_宇宙與生命_系列講座之三_萬(wàn)物之?dāng)?shù)太陽(yáng)壽命

1、“宇宙與生命”系列講座之三萬(wàn)物之?dāng)?shù) 太陽(yáng)壽命章德海就可以表示為Ech=Eatom=8/3me/25900K，這一溫度恰好與太陽(yáng)表面溫度（5770K）相近。這其實(shí)有深刻道理。如果太陽(yáng)表面溫度就是這個(gè)化學(xué)能溫度Tsun=Ech，那么太陽(yáng)表面發(fā)射的光子平均能量約是0.5eV，它不會(huì)隨行星與太陽(yáng)的距離而變化。當(dāng)然地球離太陽(yáng)遠(yuǎn)了，地球接受到太陽(yáng)的總光子數(shù)就會(huì)降低，地球就難于被加熱。因此地球到太陽(yáng)之間需要有一個(gè)適當(dāng)距離，使海洋保持液態(tài)。當(dāng)陽(yáng)光照射到地球上時(shí)，這些光子能量正好能夠充分激活有機(jī)化學(xué)反應(yīng)。能量高了容易傷害生命分子，能量低了生命活性和進(jìn)化效率太低。有了太陽(yáng)溫度，前講也有 了太陽(yáng)表面積，于是就得到了

2、太陽(yáng)亮度Lsun=422STsun/6=26/3memn/8，準(zhǔn)確度6%（“宇宙與生命”上講中我們談到了太陽(yáng)質(zhì)量、半徑和密度，后兩者主要是被原子參數(shù)決定的。但是太陽(yáng)最重要的另一些物理參數(shù)，例如太陽(yáng)溫度、亮度、壽命又是由什么決定的呢？它們對(duì)宇宙中的生命起到什么作用呢？這要從生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)是生化反應(yīng)說(shuō)起。典型的化學(xué)反應(yīng)能標(biāo)應(yīng)該是什么？原子能標(biāo)Eatom=2me/2=13.6eV，約1.5×105，對(duì)化學(xué)反應(yīng)太高了?；瘜W(xué)物質(zhì)千千萬(wàn)萬(wàn)，化學(xué)反應(yīng)更是不盡其數(shù)，那么典型的化學(xué)反應(yīng)能標(biāo)是什么呢？以0液態(tài)水的氣化潛熱10.8kcal/mol為例，它約合0.47eV。雖然水的蒸發(fā)好像僅僅是個(gè)物理過(guò)程，

3、但它涉及氫鍵破裂。生化分子中氫鍵的破裂可能引起化學(xué)性質(zhì)的根本改變（例如酶的催化特性），DNA雙鏈間的連接也是氫鍵，因此氫鍵在生命化學(xué)中的作用舉足輕重。于是我們?nèi)?.5eV為化學(xué)反應(yīng)的典型能標(biāo)（分子能標(biāo)），它與原子能標(biāo)的比值為1/27。但是假如有另一個(gè)世界，它的電磁耦合強(qiáng)度與我們世界的=1/137有所不同，那么分子能標(biāo)與原子能標(biāo)之比又該是多少呢？我們顯然不可能跑到那個(gè)“世界”去做個(gè)試驗(yàn)“測(cè)定”這個(gè)比值，但我們有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)可以計(jì)算出這個(gè)比值，它一定與有關(guān)。它不可能直接就是，這種按整冪次降低的方式太像圈圖量子效應(yīng)了。因?yàn)榉肿娱g的相互作用是原子間的一種剩余電磁相互作用，它的強(qiáng)度下降必然比量子修正效

4、應(yīng)要高，即的冪次是小于1的真分?jǐn)?shù)。最簡(jiǎn)單的真分?jǐn)?shù)是1/2，發(fā)現(xiàn)它不適合。再下一批次的簡(jiǎn)單真分?jǐn)?shù)就是1/3和2/3了。我們發(fā)現(xiàn)= 2/3就是一個(gè)恰當(dāng)?shù)臏p縮因子，代入我們世界的值，就正好得到剛才的那個(gè)比值1/27。以后會(huì)很奇怪地發(fā)現(xiàn)，這個(gè)數(shù)字有相當(dāng)?shù)钠者m性，將在各個(gè)物理領(lǐng)域中起重要作用，我們把它叫做“普適縮減因子”。 這個(gè)普適縮減因子的引入可能有現(xiàn)在未能理解的深刻原因。有了這個(gè)數(shù)，化學(xué)能標(biāo)的公式·系列講座之二萬(wàn)物之?dāng)?shù) 太陽(yáng)質(zhì)量表1）。太陽(yáng)為生命提供能源。如果這個(gè)世界除了有引力作用外只有電磁相互作用，那么化學(xué)反應(yīng)的能源最多只能從引力塌縮獲得，將不會(huì)持久并很快耗盡，系統(tǒng)也不穩(wěn)定。生命現(xiàn)象的維

5、持一定要求另有能源。因此物質(zhì)結(jié)構(gòu)除了必須有依靠電磁相互作用形成的原子分子結(jié)構(gòu)以外，還必須有更深一層的力和結(jié)構(gòu)，即核力和核結(jié)構(gòu)。由核結(jié)構(gòu)的重組而導(dǎo)致的核反應(yīng)來(lái)提供持久能源，維持生命過(guò)程。如果能知道太陽(yáng)可以提供多少能源，那么我們就能算出太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的壽命。太陽(yáng)的質(zhì)量上講已知，它的靜能Esun=Msunc2當(dāng)然不可能全部轉(zhuǎn)化為光子能量。太陽(yáng)成分中還有相當(dāng)一部分氦，暫時(shí)不能被青壯年太陽(yáng)燃燒。即使氫也不可能被燃燒殆盡。巧合的是，能夠轉(zhuǎn)換成能量的比例正好是“普適縮減因子”的平方，其中一半又被中微子帶走，因此只有 2/2的比例轉(zhuǎn)化為光子。于是就得到太陽(yáng)“化學(xué)”壽命c(diǎn)h= (Esun 2/2)/Lsun=2

6、26me2= 2 22/3me2，計(jì)算值為91億年，其一半正好是地球年齡46億年。這個(gè)公式很有意思，它似乎說(shuō)明，太陽(yáng)壽命極敏感地取決于電磁耦合常數(shù)，也與電子質(zhì)量有關(guān)，但卻與核子質(zhì)量無(wú)關(guān)。太陽(yáng)壽命（91億年）在量級(jí)上正好與宇宙年齡（137億年）相仿。地球年齡、太陽(yáng)壽命和宇宙年齡的比值正好為1:2:3，這種巧合背后蘊(yùn)含現(xiàn)代物理知識(shí)42 ·著深刻道理。化學(xué)能不單決定了太陽(yáng)表面溫度，還決定了地球的質(zhì)量。地球的目的是承載生命。地球應(yīng)該越大越好，這樣可以有更多的物質(zhì)參與生命的創(chuàng)造和循環(huán)，增加生命奇跡的概率。但是地球越大，表面重力能也越大。當(dāng)表面重力能超過(guò)了化學(xué)能，生命活力就降低了，高級(jí)生命就會(huì)變

7、得步履維艱。因此一個(gè)核子在地球表面的重力勢(shì)能V=GMearthmn/Rearth應(yīng)。該與化學(xué)能標(biāo)Ech相差不遠(yuǎn)（不大可能剛好相等）選擇V=21/3Ech，出現(xiàn)與1相近的系數(shù)21/31.23的理由我們暫時(shí)還不明白，值得以后尋找，但是它便于以后推理。上講中地球密度表達(dá)式已知為earth= mn3me3/2，于是可得用Mearth表達(dá)的V，我們就能通可轉(zhuǎn)化為光能，這當(dāng)然是不可能的），這個(gè)壽命稱為恒星的愛(ài)丁頓壽命，計(jì)算值為3.4億年。顯然，太陽(yáng)若以其最大限度的亮度發(fā)光，壽命就會(huì)相當(dāng)短，）的要求。恒星滿足不了生命進(jìn)化長(zhǎng)期性（34億年？愛(ài)丁頓壽命與太陽(yáng)化學(xué)壽命的比值恰好就是那個(gè)Ed=ch。如果這個(gè)等式成立

8、的話，“普適縮減因子”就能得出質(zhì)子質(zhì)量與電磁耦合常數(shù)之間的關(guān)系mn=8/4=26/3/4，準(zhǔn)確率在2%。這是否說(shuō)明大自然在選取質(zhì)子質(zhì)量時(shí)，需要參考電磁耦合強(qiáng)度呢？值得思考。在愛(ài)丁頓壽命中代入太陽(yáng)質(zhì)量Msun=mn2/2就其值比太得到了太陽(yáng)的愛(ài)丁頓亮度LEd=2mn1me2，陽(yáng)的化學(xué)亮度Lsun高出5000倍！質(zhì)量比太陽(yáng)大的恒星表面溫度更高、表面積更大、亮度更強(qiáng)，壽命也更短，更加不能為行星上生命的長(zhǎng)期演化提供一個(gè)幾十億年的穩(wěn)定環(huán)境。質(zhì)量比太陽(yáng)小的恒星，以表面溫度為能量的光子不足以激活生命化學(xué)反應(yīng)，而且能夠在行星上保持液態(tài)水的行星軌道“生存帶”太窄，行星落入其中的概率降低，因此對(duì)生命的出現(xiàn)極為不利

9、。只有像太陽(yáng)這樣質(zhì)量的恒星所帶有的像地球這樣的行星才可能最適合生命的存在和進(jìn)化。最后一個(gè)比較難的問(wèn)題是恒星核反應(yīng)溫度。太陽(yáng)雖然有5800K的表面溫度，但是太陽(yáng)的內(nèi)部密度和溫度都不均勻。進(jìn)行核反應(yīng)，核子應(yīng)克服庫(kù)侖斥力，這需要很高溫度。只有在恒星中心才能進(jìn)行核反應(yīng)，那么恒星核反應(yīng)的溫度應(yīng)該是多少呢？它決定于兩個(gè)因素。首先，即使恒星中心溫度沒(méi)有達(dá)到核能標(biāo)Enu=1MeV，也不能說(shuō)沒(méi)有核反應(yīng)產(chǎn)生。粒子熱運(yùn)動(dòng)能量是一個(gè)分布（麥克斯韋）。即使溫度較低，也有少數(shù)粒子的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)平均溫度，當(dāng)然能量越高的粒子其數(shù)目也越少。另一個(gè)因素是，能量越高的粒子，貫穿庫(kù)侖勢(shì)壘的概率也越大，越容易產(chǎn)生核反應(yīng)。這兩個(gè)因素正好

10、相反，于是必然折衷，存在一個(gè)最佳核反應(yīng)能量，它比恒星溫度要高。由此導(dǎo)致恒星產(chǎn)能率（單位質(zhì)量恒星物質(zhì)的產(chǎn)能功率）為=A·T 2/3exp (542mn/T)1/3。當(dāng)恒星溫度處在最佳核反應(yīng)溫度T'best=272mn/4時(shí)，產(chǎn)能率最“宇宙與生命”系列講過(guò)方程V=21/3Ech求得已列入座之二萬(wàn)物之?dāng)?shù) 太陽(yáng)質(zhì)量表1的地球質(zhì)量表22=23/25/2mn，計(jì)算值達(dá)式Mearth=23/2()3/2mn與實(shí)際值相差僅為1。地球半徑和太陽(yáng)地球質(zhì)量比皆可迎刃而解，列入“宇宙與生命”系列講座之二萬(wàn)物之?dāng)?shù) 太陽(yáng)質(zhì)量表1中。前面提到的太陽(yáng)亮度實(shí)際是為了適應(yīng)生命現(xiàn)象而確定的恒星亮度。但是從物理原理

11、上講，能夠允許的恒星亮度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于剛才得到的那個(gè)太陽(yáng)化學(xué)亮度。這是我們已知的天文常識(shí)，有許多星星的絕對(duì)亮度比太陽(yáng)亮。那么恒星是不是可以無(wú)限制地發(fā)光呢？不。限制恒星最大亮度的物理因素是，恒星發(fā)出的光會(huì)把恒星物質(zhì)向外推壓。如果光壓大于重力吸引，恒星就會(huì)解體。光的壓力取決于電子對(duì)光子的散射截面。那么從光子的觀點(diǎn)來(lái)看，電子該有多大半徑呢？電子有靜電能e2/r，它不應(yīng)大于電子的靜能mec2，于是電子的“經(jīng)典”半徑最小只能是re=me1。那么電子的截面應(yīng)是e=re2。量子電動(dòng)，但實(shí)際上力學(xué)可以推出系數(shù) = 8/3（湯姆森截面）此系數(shù)與電子能量有關(guān)，介質(zhì)溫度高時(shí)這個(gè)系數(shù)要減小?？紤]了適當(dāng)溫度后，我們因此可取

12、這個(gè)系數(shù) =2。恒星光度L（即功率）除以光速是整個(gè)光球向外的光壓力L/c。如果恒星半徑為R，那么光球面積是S=4R2，光輻射的壓強(qiáng)為L(zhǎng)/cS。每個(gè)電子的截面為e，因此光壓作用在一個(gè)電子上的力為Fe=e(L/cS)。由于電子與質(zhì)子是電中性等離子體，F(xiàn)e應(yīng)與一個(gè)質(zhì)子的重力Fg=GMmn/R2平衡Fe=Fg，于是得到質(zhì)量光度比為M/L=2mn1me2/2。恒星的質(zhì)量光度比其實(shí)就是恒星的飽和壽命（假設(shè)全部質(zhì)量20卷第3期 (總117期)高。適當(dāng)考慮屏蔽效應(yīng)和耦合常數(shù)的跑動(dòng)，可取Tbest=52mn，數(shù)值在30億度左右，顯然比太陽(yáng)表面溫度高太多了。實(shí)際上，太陽(yáng)中心溫度比最佳核反應(yīng)溫度低，太陽(yáng)表面溫度又比

13、太陽(yáng)中心溫度低，之·43 ·抗震救災(zāi)中生命援救的一些科技裝備楊先碧5月12日汶川8.0級(jí)大地震發(fā)生之后，需要爭(zhēng)分奪秒地救援，提前1秒就可能多拯救一個(gè)生命。此時(shí)光靠人力不能滿足救援需求，亟需出動(dòng)一些高科技裝備。常見(jiàn)的挖掘機(jī)可清理道路和挖掘廢墟；千斤頂可頂住壓在被困者身上的樓板和石塊，防止救援時(shí)再次垮塌。此外，電視上還出現(xiàn)了一些平時(shí)不常見(jiàn)的高科技裝備，比如生命探測(cè)儀、二氧化碳探測(cè)器、直升機(jī)、遙感飛機(jī)、漕渡門橋等。這些裝備縮短了救援時(shí)間，使救援隊(duì)伍能夠拯救更多的生命。進(jìn)行算法處理的電腦組成，實(shí)際上是一個(gè)探測(cè)人體呼吸和運(yùn)動(dòng)的儀器。雷達(dá)信號(hào)發(fā)送器連續(xù)發(fā)射電磁信號(hào)，掃描一定空間，接收器

14、不斷接收反射信號(hào)并對(duì)返回信號(hào)進(jìn)行算法處理。如果被探測(cè)者保持靜止，返回信號(hào)是相同的。如果目標(biāo)在動(dòng)，則信號(hào)有差異。通過(guò)比較不同時(shí)間段接受的信號(hào)，就可判斷目標(biāo)是否在動(dòng)。由于呼吸，就可把呼吸運(yùn)動(dòng)和其頻率較低（一般每秒12次）他較高頻率的運(yùn)動(dòng)區(qū)分開(kāi)來(lái)。生命探測(cè)儀在拯救廢墟中的幸存者時(shí)，我們從新聞中看到或聽(tīng)到最多的技術(shù)裝備就是生命探測(cè)儀，國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人在講話中也鼓勵(lì)廣大救災(zāi)人員要充分利用好這種高科技儀器。它是目前世界上最先進(jìn)的救生探測(cè)工具，2005年由美國(guó)超視安全系統(tǒng)公司推出，是美國(guó)麻省理工學(xué)院物理學(xué)家大衛(wèi)·席思利用雷達(dá)超寬頻技術(shù)開(kāi)發(fā)的。生命探測(cè)儀由發(fā)送超寬頻信號(hào)的發(fā)送器、探測(cè)接收返回信號(hào)的接收器和

15、用于讀入接收器的信號(hào)并圖1 生命探測(cè)儀JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ 間的比例又是涉及那個(gè)“普適縮減因子”T中心= 2Tbest，本講給出了許多重要物理對(duì)象的物理參數(shù)與基本物理參數(shù)之間的簡(jiǎn)潔關(guān)系（剩余的會(huì)陸續(xù)給出）。上述各種物理過(guò)程的真正物理分析要遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜和細(xì)致得多，只能讀厚厚的各類教科書(shū)才能專業(yè)性地了解。但是在我們的簡(jiǎn)潔分析中，上述各種物理過(guò)程的物理理由卻非常明確，抓住了它們的主導(dǎo)物理原因，忽略了許多細(xì)節(jié)。它至少告訴我們，正是物理學(xué)的基本參數(shù)（電磁耦合強(qiáng)度、電子質(zhì)量、核子質(zhì)量）決定了太陽(yáng)質(zhì)量、表面溫度、壽命，地球質(zhì)量、大小等等。所以我們看出，萬(wàn)物在萬(wàn)物圖中的位置是被基本參數(shù)決定了的。電磁耦合強(qiáng)度的冪次最并不是更小的分割。某種意義上多只被分割為1/3，講它是個(gè)“量子化”的現(xiàn)象?；緟?shù)一旦變化，整個(gè)萬(wàn)物之間的關(guān)系就將改變，很可能不利于生命的出現(xiàn)，我們將在后面的講座中逐一分析。（北京市中國(guó)科學(xué)院研究生院 100049）現(xiàn)代物理知識(shí)T表面= 2T中心=5 42mn。如果這時(shí)把這個(gè)恒星表面溫度與太陽(yáng)的化學(xué)表面溫度聯(lián)系起來(lái)，我們就得到電子質(zhì)量為me=10 3mn=102mn，數(shù)值誤差在2%。這又是一件奇妙的事情，大自然在選擇電子質(zhì)量時(shí)，要兼顧