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?

发布时间:2017/01/02 07:02:36 投稿: 网友投稿

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导读: 【北冥有鱼的回答(2186票)】: 谢邀。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...

【北冥有鱼的回答(2186票)】:

谢邀。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

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。我可以给你一篇文献,其中有具体的数学计算。文中讲到的是

的影响。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

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

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。

文献参见:Cosmology, Life, and the Anthropic Principle

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。

补充:评论中有人问我,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。

还有同学提醒,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。

【Bananahammock的回答(992票)】:

如果减慢光的速度,只是一点点,我们的宇宙就没有碳元素;

如果加快光的速度,只是一点点,我们的宇宙就没有氧元素。

好险啊,差点什么也没有了!

为什么光速控制着宇宙中碳元素和氧元素的合成呢?

我们先来看看宇宙中是怎样合成碳元素的:

如果你相信大爆炸理论的话(不是所有人都相信的,比如说我前日去日本开会的时候在飞机机尾的小隔间吃薯片时遇见的来自大德州的Bruce牧师就不相信。。。。)

嗯,大爆炸之后,很快的,我们的宇宙中有了质子p,中子n,和电子e

也就有了合成一切的初始原材料,接下来它们就开始互相结合了。

p+e=1H, 于是我们有了氕

p+n=2H, 于是我们有了氘

2H+2H=4He, 于是我们有了氦

重点来了:

4He+4He+4He=12C (以下称该反应为3氦过程)于是我们有了碳,

看起来一切都是那么理所当然吧,其实没有啦。

爱因斯坦告诉我们核聚变要释放能量

3氦过程释放的能量是多少呢? 7.3367 MeV3氦过程释放的能量是多少呢? 7.3367 MeV

原本,3氦过程是很难进行的;

必须要3氦过程释放的能量恰好是能让碳处于激发态下的能量,才能保证3氦过程顺利进行。

那么,让碳原子保持激发态的能量是多少呢?7.3-7.6 MeV

这个激发态有一个名字,叫Hoyle State,Sir Fred Hoyle 就是下面这个老爷爷,

他也是大名鼎鼎的B2FH论文(阐述宇宙中重核合成论文)中的H。

Hoyle爷爷的计算表明:Hoyle爷爷的计算表明:

碳原子的激发态和3氦过程释放的能量相当,于是确保了自然界中现有浓度的碳12的形成。

那么这个激发态又是由什么决定的呢?精细结构常数

精细结构常数电磁相互作用中电荷之间耦合强度的度量,表征了电磁相互作用的强度。

其表达式为:

分母上的C就是光速。分母上的C就是光速。

也就是说,光速C控制着精细结构常数,精细结构常数控制着碳原子处于的激发态所需能量,而这个能量又要恰好和3氦过程释放的能量相当才能保持碳12合成的顺利进行。

也就回答了为什么这个光速必须跟阿拉木汗的身材一样,不肥也不瘦,才行。

===============谢谢大家的讨论======================

有很多人讨论是否会由于光速的改变合成出新的元素,

从而衍生一个和地球完全不同的星球X

进而进化出和地球生物完全不同的物种生活在这个X星球上。

Hoyle State是基于地球上的生命是以碳氧元素为主要元素这一事实提出的。

如果碳12的Hoyle State比3氦合成释放的能量高出479 KeV,

那么宇宙中的就无法合成出足够的碳12,就不会出现现有的碳基生命;

如果碳12的Hoyle State比3氦合成释放的能量低出279 KeV,

那么宇宙中就会合成出大量的碳12,导致氦4被消耗殆尽,

从而终止了4He+12C=16O的反应,我们就没有氧气了。

那么,在不同的光速下,是否会有别的激发态满足和3氦过程能量相当的元素大量合成;

如果有,是怎样的元素,谁也不知道啊。

盗一张NASA的图,下面那个是地球,上面那个是unknown。

=============过了一个周末看到这么多赞好开心=============

大家都在讨论人择原理(表示第一次听说这个词)

于是wiki了一些,了解到人择原理已经上升到了哲学范畴,

是指“物质宇宙必须与观测它的智能生命相匹配的理论”。

于是想到了上文提到的我在吃薯片的时候遇见的大德州Bruce牧师。

在简单交谈后他就很直接地问我为什么不信仰上帝,

为了表达我对任何宗教信仰的尊重,我只是委婉得回答说是由于我的知识体系。

于是我举了个例子:圣经说上帝第一天创造了地球,第五天创造了人类;

可是地球已经45亿年了,人类起源却只有200万年左右。

Bruce悠闲地给自己倒了一杯橙汁,说:How do you know the Earth is that old?

于是我解释了科学家怎么在澳大利亚Jack Hill找到最老的锆石,然后又怎样发明了灵敏高分辨率离子探针得到了精度到小数点后面7位的该锆石铀铅同位素数据然后计算出45亿年这个年龄。

Bruce听完后露出迷之微笑,问我:How do you know all these?

我以为他是在质疑我的专业,于是告诉他这是我当年博士生资格考试的题目之一,

我用一个计算器和5张A4纸就可以算出来。

Bruce摇摇头,捧了捧自己的大肚子,说:Why do you think you are smart enough to know all of these stuff?

然后,Bruce用手指了指上面,说:He made it!

我一时间,竟无言以对

现在想来,Bruce倒是用人择原理给我上了生动的一课。。。

【LiTiP的回答(56票)】:

光速是什么?就是无质量自由粒子运动的速度。

自然单位制的无质量自由粒子拉式量和运动方程是没有可以调整的常数的,能调整的只有在引入相互作用和别的有质量粒子后的各种质量以及偶合常数(这里指的都是bare constant,即裸质量和裸耦合常数)。所以改变光速等价于修改拉氏量中的所有质量和耦合常数,也就是改变相互作用的强度,那么改变核力也是很正常的。

如果说改变光速只改变电磁相互作用,那是不对的。所以排名靠前的两个人的回答,很好,但都是错误的,因为他们只讨论了精细结构常数的变化,也就是只改变光子的速度。那除光子外别的无质量粒子怎么办?运动方程一模一样但是描述的运动不一样?数学和标准模型就一起崩溃了。

因为核力的改变,原本稳定的元素会变得不稳定,原本形成元素的过程发生改变,也都是可以预料的。但是具体怎么变,我没算过,没有发言权。

不过如果考虑同位素,其实我是比较怀疑是不是某个元素的一切同位素都会不稳定,但是我没算过,所以还是没有发言权。

【LeePwn的回答(27票)】:

题目本身有问题,最长的答案也是。

光速慢一点点,就不会有现在定义的碳元素。让光速快一点点,就不会有现在定义的氧元素——这样严谨一些,逻辑关系前面其他答主已经说清楚了,稍微理解下。

【杜福君的回答(7票)】:

碳12原子的产生依赖于一种叫做霍伊尔态的共振态的存在,并且需要霍伊尔态的能量相对氦原子核能量的三倍在特定范围内取值,而霍伊尔态的能量与精细结构常数有关,精细结构常数与光速有关。就是这个逻辑。

不过,在定量的意义上,这件事还有争议。

参考:

arxiv.org/abs/1306.5083

philsci-archive.pitt.edu

arxiv.org/pdf/1505.0699

【图涂的回答(3票)】:

感觉这是在放马后炮,宇宙已经存在,光速已经固定,各种元素已经生成,现在来讨论如果光速改变宇宙会是什么样子?如果按你所说,没有碳或氧的存在,那么就没有人类的存在,那么也不存在讨论此事的你我,那么不会存在讨论这件事这个情形,现在已知的一切都没有意义。

这件事也同样说明了,知其然,可;知其所以然,可;吃饱了撑的研究所以然的必要条件不存在,然是否存在,那就是犯二了。

尤其这个然还是人类的存在,人类不存在,那么一切都没有意义。

【丁当的回答(5票)】:

因为光速与元素都是我们所处的这个宇宙的固有特性的外在直观表现,其中光速更为基础一些。如果光速变了,就意味着这个宇宙的基本特性发生了变化,那就不止是几个元素不会出现的事儿了。热门答案答非所问。

【bomantu的回答(0票)】:

从E=mc2中可以推得物质的量可以由能量和光速决定;从光的波粒二象性和量子力学可以知道原子能级跃迁需要特定单位数量的能量;从弦理论可以确认能量的最小单位等同于微观粒子的最小单位。综合以上,纪录片所言非虚,毕竟原子质量是原子特异性的标志之一。

【吴振宇的回答(40票)】:

根据人择原理,目前的条件产生现在的人类。正是因为你产生了,你才意识到光速是个巧合。

如果光速慢一点点,可能产生另外一些元素,同样产生出智慧生物。这种智慧生物也会说,宇宙真是结构巧妙,光速慢一点点就没我们了....

所以根本没那么多巧合,只不过你是生活在这个光速的宇宙而已。其他光速的宇宙也可能产生智慧生物,对于其他宇宙的智慧生物来说,一切也很“巧合”。

【派坤沙的回答(23票)】:

这种结论当科普来听是不合适的。

一个物理量不可能独立被改变。换句话说,为了改变光速,与之相关的很多物理常数的值显然都需要修改,在修改之后,所有的元素会改变,在那个新世界,原子跟电子相关的一些基本的常数都会不同了。

如果单独改变光速,并且其他的所有物理常量不变。这就很容易推导出一些奇怪的结论,不过因为你没法在不改变任何其他常量的情况下改变光速,那么这个假设前提并不成立,在一个不成立的假设前提下,推导出任何奇怪的结论都有可能。

指出目前有关高票答案中的问题吧:

以现有知识来说,下面这些物理量都可能造成光速的改变。

e: 基本电荷的电量,它的改变可能会影响电磁波的速度。

h:普朗克常数,决定了单个光子的能量,它的改变可能会影响电磁波速度。

:真空电容率,它本身就定义为

,所以它也一定是会被光速影响的。

3 氦过程放出的能量,等于

,其中质量是前后反应质量之差,因为光速的改变可能导致质子,中子,以及电子的质量改变,所以在光速改变后,3 氦过程释放的能量一定不再等于 7.3367 MeV

同时,精细结构常数

这里面,分子的 e 可能因为光速改变而改变,

分母的

一定会因为光速改变而改变,

普朗克常数 h 则一定会因为光速改变而改变,

最后的 c 自然本身就是光速所以也会改变。

换句话说,用于计算该反应的所有常数,都可能因为光速而改变,其中部分常数必定因为光速而改变,利用这样的公式得出光速改变造成碳氧消失显然是不合适的。

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