大科技杂志社官方网站

新浪微薄腾讯微薄

最新碎语:想象力比知识更重要

您的位置:大科技杂志社官方网站 >科学之谜> 生命的亚原子秘密

生命的亚原子秘密

地球生命的诞生,离不开碳的一个难以解释的属性。

宇宙中碳是除了氢、氦、氧以外最多的元素,它在银河系中占了总量的0.46%。碳原子有一种神奇的化学能力—能与其他元素相结合,产生种类繁多的复杂分子,所以以碳为基础的生命最终在地球上诞生出来了。如果没有碳,地球生命就不复存在。

但是,宇宙中碳的产生,取决于碳的一个看似不可思议的属性—碳原子核的一个十分特殊的激发态。

我们的存在需要这个激发态,然而,物理学家们无法用理论解释清楚这个激发态。现在,是解决这个问题的时候了。

碳的创生录

碳-12是最常见的碳同位素,占碳元素全部同位素的98.89%,包含6个质子和6个中子。所以,谈论碳是如何产生的,主要就是去分析碳-12的产生过程。而碳的创生故事开始于138亿年前的宇宙大爆炸。

宇宙大爆炸之后的一段时间里,宇宙中的所有元素都是轻元素:氢、氦和少数其他轻元素。更重的元素,包括碳,都是在后来形成的恒星核心里产生出来的。在恒星核心处,产生碳的第一步就是把最轻的元素氢聚变成氦。

当恒星进入晚年,开始变为红巨星时,内部的氢会被消耗光,它开始消耗氦。此时,产生碳的第二步就可以进行—把两个氦-4(包含两个质子和两个中子)聚变成铍-8(包含4个质子和4个中子)。

最后一步就是铍-8再与一个氦-4相结合,就能聚变成一个碳-12。但这里有一个大问题,铍-8十分不稳定,它会在转瞬之间变为其他的轻元素。所以,核物理学家曾经认为,最后这一步是很难发生的。

那么还有什么其他的办法产生碳吗?你也许想到,三个氦-4可以同时挤在一起,聚变成一个碳-12啊。但是,核物理学家早就发现,发生这种事情的概率极低,单靠这种方法是无法产生数量可观的碳的。

神奇的激发态

那么,宇宙中这么多的碳是从哪里来的?

这始终是一个谜,直到1953年,英国天文学家弗雷德·霍伊尔根据碳-12在宇宙中是丰富的这一事实,做出了一个大胆的推测。他推测,产生碳的最后一步,即铍-8与氦-4聚变成碳-12,是可以顺利进行下去的,只要碳-12的原子核有一个以前从未发现过的激发态。

这个激发态的能量比基态高了7.65兆电子伏特。那么,为什么有了这个激发态,反应就能进行了?

答案是,基态的铍-8加上一个基态的氦-4,其总能量几乎就等于处在这种激发态的碳-12。霍伊尔认为,此时就像发生了共振一样,铍-8很容易与一个氦-4相结合,聚变为一个处于激发态的碳-12,尽管铍-8会迅速衰变。随后,激发态下的碳-12可以衰变为处于基态的碳-12。

之前,之所以核物理学家认为这个反应很难发生,是因为没有意识到碳-12的原子核有这个激发态。很快,粒子对撞机给出的实验数据证实了霍伊尔的观点,而这种激发态就被称为霍伊尔激发态。这样,我们就搞清楚了碳的产生过程。

直接算出结果

但从发现到现在,60多年过去了,核物理学家们始终无法用理论对霍伊尔激发态做出解释。原因在于,计算原子核内所有的核子(质子和中子的统称)在某一时刻下的状态,是一项非常复杂的任务。

核物理学家会使用能简化计算的理论模型,来近似地描述强核力和电磁力对核子的作用。通常情况下,这些模型可以描述许多原子核的性质。但是,霍伊尔状态却无法从这些模型推导出来。

解决此问题的一个方法是直接硬算下去:把我们对强核力和电磁力所知道的一切都考虑进去,再计算处在霍伊尔状态下碳原子核里每个核子的状态。

但是,碳原子核里有太多的基本粒子了—碳-12包含12个核子,每个核子里还有着3个夸克。不过,在2011年,借助位于德国的JUGENE超级计算机,以及一种可以能忽略夸克的计算技巧,来自德国波鸿大学的研究人员终于做出了一些突破。

在每一个瞬间,JUGENE都会算出每个核子受到的来自11个同伴的作用力,并根据受力对每一个核子的状态进行调整,然后再一遍又一遍地重复这一计算过程。进行了几周的计算后,研究人员发现,碳原子核的确能半稳定地存在于一个比基态高了大约7.65兆电子伏的能级上。

几年后,他们使用类似的技术,计算了霍伊尔状态下碳原子核的形状。他们发现,此时的碳原子核分成了3组,每组都包含两个质子和两个中子,也就是说,每一组相当于一个氦核。这3组核子组合成的形状,类似一个回旋镖。

新的待解决问题

问题都解决了吗?并没有。首先,JUGENE模拟出的激发态能级比实际的小了些。看来,要想得到准确的结果,仍需要进一步的研究。更令人困惑的是,当涉及到霍伊尔激发态下碳原子核的形状时,最近的实验结果却与JUGENE模拟出的不一样。

2014年,英国伯明翰大学的研究人员用一束阿尔法粒子(也就是氦核)射向碳靶,碳靶里的碳-12会吸收能量进入激发态,并把阿尔法粒子弹回去。通过测量弹回的阿尔法粒子状态,研究人员能够分析出激发态下碳-12的形状。他们得到的是一个不同的结论:霍伊尔激发态下碳原子核的3组核子,构成的是一个等边三角形。

不过,位于欧洲的在建的极端光基础设施设备,有可能在不久的未来解决此矛盾。这个设备可以用激光与高能电子束对撞,产生出高能伽马射线。一个实验计划就是用伽马射线轰击碳原子核,然后监测碳原子核会发生什么。也就是说,通过摧毁碳原子核来研究霍伊尔状态。

激发态与生命

霍伊尔激发态的能级,比基态高了7.65兆电子伏特。那么,如果这个能级变得高一点或低一点的话,都会使得反应无法顺利进行,这样宇宙中就无法产生足够的碳,以碳为基础的生命就很难诞生出来。

为何物理定律是这个样子,使得碳原子核具有这种激发态?霍伊尔曾认为,之所以这样,是因为我们宇宙中的物理定律是被精心调整过的,以适应生命的生存。

不过,一些科学家喜欢用人择原理来解释这个激发态。人择原理认为,我们所观察到的宇宙,必然具有能允许我们存在的条件。如果宇宙不是这样子的话,那么也就没有发问的我们了。

现在,更多的科学家倾向于用多重宇宙这个观点来解释。他们认为,我们的宇宙可能是多重宇宙中的一员。多重宇宙是由无数个宇宙而组成的集合,每个宇宙都有着属于自己的物理特性。一些少量的宇宙凑巧具备了适宜生命生存的物理特性,其中的一个就是我们所生活的宇宙。

总之,霍伊尔激发态与生命息息相关。这就是生命的亚原子秘密。

拓展阅读

能级、基态、激发态

烧水时,开水的能量是连续变化的。但量子理论认为,一个量子系统,不管是一个分子、原子,还是原子核,它的可能状态是不连续的,因此各状态对应能量也是不连续的。这些能量值就称为能级。基态就是系统处于最低能级时的状态,而激发态就是系统处于其他更高能级时的状态。激发态下的系统是不太稳定的,系统会返回到基态,同时放出多余的能量。

本文源自大科技〈科学之谜〉 2017年第12期杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

---

转载请注明本文标题和链接:《生命的亚原子秘密

分享到:

发表评论

路人甲 表情
Ctrl+Enter快速提交