示憐云

地球生命的誕生，離不開碳的一個(gè)難以解釋的屬性。

宇宙中碳是除了氫、氦、氧以外最多的元素，它在銀河系中占了總量的0.46%。碳原子有一種神奇的化學(xué)能力—能與其他元素相結(jié)合，產(chǎn)生種類繁多的復(fù)雜分子，所以以碳為基礎(chǔ)的生命最終在地球上誕生出來(lái)了。如果沒(méi)有碳，地球生命就不復(fù)存在。

但是，宇宙中碳的產(chǎn)生，取決于碳的一個(gè)看似不可思議的屬性—碳原子核的一個(gè)十分特殊的激發(fā)態(tài)。

我們的存在需要這個(gè)激發(fā)態(tài)，然而，物理學(xué)家們無(wú)法用理論解釋清楚這個(gè)激發(fā)態(tài)?，F(xiàn)在，是解決這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候了。

碳的創(chuàng)生錄

碳-12是最常見(jiàn)的碳同位素，占碳元素全部同位素的98.89%，包含6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子。所以，談?wù)撎际侨绾萎a(chǎn)生的，主要就是去分析碳-12的產(chǎn)生過(guò)程。而碳的創(chuàng)生故事開始于138億年前的宇宙大爆炸。

宇宙大爆炸之后的一段時(shí)間里，宇宙中的所有元素都是輕元素：氫、氦和少數(shù)其他輕元素。更重的元素，包括碳，都是在后來(lái)形成的恒星核心里產(chǎn)生出來(lái)的。在恒星核心處，產(chǎn)生碳的第一步就是把最輕的元素氫聚變成氦。

當(dāng)恒星進(jìn)入晚年，開始變?yōu)榧t巨星時(shí)，內(nèi)部的氫會(huì)被消耗光，它開始消耗氦。此時(shí)，產(chǎn)生碳的第二步就可以進(jìn)行—把兩個(gè)氦-4（包含兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子）聚變成鈹-8（包含4個(gè)質(zhì)子和4個(gè)中子）。

最后一步就是鈹-8再與一個(gè)氦-4相結(jié)合，就能聚變成一個(gè)碳-12。但這里有一個(gè)大問(wèn)題，鈹-8十分不穩(wěn)定，它會(huì)在轉(zhuǎn)瞬之間變?yōu)槠渌妮p元素。所以，核物理學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，最后這一步是很難發(fā)生的。

那么還有什么其他的辦法產(chǎn)生碳嗎？你也許想到，三個(gè)氦-4可以同時(shí)擠在一起，聚變成一個(gè)碳-12啊。但是，核物理學(xué)家早就發(fā)現(xiàn)，發(fā)生這種事情的概率極低，單靠這種方法是無(wú)法產(chǎn)生數(shù)量可觀的碳的。

神奇的激發(fā)態(tài)

那么，宇宙中這么多的碳是從哪里來(lái)的？

這始終是一個(gè)謎，直到1953年，英國(guó)天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾根據(jù)碳-12在宇宙中是豐富的這一事實(shí)，做出了一個(gè)大膽的推測(cè)。他推測(cè)，產(chǎn)生碳的最后一步，即鈹-8與氦-4聚變成碳-12，是可以順利進(jìn)行下去的，只要碳-12的原子核有一個(gè)以前從未發(fā)現(xiàn)過(guò)的激發(fā)態(tài)。

這個(gè)激發(fā)態(tài)的能量比基態(tài)高了7.65兆電子伏特。那么，為什么有了這個(gè)激發(fā)態(tài)，反應(yīng)就能進(jìn)行了？

答案是，基態(tài)的鈹-8加上一個(gè)基態(tài)的氦-4，其總能量幾乎就等于處在這種激發(fā)態(tài)的碳-12?；粢翣栒J(rèn)為，此時(shí)就像發(fā)生了共振一樣，鈹-8很容易與一個(gè)氦-4相結(jié)合，聚變?yōu)橐粋€(gè)處于激發(fā)態(tài)的碳-12，盡管鈹-8會(huì)迅速衰變。隨后，激發(fā)態(tài)下的碳-12可以衰變?yōu)樘幱诨鶓B(tài)的碳-12。

之前，之所以核物理學(xué)家認(rèn)為這個(gè)反應(yīng)很難發(fā)生，是因?yàn)闆](méi)有意識(shí)到碳-12的原子核有這個(gè)激發(fā)態(tài)。很快，粒子對(duì)撞機(jī)給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了霍伊爾的觀點(diǎn)，而這種激發(fā)態(tài)就被稱為霍伊爾激發(fā)態(tài)。這樣，我們就搞清楚了碳的產(chǎn)生過(guò)程。

直接算出結(jié)果

但從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，60多年過(guò)去了，核物理學(xué)家們始終無(wú)法用理論對(duì)霍伊爾激發(fā)態(tài)做出解釋。原因在于，計(jì)算原子核內(nèi)所有的核子（質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱）在某一時(shí)刻下的狀態(tài)，是一項(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)。

核物理學(xué)家會(huì)使用能簡(jiǎn)化計(jì)算的理論模型，來(lái)近似地描述強(qiáng)核力和電磁力對(duì)核子的作用。通常情況下，這些模型可以描述許多原子核的性質(zhì)。但是，霍伊爾狀態(tài)卻無(wú)法從這些模型推導(dǎo)出來(lái)。

解決此問(wèn)題的一個(gè)方法是直接硬算下去：把我們對(duì)強(qiáng)核力和電磁力所知道的一切都考慮進(jìn)去，再計(jì)算處在霍伊爾狀態(tài)下碳原子核里每個(gè)核子的狀態(tài)。

但是，碳原子核里有太多的基本粒子了—碳-12包含12個(gè)核子，每個(gè)核子里還有著3個(gè)夸克。不過(guò)，在2011年，借助位于德國(guó)的JUGENE超級(jí)計(jì)算機(jī)，以及一種可以能忽略夸克的計(jì)算技巧，來(lái)自德國(guó)波鴻大學(xué)的研究人員終于做出了一些突破。

在每一個(gè)瞬間，JUGENE都會(huì)算出每個(gè)核子受到的來(lái)自11個(gè)同伴的作用力，并根據(jù)受力對(duì)每一個(gè)核子的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，然后再一遍又一遍地重復(fù)這一計(jì)算過(guò)程。進(jìn)行了幾周的計(jì)算后，研究人員發(fā)現(xiàn)，碳原子核的確能半穩(wěn)定地存在于一個(gè)比基態(tài)高了大約7.65兆電子伏的能級(jí)上。

幾年后，他們使用類似的技術(shù)，計(jì)算了霍伊爾狀態(tài)下碳原子核的形狀。他們發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的碳原子核分成了3組，每組都包含兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，也就是說(shuō)，每一組相當(dāng)于一個(gè)氦核。這3組核子組合成的形狀，類似一個(gè)回旋鏢。

新的待解決問(wèn)題

問(wèn)題都解決了嗎？并沒(méi)有。首先，JUGENE模擬出的激發(fā)態(tài)能級(jí)比實(shí)際的小了些。看來(lái)，要想得到準(zhǔn)確的結(jié)果，仍需要進(jìn)一步的研究。更令人困惑的是，當(dāng)涉及到霍伊爾激發(fā)態(tài)下碳原子核的形狀時(shí)，最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻與JUGENE模擬出的不一樣。

2014年，英國(guó)伯明翰大學(xué)的研究人員用一束阿爾法粒子（也就是氦核）射向碳靶，碳靶里的碳-12會(huì)吸收能量進(jìn)入激發(fā)態(tài)，并把阿爾法粒子彈回去。通過(guò)測(cè)量彈回的阿爾法粒子狀態(tài)，研究人員能夠分析出激發(fā)態(tài)下碳-12的形狀。他們得到的是一個(gè)不同的結(jié)論：霍伊爾激發(fā)態(tài)下碳原子核的3組核子，構(gòu)成的是一個(gè)等邊三角形。

不過(guò)，位于歐洲的在建的極端光基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，有可能在不久的未來(lái)解決此矛盾。這個(gè)設(shè)備可以用激光與高能電子束對(duì)撞，產(chǎn)生出高能伽馬射線。一個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃就是用伽馬射線轟擊碳原子核，然后監(jiān)測(cè)碳原子核會(huì)發(fā)生什么。也就是說(shuō)，通過(guò)摧毀碳原子核來(lái)研究霍伊爾狀態(tài)。

激發(fā)態(tài)與生命

霍伊爾激發(fā)態(tài)的能級(jí)，比基態(tài)高了7.65兆電子伏特。那么，如果這個(gè)能級(jí)變得高一點(diǎn)或低一點(diǎn)的話，都會(huì)使得反應(yīng)無(wú)法順利進(jìn)行，這樣宇宙中就無(wú)法產(chǎn)生足夠的碳，以碳為基礎(chǔ)的生命就很難誕生出來(lái)。

為何物理定律是這個(gè)樣子，使得碳原子核具有這種激發(fā)態(tài)？霍伊爾曾認(rèn)為，之所以這樣，是因?yàn)槲覀冇钪嬷械奈锢矶墒潜痪恼{(diào)整過(guò)的，以適應(yīng)生命的生存。

不過(guò)，一些科學(xué)家喜歡用人擇原理來(lái)解釋這個(gè)激發(fā)態(tài)。人擇原理認(rèn)為，我們所觀察到的宇宙，必然具有能允許我們存在的條件。如果宇宙不是這樣子的話，那么也就沒(méi)有發(fā)問(wèn)的我們了。

現(xiàn)在，更多的科學(xué)家傾向于用多重宇宙這個(gè)觀點(diǎn)來(lái)解釋。他們認(rèn)為，我們的宇宙可能是多重宇宙中的一員。多重宇宙是由無(wú)數(shù)個(gè)宇宙而組成的集合，每個(gè)宇宙都有著屬于自己的物理特性。一些少量的宇宙湊巧具備了適宜生命生存的物理特性，其中的一個(gè)就是我們所生活的宇宙。

總之，霍伊爾激發(fā)態(tài)與生命息息相關(guān)。這就是生命的亞原子秘密。endprint