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人类是以碳为基础的生命形式,但为什么是碳呢?浅析霍伊尔共振

三丫科技 2020-09-27 17:11:45 阅读:

对于人类来说,现在的宇宙是唯一的,而地球也是一个特殊的地方,一个相对广阔的天堂。这里的环境刚好适合生命存活,包括我们人类。从过去的几个世纪以来,人类逐渐意识到地球并不是宇宙中独一无二的星球,借助不断进步的科学技术,我们了解到人类只是生命网中的一部分,地球只是无数行星中的一个,太阳也只是一颗普通的、典型的中年恒星。

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但当人们更深入地研究得到的科技成果、研究宇宙的基本构成时,发现人类和宇宙并不像表面看上去那么普通,构成万物的基本粒子和决定物体间相互作用的基本力,似乎都是为了生命的存在而量身打造的。一些科学家认为,一定是某些自然法则使得我们的宇宙如此适合生命的生存,而且有证据表明这些自然法则是非常奇特的。所以在当今的宇宙学研究中,有相当一部分科学家支持“人择宇宙学”,并发展出了“宇宙微调论”。

人类是以碳为基础的生命形式,但为什么是碳呢?浅析霍伊尔共振

宇宙微调论认为,我们宇宙中的一切之所以会是今天看到的这样,是因为一种看不见的力量将宇宙中的各种参数进行了微调,其目的就是为了使宇宙适合生命生存。在宇宙微调论中有一个著名的案例——霍伊尔共振,它是由20世纪伟大的天体物理学家弗雷德·霍伊尔提出并以他的名字命名的。在20世纪50年代,当霍伊尔试图研究恒星内部的核反应聚合成重元素的各种方式时,他遇到了一个障碍,这个障碍就是“碳问题”。

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碳对于地球上的生命起着异乎寻常、非常重要的作用,因为正是碳构成了我们体内分子结构的骨架,如蛋白质、碳水化合物、脂肪和核酸等等,也就是说,我们是以碳为基础的生命形式。但为什么是碳呢?元素周期表中还有很多其它重元素,它们为什么不能发挥这样的核心作用?反过来问,我们为什么不能是以硅或者钒为基础的生命形式?

在一些科幻作品中,如《星际迷航》,虚构了一种硅基生命形式,这是有一定科学依据的,因为尽管硅比碳更重,但外层电子的排布和碳相似,所以由硅组成的分子结构形成的硅基生命是有可能存在的。但除了硅以外,以其他元素为基础的生命形式几乎不可能存在,有人曾提到硼和硫,但它们在宇宙中的含量太少了,根本无法合成生命的内部构造和遗传信息所需要的长而且可折叠的分子链。所以在所有92种天然化学元素中,碳是最适合构成生命的。

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但问题在于,宇宙中所有的碳是从何而来的?我们已经知道,在大爆炸刚刚发生的早期宇宙中,每100万亿个原子核中,只有不到一个是碳!尽管我们现在知道,碳是在恒星中产生的,但当霍伊尔在研究恒星中的碳合成时,结果却发现碳是一个大麻烦!常识上认为,一旦恒星中已经形成氦,两个氦-4核就会聚合成铍-8,再加上一个氦核就可形成碳-12,形成碳看上去似乎很简单。

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但是霍伊尔研究发现,铍-8极不稳定,只能存在10的负16次方秒,随即就会分裂成两个氦核。除非恒星核心的温度在引力的挤压下超过1亿摄氏度时,铍的产生速度才会超过它的分解速度,才有可能聚合成碳。但由于恒星不会达到这么高的温度,所以就不会产生碳,如果没有碳,也就没有氧气,也没有其他重元素,进而也就不会有生命。更明确地说,就不会有像我们这样以碳为基础的生命形式。

最终,霍伊尔想出来一个巧妙的解决方案,他提出,碳核具有一种特殊的量子特性,叫作“共振”。如果在碳核的适当位置存在共振,共振状态的存在能使恒星的碳产量提高1000万倍。人们一开始对霍伊尔提出的碳的共振状态备感困惑,但最终在1953年,物理学家威廉·福勒发现了共振能级,和霍伊尔的预测完全一致。(文章篇幅有限,这里只能简单地提到霍伊尔共振,感兴趣的朋友可以网上找资料看看。)

人类是以碳为基础的生命形式,但为什么是碳呢?浅析霍伊尔共振

那么,霍伊尔共振与宇宙微调论有什么关系呢?霍伊尔的预测有时被称为“人择预测”,这是因为,他的出发点是基于碳在地球生命形成中起核心作用的事实,是以客观存在的生命形式为出发点进行倒推,他认为没有共振就没有碳,凭借宇宙中有大量碳这一事实,就可以得出共振一定存在的结论,而且,碳核共振存在的特性很有可能是针对生命进行微调的结果。

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