宇宙到底有精巧?看看光速就知道了

2023-09-10     魅力科學君

原標題:宇宙到底有精巧?看看光速就知道了

從物理學的角度來看,我們的宇宙似乎像被精巧設計過一樣完美,科學家發現,只有在極為精密的物理條件下,才能夠在宇宙中形成現在我們所能看到的一切,而哪怕是有一點點物理條件出現變化,那宇宙就會大不相同,甚至連我們人類都不可能存在。那麼,宇宙到底有精巧呢?其實看看光速就知道了。

我們知道,光速(指真空中的光速,下同)是宇宙中的一種速度極限,任何有靜質量的物質都不能達到光速或超過光速,與此同時,光速也是一個物理常量,即光在真空中的速度永遠都是每秒299792458米。那麼,假設光速慢一點點或快一點點會怎麼樣呢?答案就是:我們人類就很可能不會在宇宙中存在。下面我們來看看這是為什麼。

需要知道的是,包括我們人類在內的所有已知生命都是碳基生命,我們需要用碳元素作為有機物質的基礎,而根據大爆炸宇宙論,在宇宙誕生之初,其實只存在一些簡單元素,其中絕大部分都是氫和氦,而我們所需要的碳元素,其實都是在此之後形成的恆星通過核聚變反應生成的。

恆星通過核聚變生成碳元素的過程,其實就是三個氦-4原子核(He-4)聚變成一個碳-12原子核(C-12),其中的氦-4一部分來自早期宇宙,另一部分則是由氫原子核聚變而成,由於氦-4原子核也被稱為α粒子,因此「三個氦-4原子核聚變成一個碳-12原子核」這個過程也被稱為「3α過程」。

「3α過程」其實需要兩步才能完成:1、兩個氦-4原子核聚變成一個鈹-8原子核(Be-8);2、鈹-8原子核與另一個氦-4原子核聚變成一個碳-12原子核。這看上去很簡單是吧?然而實際情況卻並非如此,因為「3α過程」順利地聚變出碳元素需要一個必備條件,即:「3α過程」釋放的能量,必須達到碳元素保持激發態的能量。

宇宙中的實際情況確實也是這樣,測量數據表明,讓碳元素保持激發態的能量為7.3至7.6MeV,而「3α過程」釋放的能量為7.3367MeV。重要的是,讓碳元素保持激發態的能量值,是由一個表征電磁相互作用強度的基本常數——精細結構常數(α)所決定的,而這個常數又與光速密切相關。

(精細結構常數的計算公式,其中e、ε0、c和h分別代表基本電荷、真空介電常數、光速和普朗克常數)

簡單來講就是,如果光速是可以變化的,那麼精細結構常數當然也會變化,並且兩者是反比例關係。所以,假如光速慢一點點,那精細結構常數就會變大一點點,這就會造成「3α過程」釋放的能量達不到讓碳元素保持激發態的能量值,在這種情況下,宇宙中就不會存在碳元素,而宇宙中沒有了碳元素,當然也就沒有了包括我們人類在內的所有碳基生物。

那麼,如果光速快一點點又會怎麼樣呢?答案就是:宇宙中的氧元素丰度就會大幅下降。為什麼會這樣呢?我們接著看。

在恆星的內部,氧元素的生成可以簡單地描述為,一個碳-12原子核與另一個氦-4原子核聚變生成一個氧-16原子核(O-16),這就需要大量的氦-4原子核的參與。

正如前文所言,「3α過程」的第一步就是兩個氦-4原子核聚變成一個鈹-8原子核,但需要知道的是,鈹-8是極為不穩定的,在生成之後大約2.6乘以10的負16次方秒之內,它們就會重新衰變成兩個氦-4原子核。

如此短的時間,再加上「3α過程」釋放的能量只是剛剛達到讓碳元素保持激發態的能量,其生成碳-12的機率還是相對較低,這就會使很多鈹-8原子核還沒有來得及遇上另一個氦-4原子核就衰變了,因此恆星內部就會存在相當數量的氦-4原子核,這有利於氧元素的生成。

假如光速快一點點,精細結構常數就會變小一點點,在這種情況下,「3α過程」生成碳元素的機率就會大幅提高,如此一來,恆星內部就沒有足夠的氦-4原子核來參與生成氧元素的過程,這就會導致宇宙中的氧元素丰度大幅降低,進而使宇宙中沒有足夠的氧元素來支持包括我們人類在內的需氧型生物的生存。

看到這裡,相信大家都對宇宙的精巧程度有了一個相對具體的了解,實際上,光速的「恰到好處」,只能算是宇宙精巧程度的冰山一角,畢竟宇宙中還存在著很多其他的物理常數和運行規律,如果它們也稍微變化一點,那宇宙也會大不相同。

那麼問題就來了,宇宙如此精巧,難道是出自某種精心設計嗎?這個問題其實並沒有確定的答案,不過相對來講,我們更應該對此持否定的態度,因為一個很簡單的推理就是:宇宙中的種種規律,其實都是我們人類總結出來的,而如果宇宙不是現在這個樣子,那也就不會有像我們人類這樣的智慧生物來對其進行總結了。

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