李志宏
质子和中子的质量与生命之间的联系 精选
2021-9-19 18:16
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质子和中子的质量与生命之间的联系


大量的科学研究发现:似乎存在一物理参量,如果它们稍有不同,宇宙将不会有智慧生命的存在。这些参量就好像是上帝之手,在冥冥之中调节着宇宙的进展。为了有利于人类存在,这些参量的取值必须精准,或大或小都会与人类的存在产生矛盾。

 

根据物理学家Victor Stenger的估算,电磁力引力要强10的36次方倍。这一数值刚刚好,能够产生我们当前的宇宙。如果引力稍大一点的话,行星上的生命还未出现时,恒星就已燃烧殆尽;如果电磁斥力稍强,核反应就会更加困难,也不能产生生命

 

首次提出这个理论的是澳大利亚科学家布兰登·卡特,他在1974年发表的论文“大数重合与宇宙论中的人择原理”中进行了如下陈述:“虽然我们所处的位置不一定是中心,但不可避免的,在某种程度上处于特殊的地位。鲍罗和泰伯拉发展了这种理论,他们认为:正是人类的存在,才能解释我们这个宇宙的种种特性,包括各个基本自然常数。因为宇宙若不是这个样子,就不会有我们这样的智慧生命来谈论它。

 

其实,最早使用人择原理的要向前追溯到1954年。英国天文学家弗雷德-霍伊尔在恒星元素起源时发现:要想在宇宙中产生比碳轻的锂、铍、硼元素,还是产生比碳重的氧、氖、镁元素,都必须用碳作为原料。而要想生成碳,就必须在12C的激发态中存在一个约为7.65 MeV激发态。霍伊尔认为,3个氦原子核(α粒子)在恒星温度下发生聚变反应形成一个碳核时(该反应发生在重星球炽热的内部)必须经过该状态。如果该激发态不存在,宇宙只会形成很少量的元素。如果没有这种碳核,生命或许不会存在。霍伊尔在劝说美国加州理工学院的福勒教授(W. A. Fowler)通过实验寻找这个激发态时就使用了这种说法:我笃定这个激发态存在,我是碳基生命,如果没有这个态,也就没有我。事后福勒回忆道,“我很怀疑这个静态宇宙理论学家应该问碳-12核有关的问题。...这个有意思的小个子居然要我们放下手上重要的事,去查那个什么态。我们把他撂在一边。快走人吧,年轻人,别烦我们了。”霍伊尔不放弃,接着理论说只需要几天的时间针对地查找7.65兆电子伏特的激发态。如果我错了,你只要加几个晚班就能赶上进度。如果我是对的,你就成就了核物理的一个重大发现。福勒觉得霍伊尔说的利害关系在理,马上让他的实验小组去实验。十天后福勒的实验小组发现碳的激发态就在霍伊尔预言的能级上。这是第一次科学家运用人择原理给出并且证实一个预言。确实是天才的一笔,福勒也因此获得了1983年的诺贝尔物理学奖。

 

斯蒂芬·温伯格(Stephen Weinberg)也曾用人择原理来预测宇宙常数的期望值,并得到了一个预测值很小但为正值的结果,这与当时的期望值不符。大约十年后,当物理学家发现宇宙的膨胀正在加速时,证实了温伯格的预测。

 

质子和中子的质量也可以作为生命微调的一个例子,质子的质量为938.27 MeV, 中子的质量为939.56 MeV他们之间的差异恰好是1.29 MeV,也只有这样才能使生命成为可能。在宇宙刚刚诞生时,质子和中子在伊伦(宇宙初期的物质汤)中,受到中微子和其它粒子的碰撞,保持热力学平衡,中子和质子的数目比与温度有关系。随着宇宙的膨胀,温度降低,中子与质子的数目比将逐渐变小。当温度到了80亿度时,宇宙膨胀了1000倍,弱相互作用迅速降低,导致中子和质子的比例被冻结为1/7。这一数值导致宇宙中的氢和氦的含量分别为75%和25%,并最终演化成当前的宇宙。

 

如果中子和质子的质量差不是1.29 MeV,我们的宇宙就可能有很大的不一样。如果中子和质子的质量差小于电子的质量(0.511 MeV),宇宙中的所有质子都会转化为中子。这样的宇宙不会有任何化学反应:它只会有中子星和黑洞。相反,如果中子和质子的质量差1.42 MeV,氢就不会燃烧,也就不会有长寿命的恒星,复杂的生命并没有时间在燃烧了几亿年的恒星周围演化。更为细致的分析表明,只要中子和质子的质量差改变那么一点点,宇宙中的氢氦比例就会不一样,从而使宇宙有不一样的命运。


在科研工作中思考一下人择原理,可以给我们提供一独特的认识宇宙的角度。


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