立刻被光子分解。接下来,一连串的核反应将绝大部分重氢快速转变成包含2个质子及2个中子的稳定氦原子核。不过,比氦更重的原子核此时不易形成,因为自然定律中不容许有原子量为5或8的稳定原子核存在;缺乏这些作为桥梁的原子核,更重的原子核难以快速形成。

最后,恒星至少必须要能够形成。为了让星系和随后出现的恒星从原始气体中形成,气体必须能够损失能量,冷却下来。冷却速率(再一次)取决于电磁力的强度。如果电磁力太弱,气体冷却的速度太慢,就会停留在弥散的状态,而无法凝结成星系。恒星还需要比宿主星系小,否则恒星就难以形成。这些影响对电磁力的下限增加了新的限制。

宇宙仍持续膨胀、冷却,在宇宙生成大约30分钟后,大爆炸产生的核反应完全停止。此时,宇宙中的物质以质量而言,质子约占75%、氦原子核约占25%,还有大量很轻的电子以及非常微量的重氢及锂原子核。此时的宇宙温度仍然非常高,强大的宇宙射线使电子无法停留在固定的原子核上,物质主要以单原子离子的状态存在。由于自由运动的电子很容易散射光线,此时的宇宙处于名副其实的混沌状态,光子无法自由穿越,辐射场与物质间不断地进行能量交换。这种情况一直持续到大爆炸发生大约40万年后,当宇宙的温度降到了约1万摄氏度以下,电子才开始能与原子核结合,形成中性的原子,宇宙也在此时变得透明,辐射场与物质间的作用大幅降低,引力开始逐渐塑造新的宇宙结构。

综上,基本相互作用力的强度可以发生多个数量级的变化,而行星和恒星仍然能够满足图中所有的限制条件(如下图所示)。这些力的微调程度,远没有许多科学家所认为的那样“微”。

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第二种可能的微调涉及碳的形成。当较大的恒星在核心处将氢聚变成氦之后,氦就成了燃料。又经过一系列复杂的反应,氦燃烧形成碳和氧。由于氦原子核在核物理中的重要作用,它得到了一个特别的名字:α粒子。最常见的那些原子核分别由一、三、四、五个α粒子构成。由两个α粒子构成的原子核铍8明显缺失,理由很充分:它在我们的宇宙中不稳定。

此时,宇宙中的主要元素只有氢和氦,实在没有多少化学可言,任何人都可以把此时的化学学得非常透彻,只不过在这种宇宙中是不会有任何生物存在的。地球生命所需的其他元素大都是数十亿年后在银河系恒星的演化过程中产生的。至于宇宙是如何从早期物质均匀分布的状态迅速形成星系及恒星的,目前仍然不是非常清楚。一般认为,很可能是由于一些量子效应使得早期的宇宙在能量分布上有一些不均匀。这些微的不均匀经过引力效应的放大,使得物质迅速向密度高的地方聚集,形成星系以及恒星。目前的证据显示,第一颗恒星可能在宇宙诞生后的数亿年就开始形成,在其内部的热核反应中开始了宇宙中下一步的元素合成。

铍的不稳定极大地制约了碳的形成。一旦恒星使氦原子核聚变形成铍,铍原子核就几乎立刻衰变成原先的组成成分。在任何一个给定的时间点,恒星核心都含有少量但转瞬即逝的铍。这些罕见的铍原子核可以与氦反应生成碳。因为这一过程最终需要三个氦原子核,它被叫做3氦反应(triple-alpha reaction)。但在我们的宇宙中,这一过程过于缓慢,不足以产生可被观测的足量的碳。

地球上一切生物所需的能量几乎都直接或间接地来自太阳。太阳的能量又从何而来呢?在20世纪以前,这一直是个令科学界感到困惑的谜题。现在我们知道,太阳以及所有恒星主要的能量来自其内部的核聚变反应。一个星体发生核聚变反应的最低条件是质量达到太阳质量的8%,当其内部的温度由于引力收缩达到1000万摄氏度以上时,核聚变反应开始发生,4个氢原子核经过3个质子加成的步骤聚合成一个氦原子核并放出巨大的能量。这种能量释放与恒星本身的引力作用达成平衡状态,使得恒星在一段长久的时间内稳定地存在、发光。在比太阳重一些的恒星中,当核心的温度达到2000万摄氏度以上时,能量释放的主要机制是另外一种由碳、氮、氧原子核作为催化剂的氢聚变反应。在此机制中会累积不少氮元素,这也是宇宙中氮元素的主要来源。

为了解决这一矛盾,1953年,物理学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)预测,碳原子一定在某个特定能量水平具备共振态,就像一个用特定的音调发声的小铃铛。由于这种共振的存在,碳的形成的反应速率比共振不存在时要大得多,足以解释我们所在宇宙中丰富的碳的由来。这种共振态后来在实验室中被观测证实,符合所预测的能量水平。

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令人担忧的是,在其他的宇宙中,随着力的强度发生变化,这种共振态的能量也会有所不同,那么恒星可能无法产生足够的碳。如果能级的改变达到4%以上,碳的形成就会受到影响。这个问题有时也被称为3氦微调问题(triple-alpha fine-tuning problem)。

虽然核聚变反应能很有效率地产生能量,但核聚变的原料——氢原子核——总有用尽的时候。对质量只有太阳一半的恒星而言,生命就到此为止了,核聚变形成的氦核心从此逐渐暗淡冷却。然而,质量较大的恒星在引力的持续作用下,核心的温度可达到1亿摄氏度以上。此时,氦原子核可聚变成碳原子核及一些氧原子核。同时,由于恒星的外层仍然含有未聚变的氢原子,在引力收缩的过程中,外层的温度升高,使得氢的聚变反应再次进行。

好在这个问题有一个简单的答案。核物理每关上一道门,就会打开一扇窗。假设核物理发生了改变,足以令碳共振失效。在这样可能的改变中,大约一半的情况同时也会产生副作用——使铍变得稳定,因此共振的损失就变得无关紧要。在这样的平行宇宙中,碳将以一种更符合逻辑的方式形成,即三个α粒子依次聚集。氦聚变产生铍,铍再和另一个α粒子发生反应形成碳。原来并不存在微调问题。

太阳大小的恒星在核心的氦用尽后将受引力的压迫形成一颗白矮星,并逐渐冷却。若恒星的核心在氦即将燃烧完之前仍有3倍以上的太阳质量,核心可以进一步压缩,使得温度达到6亿摄氏度,在这种高温下,碳将聚合成氖、硅、镁等原子核。此时,在核心的外层,氦的聚变反应也开始进行,而更外层则依然有氢的聚变反应在发生。这种阶段性的层状核聚变反应在质量很大的星球内持续进行,每一阶段都需要更高的温度与密度,并产生更复杂的化学元素。在恒星的演化过程中,它们会不断将表面的物质送到太空中,恒星内制造出的各种原子核也随之散布到宇宙的各个角落。

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