數十億年前，地球上所有的碳元素都在遙遠、垂死的恆星內部爆發式地產生。起初，每個原子的原子核都以一種腫脹、擠壓的狀態出現，幾乎沒有生存的機會。每 2500 個立即消失的原子核中，只有一個會變形為能夠支援生命的穩定形式。
這種原始的、不穩定的原子核狀態，被稱為霍伊爾態，在 50 多年前就被發現了，但直到現代超級計算機的興起和新的數學技術的發展，才弄清楚物理定律是如何將其創造出來的。在 2011 年 5 月首次詳細介紹的工作和本月將在《物理評論快報》上發表的論文中進一步完善，德國和美國的一組理論物理學家將物理學的力量應用於計算機模擬的亞原子粒子，從頭構建了霍伊爾態原子核的結構。
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“它看起來像一個彎曲的手臂，”北卡羅來納州立大學的核與粒子物理學教授、該研究的合著者迪恩·李說。
物理學家說，瞭解霍伊爾態的結構將有助於揭示它是如何產生碳、氧、氮和其他構成生物複雜分子的光元素的。這些元素的合成不僅使生命的誕生成為可能，也推動了恆星的演化。
“碳-氧-氮迴圈對於幾乎所有其他元素的形成，以及理解恆星如何生存、如何衰變和消亡至關重要，”奧斯陸大學和密歇根州立大學的理論核物理學教授莫滕·約爾斯-詹森說，他沒有參與這項研究。“當然，如果沒有霍伊爾態，我們就不會在這裡。”
對霍伊爾態的探索始於 1954 年，當時的天體物理學作家馬庫斯·喬恩稱之為科學史上“最離譜的預測”。理論天體物理學家弗雷德·霍伊爾推斷，他自己的存在意味著在垂死的恆星內部必須出現一種未知的、奇異的碳原子狀態，其額外能量約為 765 萬電子伏特，即使沒有人檢測到這種原子的光譜發射。
“霍伊爾假設，為了生命的出現，必須存在這種 7.65 MeV 的碳，”約爾斯-詹森說。“然後，在四五年後，加州理工學院的一個實驗小組實際上在發射中發現了這種霍伊爾態。”
正如預測的那樣，幾乎所有生命的關鍵元素都源於碳的這種短暫形態。當像太陽這樣的中型恆星耗盡氫來聚變為氦時，它們的外層會膨脹並變紅，而核心會收縮。在內部收縮期間，氦原子核（也稱為α粒子），每個包含兩個質子和兩個中子，會被強力地推到一起，從而融合形成一個包含四個質子和四個中子的原子核，稱為鈹-8。在鈹衰變回兩個α粒子之前的萬億分之一秒內，第三個α粒子有時會撞擊鈹，並與其融合，形成一個激發態的、超大的碳-12原子核：霍伊爾態。除了碳通常的六個質子和六個中子外，這種狀態還包含額外的能量束。
霍伊爾態原子核幾乎總是衰變回鈹和一個α粒子。但是，每 2500 次中只有一次，這些腫脹的碳會放鬆成穩定的基態構型，並以伽馬射線的形式釋放出額外的能量。隨後產生的新碳-12原子核會填充元素週期表：一些保持原樣，而另一些則與另一個α粒子融合，變成氧。一部分氧原子核被剝奪了一個質子，轉化為氮；其他原子核則與另一個α粒子融合，變成氖，等等。如果恆星以稱為超新星的災難性爆炸結束，它會將這些新鑄造的元素散佈到太空中，最終成為未來太陽系的構成要素。
霍伊爾於 2001 年去世，他知道如果沒有霍伊爾態作為起點，這些元素就不會出現。霍伊爾態是碳的“共振”，由鈹原子和α粒子形成，這意味著它具有幾乎與它們的總質量完全相同的能量。基態碳-12的能量較低，因此它不會透過α粒子和鈹的融合而形成，就像二加二不等於三一樣。“為了發生所有這些穩定狀態，必須存在共振，”約爾斯-詹森說。
但霍伊爾只預測了碳的共振態的能量；他無法說明使其形成的力和相互作用，也無法說明其物理性質。由於碳包含六個質子和六個中子，每個質子和中子都包含三個夸克，因此霍伊爾態相當於一個高度複雜的 36 體問題。儘管核物理學家進行了數十年的研究，即使使用現代計算技術，對該狀態的精確計算仍然遙不可及。
現在，諾貝爾獎得主史蒂文·溫伯格開發的稱為手性有效場論的方法，使李和他的同事們能夠近似計算霍伊爾態的結構。該技巧利用了質子和中子在原子核內部傾向於保持彼此距離的這一事實，因此它們“看到”彼此不是作為三夸克結構，而是作為單個的、儘管有些複雜的粒子。
忽略夸克將 36 體問題轉化為 12 體問題，但由於強核力、電磁力和作用於每個粒子之間的“高階”手性力，即使這個問題也無法得到精確的解決方案。“確定所有 12 個質子和中子的位置是一件非常複雜的事情，”李說。
為了使計算成為可能，手性有效場論採用了一種有時在高中微積分中使用的數學技巧。就像數學函式（例如圖表上的曲線）可以透過計算“泰勒級數展開式”的前幾項來近似（無限項之和，圍繞曲線上的一個點，項逐漸變小）一樣，研究人員透過只考慮這些力的泰勒級數展開式的前幾項來近似塑造霍伊爾態的力。
“我喜歡把它比作在高爾夫球場上打三杆洞，”李說。第一杆，類似於泰勒級數方程中的主要項，“使球儘可能地接近球洞。”第二杆，代表對粒子運動有中等影響的項，使你更接近球洞。第三杆是一個細微的校正。三杆之後，你對霍伊爾態的結構和能量有了很好的近似值。
當一臺超級計算機將此計算應用於在三維晶格上分佈的六個質子和六個中子的模擬時，粒子可以以無數種方式排列自身以響應它。然而，只有粒子的最低能量構型在自然界中很常見。在這些構型中，研究人員發現其中一個解是基態碳原子核。另一個是霍伊爾態，其額外能量為 7.65 MeV。
德國的 JUGENE 超級計算機進行的這項計算，如果用普通的筆記型電腦完成，將需要兩個多世紀的時間。
“當你從第一原理出發時，你不是在調整你的模型來匹配你正在尋找的複雜物件；你是在從粒子之間最基本的相互作用的起點計算這些物件，”李說，他與葉夫根尼·埃佩爾鮑姆、赫爾曼·克雷布斯、烏爾夫-G·梅斯納和蒂莫·拉埃德合作。
霍伊爾態就像一個彎曲的手臂，形狀像一個鈍角三角形，每個頂點都有一個α粒子。原子核的過剩能量使其α團簇彼此之間的伸展距離比基態碳-12中的團簇更遠，後者匯聚成一個緊密的等邊三角形。
伯明翰大學的實驗核物理學家馬丁·弗里爾說，瞭解原子核的結構將有助於解釋它轉化為其他狀態的速率和機制，從而產生宇宙中的許多其他元素。該計算有助於解釋為什麼霍伊爾態存在，並且還有望揭示宇宙為生命做了多麼精細的調整。“如果霍伊爾態不存在，我們也不會存在，即使它的能量略有不同，生命也必須找到替代途徑，”弗里爾說。
透過提高模擬中 3D 晶格的解析度，李和他的同事們希望完善他們對霍伊爾態的描述，並更好地瞭解使生命成為可能的物理學原理。“我們總是想解決那些讓我們對自己感到好奇的大問題，”李說。“當生命受到威脅時，它就會變得有趣。”
經許可轉載自西蒙斯科學新聞，它是西蒙斯基金會旗下一個編輯獨立的部門。其使命是透過報道數學、計算科學、物理科學和生命科學領域的研究進展和趨勢，增進公眾對科學的理解。