玩弄着物理学、化学和生物学的超智慧者

黄启新

碳（carbon）是所有的有机分子的重要元素，地球上所有已知的生物都是碳基生物。换句话说，没有碳，所有生物（包括人类）就不会存在。

所有重元素¹都是在恒星内部通过恒星核合成（stellar nucleosynthesis）产生的，而碳是由三个氦-4（helium-4）原子核（亦称为&alpha ;粒子）合成的，这个过程称为「3氦过程」（Triple-Alpha Process）。然而天文学家在一九五零年代却发现3氦过程必须有一个不可思议的「巧合」才能够成功的。

在恒星核合成过程里，一个恒星首先将两个氢（hydrogen-1）原子核融合成氘（deuterium）原子核，并释放出一个正电子和中微子。然后氘和氢原子核融合成氦-3（helium-3），并释放出一个光子：

¹H + ¹H → ²H + e+ + ν_e                   （1）

²H + ¹H → ³He + γ                          （2）

之后氦-3原子核通过几个可能的步骤合成氦-4原子核。我们的太阳主要利用以下的步骤合成氦-4：

³He + ³He → ⁴He + ¹H + ^{1H            （3）}

然后恒星就会继续把两个氦-4原子核合成铍-8（beryllium-8）原子核，而铍-8原子核再加上一个氦-4原子核就会得出一个碳-12原子核：

⁴He + ⁴He → ⁸Be                           （4）
⁸Be + ⁴He → ¹² C + γ                     （5）

这看起来好像很合理的核合成过程却有一个极大的问题，因为铍-8是极之不稳定的，其半衰期大约为8×10⁻¹⁷秒。亦即是说，每0.00000000000000008秒就有一半的铍分裂成较为轻的原子核。因此铍-8和氦-4合成碳-12理应是极度困难的。

另外还有一个方法可以合成碳：就是以三个氦原子核「同时」踫撞并合成碳。

⁴He + ⁴He + ⁴He → ¹²C                  （6）

可是三个原子核「同时」踫撞的可能性十分之低，因此这过程是极为罕见的。因此，其于上述两个问题，理论上碳是不可能产生的。

然而事实上，你（一个碳基生物）正在看这篇由我（另一个碳基生物）所写成的文章，由此可见碳在自然界一定有很高的丰度。究竟这怎么可能呢？

原来关键就在于「能量共振」。原来当两个原子核发生碰撞时，如果其能量总和²刚好对应新原子核的自然能阶的话，新原子核就能够随后放出光子并下降至最低的能阶（以达至最稳定的状态），那么该核合成过程就会非常有效，核合成的可能性就会大大增加。

英国天文学家霍伊尔（Fred Hoyle）于一九五四年提出，因为碳在大自然确实存在，因此铍，氦和碳之间必定有一个共振存在，以致核合成过程（4）和（5）能够有效地完成。于是霍伊尔根据铍，氦和碳的质量能量，以及恒星内部温度去预测碳一定有一个当时未知的能阶。实验结果证明碳真的有一个比计算值高4%的能阶，而因为所有原子核都具有动能，所以这4%的能量差很容易由动能提供。碳这个共振能阶大大提高了3氦过程的机会。

有一点值得注意的是：假设万一碳的那个能阶比铍和氦的总能量「低」（而不是高）4%的话，碳就不可能产生，因为动能不可能是负数的。这个问题就正正发生在氧（oxygen）身上。

要生成氧，恒星必须将一个碳-12原子核和一个氦-4原子核融合。

¹²C + ⁴He  → ¹⁶O + γ                  （7）

问题是最接近碳氦能量总和的氧共振能阶比该总和「低」1%。这意味着在氧合成的过程里共振不会发生。虽然氧仍然能够在恒星内部合成，但因为其效率不及碳合成高，所以相比碳，只有小量的氧在这个阶段产生。

这就是另一个不可思议的「巧合」。

试想想，假设那个氧能阶高1%（即与碳氦能量总和一样）会有什么后果？这样的话恒星内差不多所有的碳都会变成氧，然后再变成其他重元素，亦意味着像我们人类等的碳基生命就不会存在。

霍伊尔是一位无神论者，但面对这两个不可思议的「巧合」，他亦不得不承认最合理的解释是有一位超智慧者在背后设计。他写道³：

「这些事实的常识解释使人联想到有一超智慧者在玩弄着物理学、化学和生物学，和在大自然中没有值得一提的盲目力量。从这些事实计算出的数字对我来说如此势不可挡，差不多毫无疑问地得出这个结论。」

其实除了3氦过程多，科学家在过去数十年还发现大量其他的精确微调证据，以证明人类以至整个宇宙的出现并非出于「巧合」，而是出于一位造物主的精心设计，而霍伊尔所说的那位超智慧者就是上帝。

正如诗篇104:24所说：

「耶和华阿、你所造的何其多、都是你用智慧造成的．遍地满了你的丰富。」

下次当我们看见烧烤碳、铅笔芯、钻石⁴，又或者照镜看见自己，请不要忘记感谢上帝的精心创造。

1 重元素是指所有比氢和氦重的元素。
2 能量总和包括质量能量和动能，再减去核结合能（binding energy）。
3 Fred Hoyle, "The Universe: Past and Present Reflections." Engineering and Science, November, 1981. p.12.
4 碳、铅笔芯（石墨）和钻石三者都是由碳原子所组成。