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得那么精确,星星之死

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-07-26 16:58

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元素周期表上已经列有超过110种不同的化学元素,各种元素所具有的各不相同的物理、化学性质,造就了我们这个多姿多彩的、充满生命力的世界。然而,这些化学元素是怎么来的呢?

哈勃空间望远镜拍摄的侏儒星云,这是一团船底座 η 核合成过程中产生的物质云。这颗恒星已近生命终点,正在吐出云团。在一百万年间,它会成为一颗超新星,并在一次极为壮观的高能爆发中向宇宙空间抛射物质。

布赖恩·考克斯教授归来,借这本《宇宙的奇迹》,他将带领我们穿越时间与空间,开始一段充满真知灼见而又令人兴奋的旅程:你会见证那个137亿年之久,930亿光年之广,1000亿个星系星罗棋布,而每个星系又包含着千亿、万亿颗恒星的无法想象的庞然大物。

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(本文由 Nautilus 授权转载,译/玛雅蓝)在生命出现之前,一定存在着结构。我们的宇宙在它的早期就合成了原子核,这些原子核捕获电子,形成了原子。原子聚集起来,形成了星系、恒星和行星。最后,生命有了家的港湾。我们想当然地认为是物理学定律让这些结构得以形成,但事情并不见得是必然如此。

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考克斯教授一生致力于认识我们的宇宙。关于我们自己,关于我们所生活的世界,我们有许多深刻的问题需要回答。在这本书中,他决心用一种特殊而易于理解的方式为这些问题寻找答案。

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在过去几十年中,许多科学家辩称,只要物理规律有哪怕一点点的不同,宇宙就不会形成任何复杂结构。然而与此同时,宇宙学家开始意识到,我们的宇宙也许不过是多重宇宙的一个组成部分,而多重宇宙是许许多多宇宙的组合,构成了一个更大的时空。其他宇宙的存在为物理规律的微调提供了一个诱人的解释。不同宇宙有不同的物理规律,而我们之所以生活在一个允许观察者存在的宇宙,是因为我们无法生活在别处。

betway必威官网手机版,在回答这个问题之前,我们要对原子的结构做一个简单的介绍。现代的原子模型奠基于20世纪初卢瑟福的阿尔法粒子撞击实验。现在我们知道,原子的质量集中在一个很小的原子核当中,原子核内包含了带正电的质子与不带电的中子。在原子核外通常环绕着一些带负电的电子。

在婴儿期,我们的宇宙拥有的唯一元素是氢,这是一种最简单的元素——靠它几乎不足以形成什么有趣的东西,如行星或人类。随着宇宙逐渐冷却,每个单一质子都会得到一个带负电荷的电子并成为氢原子,宇宙中大约 92% 的原子是氢。剩下的大多聚合成了氦以及极少量的锂和其它轻元素。在那个时候,由于过份寒冷,其它元素无法形成,宇宙进入了一个持续 3.8 亿年的黑暗时代。

本书由科学松鼠会的两位成员李剑龙和叶泉志合作翻译,以下内容选载自本书第二章。

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betway必威官网手机版 4参数的设定:即使电磁力或万有引力比现实更强或者更弱,宇宙中也会有生命存在。图中阴影区域展示了可允许生命存在的参数值范围,星号代表我们的宇宙中的参数值,而坐标轴参照这些值进行标度。限制条件包括:恒星必须能够发生核聚变(在黑色曲线之下);恒星寿命需要足够长到可以演化出复杂的生命(红色曲线以下);温度足够高,以支持生物圈的存在(蓝色曲线左侧);不能膨胀太大长出所属的星系(蓝绿色曲线右侧)。图片来源:Fred C. Adams

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制作电视纪录片的时候,我们总是寻求各种视觉手段来呈现复杂的故事。拍摄《宇宙的奇迹》时,我们满世界地寻找可以用来打比方或作为影片背景的地方,但在我看来,最成功的场景莫过于巴西里约热内卢中心区的一所废弃监狱。

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天文物理学家一直在讨论微调(fine-tuning),导致许多人理所当然地认为我们的宇宙超乎寻常地适合复杂结构出现。即使怀疑多重宇宙的人也接受微调,他们只是认为一定存在其他的解释。但实际上,微调从未被严格证明。我们实际上并不知道哪些物理定律是天体物理结构的发展所必需的,哪些又是生命的产生所必需的。近来关于恒星演化、核天体物理学和结构形成的研究显示,微调理论并没有先前预想的那么有说服力。有许许多多可能的宇宙都能支持生命,我们的宇宙并不像看上去那么特别。

在中性的原子内,电子数与质子数相等,有时电子数会稍多于或少于质子数,我们通常将其分别称为负离子。各种元素原子的差异在于原子核内的质子数不同,因而影响到电子组态乃至化学性质的不同。比如说,碳原子核有6个质子而氮原子核有7个质子,造成这两种元素在化学性质上的极大差异。质子数相同但中子数不同的原子称为同位素,例如氢与氘都含有一个质子,但氘原子核还包含了一个中子。同位素原子的大部分化学性质非常类似。

随着宇宙的扩张和冷却,引力开始发生作用。星系结合起来,很快第一颗恒星开始发光。最初,光仅由恒星的体重决定:当一颗恒星在它自身的重量下坍缩时,氢堆积在一起,这会导致它变热,这就如同你把油灰攥在手心。凭借它自己,引力只能让这些恒星保持发光数百万年,但这已足以让这些恒星的核心变热,并使核聚变炼金术开始。

这个建筑的外墙已经差不多毁坏了,只留下一副砖骨架;所有的窗户,如果曾经有窗户的话,也全部消失了。每一个牢房有20~30个混凝土浇筑的双层床,相互紧紧挨着;以及一个小小的浴室,几块破烂的布条仍然搭在浴室入口处,以作为遮挡之用。牢房的墙壁是某种色彩斑斓的奇怪拼图,妖娆的少女和古怪的足球队海报夹杂其间。

这个建筑的外墙已经差不多毁坏了,只留下一副砖骨架;所有的窗户,如果曾经有窗户的话,也全部消失了。每一个牢房有20~30个混凝土浇筑的双层床,相互紧紧挨着;以及一个小小的浴室,几块破烂的布条仍然搭在浴室入口处,以作为遮挡之用。牢房的墙壁是某种色彩斑斓的奇怪拼图,妖娆的少女和古怪的足球队海报夹杂其间。

微调的第一种类型,涉及运行中恒星上的自然基本相互作用力的大小。如果电磁力过强,质子之间的静电排斥会关闭恒星内部的核聚变,让恒星无法发光。如果电磁力太弱,核反应就会失控,导致恒星剧烈爆炸。如果引力太强,恒星要么坍缩成黑洞,要么永远不会发光。

从天文观测中我们知道,这些种类丰富的元素并不是地球上所独有的,而分布在宇宙的各个角落。并且很明显的,大部分的元素已经存在非常久的时间了。因此,要了解这些元素的起源,我们必须从宇宙发展的历史谈起。

实际上,这些聚变反应以许多令人震惊的方式发生着。聚变不是两个原子核的简单联合。在大多数恒星内,氢原子核无法靠近到足以发生聚合。

这地方有两个让我觉得很不舒服的特点:首先,你很难不让自己想象被关在这里的感觉,因为对于一个像里约热内卢这样炎热潮湿的城市,在一个钢筋混凝土牢笼里被关个好几年肯定不是一种享受。第二点则更直接,那就是这座监狱现在正填满了爆炸物。从牢房里往外看,明亮的外部世界发着强光,如恒星表面一样压迫着你,让你几乎很难同时看到黑暗的室内。但那些光并不照进来,它停留在外面的城市里。当我小心翼翼地顺着满是坑洞的、看起来摇摇欲坠的楼梯往下走时,我觉得好像我正在下降到一颗垂死恒星的致密内核上一般。生命所必需的元素,就在这暴烈可怕的、远离光亮的地方合成。正是在这里,恒星从物质消耗者变成了物质生产者。

这地方有两个让我觉得很不舒服的特点:首先,你很难不让自己想象被关在这里的感觉,因为对于一个像里约热内卢这样炎热潮湿的城市,在一个钢筋混凝土牢笼里被关个好几年肯定不是一种享受。第二点则更直接,那就是这座监狱现在正填满了爆炸物。从牢房里往外看,明亮的外部世界发着强光,如恒星表面一样压迫着你,让你几乎很难同时看到黑暗的室内。但那些光并不照进来,它停留在外面的城市里。当我小心翼翼地顺着满是坑洞的、看起来摇摇欲坠的楼梯往下走时,我觉得好像我正在下降到一颗垂死恒星的致密内核上一般。生命所必需的元素,就在这暴烈可怕的、远离光亮的地方合成。正是在这里,恒星从物质消耗者变成了物质生产者。

但是,如果更仔细地进行测试,就会发现恒星极其顽强。电磁力的强度得增强到一百倍或缩减到百分之一,才会让恒星的运转受影响。至于引力作用,强的一头要达到正常水平的100000倍,弱的一头更是要减弱到正常水平的十亿分之一。引力和电磁力所允许的强度范围取决于核反应速率,这进而又取决于核力。如果核反应速率更快一些,恒星甚至能在一个更大的引力和电磁力变化范围中运转。核反应速度减慢则会让这个范围缩小。

自1929年天文学家哈勃发现宇宙持续膨胀的现象之后,科学家一般都认为宇宙起源于一次大爆炸,时间大约在137亿年前,一切的物质、能量、时间都由此产生。一般认为,大爆炸发生的那一瞬间,宇宙只有强烈的辐射能量而没有任何物质。在大爆炸之后约0.0001秒左右,宇宙温度降至1012开,此时,宇宙中的质子与中子脱离与宇宙射线的平衡而成形。到了大爆炸之后4秒左右,温度降至1010开以下,宇宙中的电子也脱离与宇宙射线的平衡而成形。至此,构成原子的基本粒子已经出现,但由于温度太高,宇宙中尚无重于氢的稳定原子核,到处都是高速运动的质子、中子、电子,以及非常高能量的宇宙射线。

一对氢原子核靠得越近,正电荷的互相排斥就越强烈。但是因为原子核是一种量子物体,因此它们不需要通过靠得足够近的方式来发生聚变,而只需要靠近到适当的程度。然后一种被称为量子隧穿的效应就会接管。此刻两个原子核几乎接近到足以发生聚变,而一下刻它们就突然结合在一起了。这就好比原子核没有足够的能量来打开门走过去,但是它们偶然会用瞬间移动来穿越墙体。

恒星都活在某种让人窒息的平衡中。它们的引力在努力压缩各自的大小,于是它们的温度升高,直至氢原子克服了彼此之间的电磁斥力,通过核聚变反应生成氦。这一过程释放出能量,使恒星得以发光发热,并因此抵消引力的作用。当氢被耗尽时,向外的光压消失了,引力又占了上风,恒星的结构被迫发生剧烈的变化。恒星迅速向内坍缩,留下了一层氢和氦组成的外壳。随着恒星的坍缩,恒星内核的温度迅速上升至1亿摄氏度,并开启了新的聚变反应。在如此高的温度下,氦原子也克服了彼此之间的电磁力,开始结合为新的元素——这些恒星开始以氦为燃料了。这一从氢聚变到氦聚变的转变有两个重要的效果:首先,恒星释放的能量足以抵消掉自身的坍缩,于是再度稳定下来并开始迅速膨胀。这是它的红巨星阶段的开始。其次,它开始合成对生命至关重要的元素。一开始,一对包含两个质子和两个中子的氦原子核,只能合成拥有4个质子和4个中子的同位素铍-8。这个铍的同位素并不稳定,会很快衰变。但垂死的恒星会产生极高的温度,比如在其内核,温度会超过1亿摄氏度。这些原子核的存在时间已经足够让它与第3个氦原子结合成一种重要的元素——碳-12。这就是宇宙中所有碳元素的由来:地球上所有生命中的碳原子都来自于垂死恒星的心脏。

恒星都活在某种让人窒息的平衡中。它们的引力在努力压缩各自的大小,于是它们的温度升高,直至氢原子克服了彼此之间的电磁斥力,通过核聚变反应生成氦。这一过程释放出能量,使恒星得以发光发热,并因此抵消引力的作用。当氢被耗尽时,向外的光压消失了,引力又占了上风,恒星的结构被迫发生剧烈的变化。恒星迅速向内坍缩,留下了一层氢和氦组成的外壳。随着恒星的坍缩,恒星内核的温度迅速上升至1亿摄氏度,并开启了新的聚变反应。在如此高的温度下,氦原子也克服了彼此之间的电磁力,开始结合为新的元素——这些恒星开始以氦为燃料了。这一从氢聚变到氦聚变的转变有两个重要的效果:首先,恒星释放的能量足以抵消掉自身的坍缩,于是再度稳定下来并开始迅速膨胀。这是它的红巨星阶段的开始。其次,它开始合成对生命至关重要的元素。一开始,一对包含两个质子和两个中子的氦原子核,只能合成拥有4个质子和4个中子的同位素铍-8。这个铍的同位素并不稳定,会很快衰变。但垂死的恒星会产生极高的温度,比如在其内核,温度会超过1亿摄氏度。这些原子核的存在时间已经足够让它与第3个氦原子结合成一种重要的元素——碳-12。这就是宇宙中所有碳元素的由来:地球上所有生命中的碳原子都来自于垂死恒星的心脏。

除了这些最基本的运转要求之外,恒星还必需满足一系列其他限制条件,这进一步缩小了各种力的允许强度范围。星星必须很热:它的表面温度要很高才能驱动生命所必需的化学反应。在我们的宇宙中,大多数恒星周围都有一大片区域,其中的行星温度在300开尔文左右,足以支持生命的存在。在电磁力更强的宇宙中,恒星温度更低,也就不那么宜居。

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但是即便是这种量子魔法也不足以使一颗恒星成功。因为不仅仅是要发生聚变,还需要产生足够稳定的物质。由两个质子聚合成的氦-2(包含两个质子,但不包含中子),是极端不稳定的,它常会分解回两个单独的质子。但是存在有万分之一的机会,其中一个质子会转变为中子,使原子变成氘,一种稳定的氢同位素。氘和氢可以聚合成稳定的氦,并释放出巨大的能量,开启神奇的恒星创世序幕。

氦燃烧阶段并不以合成碳为终结,因为在这一极其炽热的阶段,恒星内部的环境使得氦核可以和新生成的碳核结合,从而生成另一种生命不可或缺的元素——氧。氧在我们呼吸的空气中占21%。它也是水——生命之源——的必备成分,同时也是排在氢和氦之后的宇宙中最常见的元素。我们每个人每分钟大概要吸入2.5克的氧,所以这里或许应该着重提一下,这种生命不可或缺的气体最初是在一个极其不适合生命生存的环境中被制造出来的。

氦燃烧阶段并不以合成碳为终结,因为在这一极其炽热的阶段,恒星内部的环境使得氦核可以和新生成的碳核结合,从而生成另一种生命不可或缺的元素——氧。氧在我们呼吸的空气中占21%。它也是水——生命之源——的必备成分,同时也是排在氢和氦之后的宇宙中最常见的元素。我们每个人每分钟大概要吸入2.5克的氧,所以这里或许应该着重提一下,这种生命不可或缺的气体最初是在一个极其不适合生命生存的环境中被制造出来的。

恒星的寿命还必需足够长。复杂的生命形式需要经过极其漫长的时间才能演化出来。由于生命是靠一套复杂的化学反应所驱动的,生命演化的基本时间表取决于原子的时间尺度。在其他的宇宙中,原子钟摆动的速度各不相同,取决于电磁力的强度,而这种变化也要纳入考虑。电磁力更弱的时候,恒星就会更快地燃烧它的核燃料,寿命也因此缩短。

在宇宙形成大约3分钟后,质子与中子开始可以结合成重氢的原子核而不立刻被光子分解。接下来,一连串的核反应将绝大部分重氢快速转变成包含2个质子及2个中子的稳定氦原子核。不过,比氦更重的原子核此时不易形成,因为自然定律中不容许有原子量为5或8的稳定原子核存在;缺乏这些作为桥梁的原子核,更重的原子核难以快速形成。

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恒星相比较于其漫长的寿命来说,能制造碳和氧的时间可谓是白驹过隙。在大约100万年后,恒星的氦也消耗殆尽,对于许多恒星来说,发光的日子就到此为止了。对于一般尺寸的恒星,比如太阳,充满活力的岁月至此一去不复返。当太阳在大概100亿年后到达这一阶段时,它的引力已经不足以进一步压缩内核,以重启聚变反应了。这时,它会变得越来越不稳定,内部产生许多强烈的压力点,直到最终将整个恒星外壳炸开,将珍贵的氧、碳、氢以及许多别的元素释放到深空之中。在这一短暂的、大概不到数万年的时间内,垂死的恒星会绘制出宇宙中最美丽的画面之一:行星状星云。

恒星相比较于其漫长的寿命来说,能制造碳和氧的时间可谓是白驹过隙。在大约100万年后,恒星的氦也消耗殆尽,对于许多恒星来说,发光的日子就到此为止了。对于一般尺寸的恒星,比如太阳,充满活力的岁月至此一去不复返。当太阳在大概100亿年后到达这一阶段时,它的引力已经不足以进一步压缩内核,以重启聚变反应了。这时,它会变得越来越不稳定,内部产生许多强烈的压力点,直到最终将整个恒星外壳炸开,将珍贵的氧、碳、氢以及许多别的元素释放到深空之中。在这一短暂的、大概不到数万年的时间内,垂死的恒星会绘制出宇宙中最美丽的画面之一:行星状星云。

最后,恒星至少必须要能够形成。为了让星系和随后出现的恒星从原始气体中形成,气体必须能够损失能量,冷却下来。冷却速率(再一次)取决于电磁力的强度。如果电磁力太弱,气体冷却的速度太慢,就会停留在弥散的状态,而无法凝结成星系。恒星还需要比宿主星系小,否则恒星就难以形成。这些影响对电磁力的下限增加了新的限制。

宇宙仍持续膨胀、冷却,在宇宙生成大约30分钟后,大爆炸产生的核反应完全停止。此时,宇宙中的物质以质量而言,质子约占75%、氦原子核约占25%,还有大量很轻的电子以及非常微量的重氢及锂原子核。此时的宇宙温度仍然非常高,强大的宇宙射线使电子无法停留在固定的原子核上,物质主要以单原子离子的状态存在。由于自由运动的电子很容易散射光线,此时的宇宙处于名副其实的混沌状态,光子无法自由穿越,辐射场与物质间不断地进行能量交换。这种情况一直持续到大爆炸发生大约40万年后,当宇宙的温度降到了约1万摄氏度以下,电子才开始能与原子核结合,形成中性的原子,宇宙也在此时变得透明,辐射场与物质间的作用大幅降低,引力开始逐渐塑造新的宇宙结构。

从氢到其它元素,每一步转变都依赖于罕见的天体与量子过程。从原初物质到我们人类,充满了侥幸。

在宇宙之光的短暂演出结束后,这样的恒星会收缩成一个比地球还小的小东西:白矮星。这就是数万亿颗此类恒星的最终命运。但对于像参宿四一样的大质量恒星来说,故事远未结束。质量是太阳1.5倍的恒星会继续开动元素生产线。当氦聚变结束之时,引力会进一步压缩恒星的内核。这时,内核的温度再次上升,启动了宇宙第三轮元素生产线。当内核温度上升到几亿摄氏度时,碳和氦结合生成氖(译注:不同资料的说法不一。有资料指出,恒星的质量为太阳质量的9~10倍时才能引发碳的核聚变反应),氖和氦结合生成镁,两个碳原子又结合生成钠。越来越多的元素成为火炉里的原料,随着温度的升高,一个接一个地产生重元素。内核进一步收缩,温度继续升高,触发了新一轮的聚变,将刚刚生成的元素组成的壳层留在外面。

在宇宙之光的短暂演出结束后,这样的恒星会收缩成一个比地球还小的小东西:白矮星。这就是数万亿颗此类恒星的最终命运。但对于像参宿四一样的大质量恒星来说,故事远未结束。质量是太阳1.5倍的恒星会继续开动元素生产线。当氦聚变结束之时,引力会进一步压缩恒星的内核。这时,内核的温度再次上升,启动了宇宙第三轮元素生产线。当内核温度上升到几亿摄氏度时,碳和氦结合生成氖(译注:不同资料的说法不一。有资料指出,恒星的质量为太阳质量的9~10倍时才能引发碳的核聚变反应),氖和氦结合生成镁,两个碳原子又结合生成钠。越来越多的元素成为火炉里的原料,随着温度的升高,一个接一个地产生重元素。内核进一步收缩,温度继续升高,触发了新一轮的聚变,将刚刚生成的元素组成的壳层留在外面。

综上,基本相互作用力的强度可以发生多个数量级的变化,而行星和恒星仍然能够满足图中所有的限制条件(如下图所示)。这些力的微调程度,远没有许多科学家所认为的那样“微”。

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对于小型恒星来说,氢是它们唯一的燃料;燃料耗尽后,它们就陷入黑暗。但当首批恒星中最大的把它们的氢转变成氦后,它们的燃烧方式就不同了。当这些大恒星停止氢聚变后,它们的内部压力开始下降,引力使它们再次坍缩,而它们的核心温度就会再次升高。当它们核心的温度达到一亿 K 时,氦开始聚变为铍(一种原子核中拥有 4 个质子的元素),而铍和氦聚合为碳。地球生命的元素中心开始在炽热的恒星心脏处形成,尽管这些碳还需要经历漫长的旅程才能成为我们的一部分。碳聚变成为氮和氧(分别拥有 7 个和 8 个质子),又产生了两个生命必须的元素,而从它们开始,经历一连串的聚变反应后,最终形成铁。

合成了元素周期表上前25个元素之后,这个失控的生产线开始以硅为燃料,启动一系列复杂的反应,以合成第26个元素——铁。此时恒星的温度已经高达25亿摄氏度,但不会继续升高了。这时,原子核的稳定性已经到达了巅峰,无论怎么往铁原子里塞质子或中子,它也不会再释放能量了。恒星最后的能合成铁的阶段只有几天。在使劲榨干自己最后一点结合能来阻挡引力坍缩的过程中,恒星形成了一个几乎完全由铁构成的内核。聚合反应到此就停下来了。当恒星形成铁核之后,留给它的时间短得只能以秒来计。引力获得了完全的胜利,恒星在其自身重量下不可阻挡地坍缩,化作行星状星云。

合成了元素周期表上前25个元素之后,这个失控的生产线开始以硅为燃料,启动一系列复杂的反应,以合成第26个元素——铁。此时恒星的温度已经高达25亿摄氏度,但不会继续升高了。这时,原子核的稳定性已经到达了巅峰,无论怎么往铁原子里塞质子或中子,它也不会再释放能量了。恒星最后的能合成铁的阶段只有几天。在使劲榨干自己最后一点结合能来阻挡引力坍缩的过程中,恒星形成了一个几乎完全由铁构成的内核。聚合反应到此就停下来了。当恒星形成铁核之后,留给它的时间短得只能以秒来计。引力获得了完全的胜利,恒星在其自身重量下不可阻挡地坍缩,化作行星状星云。

第二种可能的微调涉及碳的形成。当较大的恒星在核心处将氢聚变成氦之后,氦就成了燃料。又经过一系列复杂的反应,氦燃烧形成碳和氧。由于氦原子核在核物理中的重要作用,它得到了一个特别的名字:α粒子。最常见的那些原子核分别由一、三、四、五个α粒子构成。由两个α粒子构成的原子核铍8明显缺失,理由很充分:它在我们的宇宙中不稳定。

此时,宇宙中的主要元素只有氢和氦,实在没有多少化学可言,任何人都可以把此时的化学学得非常透彻,只不过在这种宇宙中是不会有任何生物存在的。地球生命所需的其他元素大都是数十亿年后在银河系恒星的演化过程中产生的。至于宇宙是如何从早期物质均匀分布的状态迅速形成星系及恒星的,目前仍然不是非常清楚。一般认为,很可能是由于一些量子效应使得早期的宇宙在能量分布上有一些不均匀。这些微的不均匀经过引力效应的放大,使得物质迅速向密度高的地方聚集,形成星系以及恒星。目前的证据显示,第一颗恒星可能在宇宙诞生后的数亿年就开始形成,在其内部的热核反应中开始了宇宙中下一步的元素合成。

将铁聚变为更重的元素不能产生更多的能量,而较轻的元素聚变则然——铁如果聚变,它会吸收能量,但这实际上是件好事。假如元素会无止境地聚变成较重元素,那第一批恒星就会无休止地聚变下去,直到变成中子星,那是一种巨大的不可分化的原子核物质球体。因为铁的聚变实际上会冷却恒星的核心,所以聚变的链条关闭了。聚变停止后,第一批大质量恒星最终在它们自身的重量下坍缩,引起的便是超新星爆发。这些恒星的外层富含碳、氮和氧,它们被抛入星际空间,而只有它们的核发生了再次坍缩,成为了中子星。

当我在镜头中离开这栋监狱时,某处的电钮被按下,整栋建筑轰然坍塌,化为瓦砾。这毁灭只花了数秒的时间——和参宿四那样的红巨星轰然毁灭所需要的时间差不多。

当我在镜头中离开这栋监狱时,某处的电钮被按下,整栋建筑轰然坍塌,化为瓦砾。这毁灭只花了数秒的时间——和参宿四那样的红巨星轰然毁灭所需要的时间差不多。

铍的不稳定极大地制约了碳的形成。一旦恒星使氦原子核聚变形成铍,铍原子核就几乎立刻衰变成原先的组成成分。在任何一个给定的时间点,恒星核心都含有少量但转瞬即逝的铍。这些罕见的铍原子核可以与氦反应生成碳。因为这一过程最终需要三个氦原子核,它被叫做3氦反应(triple-alpha reaction)。但在我们的宇宙中,这一过程过于缓慢,不足以产生可被观测的足量的碳。

地球上一切生物所需的能量几乎都直接或间接地来自太阳。太阳的能量又从何而来呢?在20世纪以前,这一直是个令科学界感到困惑的谜题。现在我们知道,太阳以及所有恒星主要的能量来自其内部的核聚变反应。一个星体发生核聚变反应的最低条件是质量达到太阳质量的8%,当其内部的温度由于引力收缩达到1000万摄氏度以上时,核聚变反应开始发生,4个氢原子核经过3个质子加成的步骤聚合成一个氦原子核并放出巨大的能量。这种能量释放与恒星本身的引力作用达成平衡状态,使得恒星在一段长久的时间内稳定地存在、发光。在比太阳重一些的恒星中,当核心的温度达到2000万摄氏度以上时,能量释放的主要机制是另外一种由碳、氮、氧原子核作为催化剂的氢聚变反应。在此机制中会累积不少氮元素,这也是宇宙中氮元素的主要来源。

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为了解决这一矛盾,1953年,物理学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)预测,碳原子一定在某个特定能量水平具备共振态,就像一个用特定的音调发声的小铃铛。由于这种共振的存在,碳的形成的反应速率比共振不存在时要大得多,足以解释我们所在宇宙中丰富的碳的由来。这种共振态后来在实验室中被观测证实,符合所预测的能量水平。

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长久以来人们一直以为恒星的聚变和超新星足以产生我们周围的所有元素。但是现在我们知道,其它还有一些奇特的过程在此间扮演了关键的角色。最近的研究显示,那些稀有的重金属,如金,其大部分是在两颗中子星的碰撞过程中产生的。地球上所有的金子似乎都是由这样的一次碰撞产生的。

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令人担忧的是,在其他的宇宙中,随着力的强度发生变化,这种共振态的能量也会有所不同,那么恒星可能无法产生足够的碳。如果能级的改变达到4%以上,碳的形成就会受到影响。这个问题有时也被称为3氦微调问题(triple-alpha fine-tuning problem)。

虽然核聚变反应能很有效率地产生能量,但核聚变的原料——氢原子核——总有用尽的时候。对质量只有太阳一半的恒星而言,生命就到此为止了,核聚变形成的氦核心从此逐渐暗淡冷却。然而,质量较大的恒星在引力的持续作用下,核心的温度可达到1亿摄氏度以上。此时,氦原子核可聚变成碳原子核及一些氧原子核。同时,由于恒星的外层仍然含有未聚变的氢原子,在引力收缩的过程中,外层的温度升高,使得氢的聚变反应再次进行。

从氢到其它元素,每一步转变都依赖于罕见的天体与量子过程。从原初物质到我们人类,充满了侥幸。在这个链条上的每一个环节都不仅仅是可能性极小,而且在物理学上也是极端敏感的。假如结合质子的强互作用力再高仅仅 2 个百分点,那氦-2 就会变得稳定。聚变发生得会更为容易,因此第一代的炽热高密度恒星就不会出现。改变这一过程中的任何一部分,宇宙就会变得非常不同,而我们也可能就不会存在了。

好在这个问题有一个简单的答案。核物理每关上一道门,就会打开一扇窗。假设核物理发生了改变,足以令碳共振失效。在这样可能的改变中,大约一半的情况同时也会产生副作用——使铍变得稳定,因此共振的损失就变得无关紧要。在这样的平行宇宙中,碳将以一种更符合逻辑的方式形成,即三个α粒子依次聚集。氦聚变产生铍,铍再和另一个α粒子发生反应形成碳。原来并不存在微调问题。

太阳大小的恒星在核心的氦用尽后将受引力的压迫形成一颗白矮星,并逐渐冷却。若恒星的核心在氦即将燃烧完之前仍有3倍以上的太阳质量,核心可以进一步压缩,使得温度达到6亿摄氏度,在这种高温下,碳将聚合成氖、硅、镁等原子核。此时,在核心的外层,氦的聚变反应也开始进行,而更外层则依然有氢的聚变反应在发生。这种阶段性的层状核聚变反应在质量很大的星球内持续进行,每一阶段都需要更高的温度与密度,并产生更复杂的化学元素。在恒星的演化过程中,它们会不断将表面的物质送到太空中,恒星内制造出的各种原子核也随之散布到宇宙的各个角落。

这就是有时候会被人提及的所谓“精准宇宙”理念,这一理论认为,生命的存在依赖于象恒星核聚变这样的现象以正确的方式发生。它引发了关于宇宙起源的神学争论,当然另外一些人持的观点则完全相反。不论怎样,有一件事是清楚的:是我们让宇宙变得显而易见。我们所有及所见的一切都是氢,它们在引力和时间的钳锅中诞生。

betway必威官网手机版 16图片来源:Jackie Ferrentino

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潜在的微调问题的第三个方面,涉及由两个粒子组成的最简单的原子核——氘核(由一个质子和一个中子组成)、双质子(由两个质子组成)和双中子(由两个中子组成)。在我们的宇宙中,只有氘是稳定的。氦的形成的第一步就是将两个质子合成氘。

然而,就算在质量更大的星球内,这种核聚变反应也不会无穷尽地进行下去。这是因为核聚变所能持续的时间愈来愈短,所放出的总热量也愈来愈少;到了形成铁原子核(原子序数26,原子量56)后,核聚变已经不再是放热反应,因而无法阻止星球进一步的引力崩塌。在铁核心高速崩塌压缩的过程中,许多电子被迫与原子核内的质子结合而形成中子,同时向外放出大量的中微子。当这些中子被压缩到密度达到水的10的14次方倍时,一种仅能由量子力学描述的巨大的中子简并压力突然开始发生作用,从而阻止核心进一步收缩。但这种核心崩塌的瞬间停止会产生强大的反弹震波,当震波与恒星外层物质相撞时,释放出极大的能量,许多新的核聚变反应也在这一过程中发生。一般认为,元素周期表上大部分比铁重的元素就是在此时产生的。这种强大的反弹震波以及极大量的中微子会将恒星外层整个炸掉,这就是所谓的超新星爆发。由于超新星爆发所释放的能量极大,有时超新星爆发时的亮度甚至会超过整个星系数十亿颗恒星亮度的总和。

如果强核力再强一些,双质子就会稳定存在。在这种情况下,恒星就能利用最简单、最快的核反应产生能量,即将质子合成双质子,最终产生氦的其他同位素。有观点称这会让恒星以灾难般的速度将核燃料燃烧殆尽,导致恒星寿命过短,无法形成生物圈。反之,如果强力再弱一些,氘就会变得不稳定,这条合成重元素的必经之路将被堵死。许多科学家推测,如果缺乏稳定的氘,宇宙中将没有任何重元素存在,而这样一个宇宙是无法产生复杂性和生命的。

经过这一系列核聚变反应生成的元素有一大部分随着超新星的爆发而散布到宇宙中。超新星爆发后留下的中子核心的质量若小于约3倍的太阳质量,这个核心将成为一个稳定的中子星;其质量若大于3倍的太阳质量,连中子简并压力也无法抵抗重力的压缩,核心将进一步塌陷形成一个黑洞。

然而事实上,恒星是非常稳定的存在。它们的结构会自发进行调整,以用合适的速率燃烧核燃料,避免在自身重力作用下坍塌。如果核反应速率增大,恒星会以较低的中心温度燃烧核燃料,但除此之外并没有太多的不同。实际上,我们的宇宙中就存在这种行为。在强力下,氘原子能与质子结合形成氦原子核。这个反应的“反应截面”,即一个反应发生的概率,是普通的氢聚变反应的数千万亿倍。虽然如此,我们的宇宙中的恒星都会用一种相对平稳的方式燃烧氘。氘星的核心的反应温度大约在一百万开尔文,而要在普通的环境中发生氢聚变需要1500万开尔文。这些燃烧氘的恒星的核心温度更低,体积比太阳略大,但其他方面并无特殊之处。

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相似地,如果强核力更弱,恒星也能在没有稳定的氘的情况下继续运转。恒星可通过多个不同过程产生能量和合成重元素。在生命的第一阶段,恒星缓慢收缩,核心变得更热、密度更大,并以和太阳相近的输出功率发光。我们的宇宙中的恒星最终会达到足以激发核聚变的温度和密度,但在平行宇宙中,它们可以继续这一收缩过程,并通过损失重力势能的方式产生能量。寿命最长的恒星可用与太阳相当的功率持续发光长达十亿年,这或许足以让生命演化发生。

这种超新星一般被称为Ⅱ型超新星。还有一种叫Ⅰa型超新星,这是发生在双星系统中的特殊现象。在双星系统中,比较大的那颗恒星演化得比较快,最后可能成为一颗白矮星。等到另一颗恒星开始老化膨胀时,白矮星可能会逐渐将同伴的外层物质吸收过来。当白矮星达到约等于1.4倍太阳质量的临界质量时,大规模的核聚变反应会突然剧烈地发生,将整颗星球炸掉,在这一过程中产生大量的铁原子核。我们血液及地壳中的铁应该都是来自远古时的Ⅰa型超新星爆发。近年来,Ⅰa型超新星被用来测定宇宙膨胀速度和星系间的距离。

得那么精确,星星之死。对于足够大的恒星,这一收缩过程会加速,并导致一场灾难式的坍缩。这些恒星最终基本都会变成超新星,它们的核心温度和密度会大大增加,足以引发核反应。在这些恒星的死亡过程中会发生多种类型的核反应。即使没有氘,这种爆炸性的核合成也能为宇宙提供重原子核。

此外,在一些恒星内部也会持续进行一种所谓的慢中子捕获过程,也就是以持续的中子捕获与β衰变产生一些重元素如锝、铋等。同时,高能的宇宙射线也持续和星际物质作用产生如锂、铍、硼等元素。以上所描述的是宇宙中各种元素生成的一个大略的过程,至于详细的流程仍有不少争论。比如,前不久有科学家提出,金元素的形成可能与非常罕见的中子星相撞有关。我们的太阳系除了氢与氦外还拥有各种重元素,使得太阳系能够拥有如地球般的固体行星,并且包含了生命所必需的碳、氧、氮、硫、铁等元素。

一旦这样的一个宇宙中产生了痕量的重元素,新出现的恒星就有了另一种可选的核燃料。这一过程叫做碳-氮-氧循环(carbon-nitrogen-oxygen cycle),它不需要以氘作为过渡状态。碳起到了催化剂的作用,促进了氦的产生。这一循环发生在恒星的内部,提供了恒星总能量的一小部分。在缺乏稳定的氘的情况下,碳-氮-氧循环将主导能量的产生。核能产生的选择还不止这一个。恒星还能通过3核子过程(triple-nucleon process)产生氦,这一过程与合成碳的3氦过程有些相似。因此,在平行宇宙中,恒星可以通过许多方式来产生能量和复杂的原子核。

微调问题的第四个方面涉及星系和其他大尺度结构的形成。这些结构是在宇宙诞生的早期,由密度的微小涨落催生的。随着宇宙冷却到一定程度,在重力的作用下,这些涨落开始增强,密度较大的区域最终形成了星系和星系团。涨落的振幅一开始很微小,衡量其程度的量——Q值——为0.00001。因此,原初宇宙极其均匀:从最致密的区域到最稀薄的区域,密度、温度和压力的最大差异不过十万分之几。Q的值代表了宇宙微调的另一个可能的参数。

如果Q值再低一些,涨落就需要花更长的时间才能达到足够的强度,以形成宇宙结构,并且星系将具有较小的密度。如果星系的密度太小,其中的气体就无法冷却。气体甚至有可能无法凝结成星系盘或聚合形成恒星。低密度的星系对生命来说并非适宜的居住地。更糟的是,如果延迟时间太长,星系可能甚至无法形成。从40亿年前开始,宇宙开始加速膨胀,并以超过物质合并的速度将物质拉开。这种速度的增加通常导致了神秘的暗能量的产生。如果Q值太小,星系坍缩所需要的时间就可能过长,来不及在宇宙开始加速膨胀之前完全形成,并且进一步的生长也可能受到抑制。这样的宇宙可能始终不会出现复杂性和生命。为了避免这样的命运,Q的值不能缩小超过十分之一。

如果Q值更大将会如何?星系将更早形成,其密度也会更大。这也对宇宙的宜居性造成了威胁。恒星之间的距离会大大缩小,并且相互作用会更加频繁。在这种情况下,它们可能会将行星狠狠抛出轨道,扔进深空中。并且,由于恒星之间离得更近,夜空也会变得更明亮,甚至有可能如同白昼。如果天空中的恒星过于密集,这些恒星的光聚在一起,足以让任何一个宜居行星上的海洋沸腾。

betway必威官网手机版 19“What if”之星系版:在一个最初密度涨落较大的宇宙中形成的星系可能比我们的银河系还要宜居。它的中心区域对于生命来说太亮、太热,行星轨道也不稳定,但外围区域将与太阳系周边区域相似。在这两个区域之间,来自星系的恒星背景光照与地球受到的太阳光照射相当,因此所有的行星,不管位于什么轨道,都有可能是宜居的。图片来源:Fred C. Adams

但在这个问题上,微调其实没有那么严格的要求。星系的中心区域确实足以产生强烈的背景辐射,让所有的行星都变得无法居住。但星系的边缘地区的辐射强度会足够低,让宜居星球得以存在。即使Q值比我们的宇宙大了数千倍,还是能存在相当一部分适宜居住的星际不动产。在某些情况下,星系甚至有可能变得更宜居。在星系中的大部分区域,夜空可能与我们在地球上所看到的白昼一样明亮。行星可以从所有的背景恒星中获得支持生命的能量,而不是仅吸收来自自己的恒星的能量。它们可以在几乎任何一条轨道上运行。在一个密度涨落比我们的宇宙更强的平行宇宙,即使冥王星也能得到与迈阿密相当的光照。因此,一个密度略大的星系或许会比银河系拥有更多的宜居行星。

总而言之,即使大幅改变我们的宇宙的参数,恒星以及可能宜居的行星仍然有可能存在。即使引力增强1000倍或减弱到十亿分之一,恒星仍然是一台长寿的核燃料发动机。电磁力可以增强或减弱一百倍。核反应速率能在许多量级上发生变化。平行宇宙中的物理学也能产生构成植物与人的基本原材料——重元素。显然,决定恒星结构和演化的参数并没有那么精妙。

考虑到我们的宇宙并不像看上去那样经过精细的微调,我们是否还能声称这个宇宙是最适合生命发展的?我们目前的理解显示答案是否定的。很容易想象一个对生命更友好、或许还更符合逻辑的宇宙。一个最初密度涨落更强的宇宙会产生密度更大的星系,它所能支持的宜居行星或许会比我们自己的星系还要多。一个拥有稳定的铍的宇宙将能有直接合成碳的多种方法,并且还不需要复杂的3氦过程。尽管这些问题都还在研究中,我们已经可以说,宇宙有许多通往复杂性和生物的发展路径,并且其中一些宇宙可能甚至比我们自己的宇宙更适合生命。鉴于这些普遍原则,天体物理学家需要重新检验多重宇宙存在的可能迹象,包括我们的宇宙的微调度。(编辑:小Alice呀)

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