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如果光速變慢一點點會發生什麼?碳基生命將不會在宇宙中出現
2021/11/02
2021/11/02

通常來講,我們討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,碳基生命將不會在宇宙中出現,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內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)有著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確實很高,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,在早期宇宙中只存在著簡單的元素(絕大多數都是氫和氦),隨著時間的流逝,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,並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)首先聚變成鈹-8原子核(Be-8),第二步則是鈹-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,鈹-8扮演著非常重要的角色,然而鈹-8的穩定性極差,通常情況下,它們會在大約2.6 x 10^(-16)秒之內就重新衰變成兩個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著大量的碳元素呢?這主要有兩個原因,一是在恒星核心高溫高壓的環境中,新的鈹-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,而碳元素處于激發態的能量為7.3-7.6 MeV,可以看到,前者剛好在後者的范圍之內,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態的能量再高一點點,那麼恒星內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態的能量呢?答案就是精細結構常數。

精細結構常數(α)是一個表徵電磁相互作用強度的基本常數,其運算式如上圖所示,其中的e、ε0、c和h分別代表基本電荷、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係,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態的能量值是正比例關係,因此碳元素處于激發態的能量就會隨之變高。

也就是說, 光速只需要變慢一點點,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態的能量,這樣就會造成恒星內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,那麼碳基生命就將不會在宇宙中出現。

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