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困擾科學家很久:為什麼宇宙中如此多的碳?難道是為創設生命,宇宙修改了設定
2024/02/21

    碳是生命必不可少的要素,所以人類被稱為碳基生命。碳在地球上的含量很高,所以地球上的生物圈才會如此的繁榮。

    整個宇宙中,碳是數量第四多的元素,前面三位是氫元素、氦元素和氧元素。

    碳,普通又神秘。

    碳的神秘,并不只是因為既可以變成黑不溜秋的石墨,又可以變成亮晶晶的鉆石。

    碳元素的制造過程非同尋常。

    宇宙為了創造這種元素,專門設定了特殊的過程。發現這一過程的科學家,甚至動搖了信仰。

    組成萬物的有100多種原子,而每一種原子都是由電子、質子和中子組成的。

    質子就是氫的原子核。決定所有元素性質的,就是質子和中子結合成的原子核。

    138億年前,宇宙在大爆炸中誕生。

    大爆炸38萬年之后,宇宙中充滿了氫原子。

    最初的氫原子聚集成原始星云,在引力的作用下形成了恒星,大爆炸2億年后。宇宙中第1顆恒星被點亮。

    恒星被點亮的原因,是因為發生了核聚變,核聚變就是氫原子聚合變成其他原子的過程。

    這個過程制造了世界上所有的原子,同時會放出巨大的能量。

    但是鐵以上的元素聚變卻要吸收能量,所以鐵以上的元素要在超新星的爆炸中才會誕生。    

    恒星爆炸以后,把大量的物質拋向了太空,重物質就聚合形成了地球。

    所以地球和人類是在恒星爆炸的灰燼中誕生的,這些灰燼中就含有大量的碳。

    還有一些沒有燃燒盡的氫元素,就變成了下一代恒星的燃料,我們太陽就是第2代恒星。

    但是,聚變反應非常困難,因為原子核碰到一起的機率非常低。

    所以,太陽才會照耀我們幾十億年,并且還會照耀我們幾十億年。

    原子之間的空間非常大,原子核只占整個原子體積的1/10,000億,原子核在原子中的大小,相當于一個足球場中間的一個玻璃球的大小。

    在太陽內部,4個氫原子聚變形成氦原子,需要700萬年時間。

    大家可以想象一下,在兩個足球場大小的空間,兩個玻璃球隨機運動碰撞的機率有多少,而且這種事件還是發生在三維空間中。

    不僅僅如此,因為原子核和玻璃球是不一樣的,原子核帶正電,之間會有斥力,所以需要極高的能量才能碰在一起。

    否則的話,我們往水里面丟一個鞭炮,整個海洋就會爆炸。

    太陽內部的核聚變,要1,500萬度的高溫和3,000億個大氣壓下才能進行。

    我們知道,氦原子一共有兩個質子兩個中子。兩個質子碰在一起都很困難,4個質子同時碰在一起是不可能的,甚至三個質子同時碰在一起都不可能。

    這就好像潘金蓮碰到西門慶的機率,潘金蓮碰到武松的機率,比潘金蓮、西門慶和武松同時碰頭的機率要大得多。

    所以氫到氦的核聚變,是分成好幾個步驟進行的,這幾個步驟中全部都是兩個兩個碰在一起。

    兩兩相碰的組合有很多種,其中一個組合是這樣的:兩個氫原子,先合成一個氫的同位素氘,同時釋放出一個正電子和一個電子中微子;再由氘和一個質子合成一個氦3;兩個氦3可以直接合成一個氦4,放出兩個質子。

    按照兩人碰頭比三人碰頭要容易的原則,接下來聚變成碳的反應要這樣進行:兩個氦原子聚變成鈹元素。鈹元素里面有4個質子,鈹和氦反應,就會形成碳。

    按照這樣的原則,自然界中的鈹元素應該很多。

    實際上鈹是一種稀土元素,在宇宙中和地球上的含量都很低,同時,鈹有毒!

    而且兩個氦原子形成的鈹8極不穩定(鈹9才穩定),只能存在1/10萬秒。

    如果按照這種核聚變反應的設定,宇宙中就幾乎不會有碳元素。

    這是怎麼回事?到底發生了什麼,讓宇宙中的炭如此之多。

    這個問題困擾了科學家很久。

    有一位科學家,弗雷德.霍伊爾,專門的研究過這個問題。

    弗雷德.霍伊爾(Fred Hoyle,1915~2001),英國數學家和天文學家。

    霍伊爾發現:必須要三個氦原子同時碰在一起才能形成碳。

    并且初步計算出反應需要的能量。

    從正常的機率角度上來說,這幾乎是不可能的。

    我們可以設想一下,在三個足球場大的面積上,有三個玻璃球同時碰在一起,而且這三個玻璃球還會相互排斥。

    為了制造碳,宇宙專門做了這樣的設定:三個氦原子同時碰在一起的時候,斥力會突然大幅度的降低。

    如果沒有這個設定,宇宙中就不會產生生命。

    上世紀50年代中期,瑪格麗特.

伯比奇(Margaret Burbidge)、杰弗瑞.伯比奇(Geoffrey Burbidge)、威廉.富勒(William A. Fowler)和弗雷德.霍伊爾(Fred Hoyle)提出了以他們名字命名的BBFH理論,解釋了恒星內部元素的合成過程。

從左到右,M.伯比奇、G.伯比奇、W.富勒和F.霍伊爾。

    威廉.富勒因為對恒星內部元素合成理論的貢獻,和錢德拉塞卡分享了1983年諾貝爾物理學獎。

    3個α粒子(氦的原子核)在激發狀態下融合形成碳12,然后電磁衰減至基態時,就會在恒星內部制造碳。這被稱為三重阿爾法過程。

    為了紀念弗雷德.霍伊爾發現恒星合成碳12過程的杰出貢獻,碳原子的激發態又被稱為霍伊爾態。

    碳的合成極其重要,因為碳生成以后還要和阿爾法粒子合成氧,這2種元素都是決定生命存在的至關重要元素。

    弗雷德.霍伊爾原來是一個無神論者,因為發現了碳的合成過程,動搖了原來的信仰,成為了一個有神論者。

    弗雷德.霍伊爾認為宇宙有智慧有生命,是活的。

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