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为什么光速慢一点点,就不会有碳元素;让光速快一点点,就不会有氧元素?

 宇宙时空探索 2022-06-05 发布于河南

要了解这个问题,涉及到两方面知识,一是化学元素的起源是什么?二是光速如何影响元素内部相互作用?

化学元素的起源是什么

宇宙的时间和空间都来源于137亿年前的大爆炸。最初,宇宙中充满了光和夸克,随后,夸克组成了质子和中子。

大约3分钟之后,这些质子中子冷却之后组成了原子核。这个过程称为核合成。氢、氦、锂、铍等元素被大量合成了。而直到今天,宇宙中90%的物质仍然是氢核。但这时宇宙仍然太热,这些原子核无法吸引电子而形成原子。要形成原子,还要等待30万年之后。

到那时候,宇宙冷却到可以形成原子。从宇宙微波背景辐射中,我们仍能看到这些早期原子的信号。

前面四种元素是最早期形成的,而其他元素的形成涉及到核聚变过程。

所有质子都是带正电的,因此相互排斥。要让它们紧密地形成原子核,需要另外一种力来让它们相互吸引。这种力叫做强力。质子相互碰撞,最终强力大于电磁斥力而使它们束缚在一起形成原子核。这个过程就叫做核聚变。

大爆炸之后的原子通过引力相互吸引,并聚集成大的云状物。云内部的压力把它自身加热到几百万度的温度,从而导致氢聚变为氦,从而形成了恒星。核聚变先从内部开始,然后发展到外部。这个过程使恒星膨胀,进而冷却,最终把它变为红巨星。

一旦内核的氢在聚变过程消耗完,氦开始聚变为碳、氮、氧。

这个聚变过程,小质量(小于8倍太阳质量)的恒星演化成白矮星。白矮星主要由碳、氧组成,并且密度极大。

大于8倍太阳质量的恒星(称为超巨星),它的引力足够强,聚变得到碳原子,随后再聚变得到氖、氧、镁原子。然后,氧聚变为硫、硅、磷和镁。硅继续聚变出重元素,一直到铁元素。

但是,这个过程不能产生比铁元素更重的元素,因为前面的聚变过程都是释放能量,可以促使聚变继续发生,而产生更重的元素需要吸收能量,使得强力释放的能量不足以克服电磁斥力。

超巨星的终点是超新星,最重的元素是在超新星中产生的。超新星的内核被铁元素充满,它的压力和温度不断升高。内核释放出大量伽马射线,促使电子质子融合为中子,同时释放大量能量和中微子。这个过程会导致大量包含中微子的冲击波,比铁重的元素一直到铀元素,都是这个过程产生的。

总结一下,最轻的四种元素在大爆炸之后就产生,镁以及之前的元素在红巨星中产生,铁以及之前的元素在超巨星中产生,从铁到铀元素在超新星中产生。

星云、尘埃、星球中的原子相互碰撞,大量化学反应不断发生。这些反应最终产生了生命,从而产生了我们人类。

光速如何影响元素内部相互作用?这里实际上假设了,光速在物理中不是一个基本常数。如果它可以改变,影响的是电磁相互作用,物理学中描述电磁相互作用的是精细结构常数 α 。

前面我们看到,要合成元素,需要强力克服电磁力,从而使质子束缚在原子核内,描述强力的是强相互作用耦合常数。

α和耦合常数需要满足一定的关系,像碳这一系列元素才是稳定的,电磁力如果变化,实际上就影响了元素的合成。

具体精细结构常数改变多少,会影响元素的合成。类似的,仅改变α 也会产生类似的影响。

我把结论描述如下:

如果耦合常数增加 4%, 星球的聚变就无法产生碳,基于碳元素的生命就更无法出现了。如果耦合常数减小10%,核聚变都无法发生,基于核聚变的一系列天体物理过程也无法发生了。

不过,在物理学中光速一般被看做基本常数。任何一个基本常数的改变,都会改变一系列其他物理常数。那些现实世界肯定和我们现在看到的完全不一样。

可能会有人问:铀之后的元素为什么产生不了?

它们实际上是在超新星中产生了,但是因为比铀重的元素都是不稳定的,都会衰变为更轻的元素。所以自然界发现的元素都是铀以及比铀轻的元素。铀虽然也是不稳定的,但是它的半衰期几乎和地球寿命一样,所以地球上还是有铀元素存在的。

其他所有比铀更重的元素,都是人类在实验室合成的。早期合成一个新的元素,就可以得到一个诺贝尔奖。后来发现重元素越来越多,大家就觉得不稀奇了。

还有,镎和钚在自然界也发现了。确实是这样,人工合作这些元素之后,人们在铀岩中也发现了有这两种元素存在。除了这两个元素,目前其他比铀重的元素都要在实验室合成。

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