要了解這個問題,涉及到兩方面知識,一是化學元素的起源是什麼?二是光速如何影響元素內部相互作用?
化學元素的起源是什麼?
宇宙的時間和空間都來源於137億年前的大爆炸。最初,宇宙中充滿了光和夸克,隨後,夸克組成了質子和中子。
大約3分鐘之後,這些質子中子冷卻之後組成了原子核。這個過程稱為核合成。氫、氦、鋰、鈹等元素被大量合成了。而直到今天,宇宙中90%的物質仍然是氫核。但這時宇宙仍然太熱,這些原子核無法吸引電子而形成原子。要形成原子,還要等待30萬年之後。
到那時候,宇宙冷卻到可以形成原子。從宇宙微波背景輻射中,我們仍能看到這些早期原子的訊號。
前面四種元素是最早期形成的,而其他元素的形成涉及到核聚變過程。
所有質子都是帶正電的,因此相互排斥。要讓它們緊密地形成原子核,需要另外一種力來讓它們相互吸引。這種力叫做強力。質子相互碰撞,最終強力大於電磁斥力而使它們束縛在一起形成原子核。這個過程就叫做核聚變。
大爆炸之後的原子透過引力相互吸引,並聚整合大的雲狀物。雲內部的壓力把它自身加熱到幾百萬度的溫度,從而導致氫聚變為氦,從而形成了恆星。核聚變先從內部開始,然後發展到外部。這個過程使恆星膨脹,進而冷卻,最終把它變為紅巨星。
一旦核心的氫在聚變過程消耗完,氦開始聚變為碳、氮、氧。
這個聚變過程,小質量(小於8倍太陽質量)的恆星演化成白矮星。白矮星主要由碳、氧組成,並且密度極大。
大於8倍太陽質量的恆星(稱為超巨星),它的引力足夠強,聚變得到碳原子,隨後再聚變得到氖、氧、鎂原子。然後,氧聚變為硫、矽、磷和鎂。矽繼續聚變出重元素,一直到鐵元素。
但是,這個過程不能產生比鐵元素更重的元素,因為前面的聚變過程都是釋放能量,可以促使聚變繼續發生,而產生更重的元素需要吸收能量,使得強力釋放的能量不足以克服電磁斥力。
超巨星的終點是超新星,最重的元素是在超新星中產生的。超新星的核心被鐵元素充滿,它的壓力和溫度不斷升高。核心釋放出大量伽馬射線,促使電子質子融合為中子,同時釋放大量能量和中微子。這個過程會導致大量包含中微子的衝擊波,比鐵重的元素一直到鈾元素,都是這個過程產生的。
總結一下,最輕的四種元素在大爆炸之後就產生,鎂以及之前的元素在紅巨星中產生,鐵以及之前的元素在超巨星中產生,從鐵到鈾元素在超新星中產生。
星雲、塵埃、星球中的原子相互碰撞,大量化學反應不斷髮生。這些反應最終產生了生命,從而產生了我們人類。
光速如何影響元素內部相互作用?這裡實際上假設了,光速在物理中不是一個基本常數。如果它可以改變,影響的是電磁相互作用,物理學中描述電磁相互作用的是精細結構常數 α 。
前面我們看到,要合成元素,需要強力克服電磁力,從而使質子束縛在原子核內,描述強力的是強相互作用耦合常數。
α和耦合常數需要滿足一定的關係,像碳這一系列元素才是穩定的,電磁力如果變化,實際上就影響了元素的合成。
具體精細結構常數改變多少,會影響元素的合成。我可以給你一篇文獻,其中有具體的數學計算。文中講到的是耦合常數的影響。類似的,僅改變α 也會產生類似的影響。
我把結論描述如下:
如果耦合常數增加 4%, 星球的聚變就無法產生碳,基於碳元素的生命就更無法出現了。如果耦合常數減小10%,核聚變都無法發生,基於核聚變的一系列天體物理過程也無法發生了。
不過,在物理學中光速一般被看做基本常數。任何一個基本常數的改變,都會改變一系列其他物理常數。那些現實世界肯定和我們現在看到的完全不一樣。
可能會有人問:鈾之後的元素為什麼產生不了?
它們實際上是在超新星中產生了,但是因為比鈾重的元素都是不穩定的,都會衰變為更輕的元素。所以自然界發現的元素都是鈾以及比鈾輕的元素。鈾雖然也是不穩定的,但是它的半衰期幾乎和地球壽命一樣,所以地球上還是有鈾元素存在的。
其他所有比鈾更重的元素,都是人類在實驗室合成的。早期合成一個新的元素,就可以得到一個諾貝爾獎。後來發現重元素越來越多,大家就覺得不稀奇了。
還有,錼和鈽在自然界也發現了。確實是這樣,人工合作這些元素之後,人們在鈾巖中也發現了有這兩種元素存在。除了這兩個元素,目前其他比鈾重的元素都要在實驗室合成。