Tại sao khối lượng của electron lại quan trọng đối với sự sống trong vũ trụ?

Hầu hết các hằng số cơ bản có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn một chút, và vũ trụ của chúng ta vẫn sẽ tương tự. Nhưng không phải khối lượng của electron.

Bí ẩn về các hằng số cơ bản

Một trong những câu đố lớn nhất mà chúng ta đối mặt về vũ trụ là việc chúng ta không có lời giải thích cho rất nhiều tính chất mà các đối tượng cơ bản trong đó sở hữu. Có bốn lực cơ bản, mỗi lực có cường độ tương tác riêng, và không có lời giải thích tại sao các lực này lại có cả độ lớn tuyệt đối và tương đối như vậy. Một số hạt có điện tích, và chúng ta cũng không có lời giải thích tại sao điện tích của electron, proton hoặc bất kỳ quark nào lại có giá trị như chúng.

Mặc dù hạt Higgs cung cấp cho các hạt cơ bản khối lượng nghỉ mà chúng sở hữu, nhưng chúng ta không có lời giải thích tại sao những khối lượng đó lại có các giá trị như vậy. Các hằng số khác của tự nhiên, chẳng hạn như tốc độ ánh sáng, cũng xuất hiện mà không có lời giải thích.

Tổng cộng, cần ít nhất 26 hằng số cơ bản riêng biệt để mô tả vũ trụ mà chúng ta hiện đang hiểu, và chúng ta không có ý tưởng tại sao các hằng số này lại có giá trị như vậy. Nếu một số hằng số này nhỏ hơn hoặc lớn hơn, thì vũ trụ như chúng ta biết sẽ không thể tồn tại. Sự tồn tại của chính chúng ta là bằng chứng rằng các quy luật tự nhiên phải nhất quán với khả năng tồn tại của chúng ta.

Nếu lực hấp dẫn mạnh hơn hoặc yếu hơn một chút, các ngôi sao, thiên hà, hành tinh và sự sống vẫn sẽ tồn tại. Điều tương tự cũng xảy ra với:

– Cường độ của các lực khác,

– Khối lượng của các quark,

– Hoặc giá trị của tốc độ ánh sáng.

Chắc chắn rằng, kích thước của các nguyên tử có thể hơi khác, tín hiệu ánh sáng có thể mất một lượng thời gian khác nhau để truyền đi, và các loại cấu trúc lớn trong vũ trụ có thể hơi khác nhau về chi tiết, nhưng nó vẫn sẽ là một vũ trụ mà sự sống như chúng ta là khả thi.

Nhưng điều này sẽ không đúng nếu khối lượng của electron khác. Dưới đây là khoa học bất ngờ về lý do tại sao.

Mặc dù về thể tích, một nguyên tử chủ yếu là không gian trống, được chi phối bởi đám mây electron, hạt nhân nguyên tử đặc, chịu trách nhiệm cho ~99,95% khối lượng của nguyên tử, chỉ chiếm 1 phần trong 10^15 thể tích của nguyên tử. Các phản ứng giữa các thành phần bên trong của hạt nhân có thể chính xác hơn và diễn ra trong khoảng thời gian ngắn hơn, cũng như ở các mức năng lượng khác nhau, so với các quá trình chuyển đổi bị giới hạn trong các electron của nguyên tử.

Khi nói đến chính chúng ta, không thể phủ nhận chúng ta được tạo nên từ gì: nguyên tử. Ở trung tâm của mỗi nguyên tử là một hạt nhân nguyên tử nhỏ, gọn, có khối lượng lớn và mang điện tích dương: chứa hơn 99,9% khối lượng của nguyên tử nhưng lại vô cùng nhỏ, với kích thước được đo bằng femto mét, trong đó 1 femto mét là 10^−15 mét.

Quay quanh hạt nhân nguyên tử là các electron: những hạt nhỏ hơn, rất nhẹ và có khối lượng thấp, mang điện tích âm bằng với điện tích dương của mỗi proton nhưng trái dấu. Chúng ta đã va chạm electron với các electron khác và nhiều loại hạt khác trong các máy gia tốc hạt khổng lồ, và đã xác định rằng nếu có kích thước vật lý nào cho electron, thì chúng ít nhất nhỏ hơn 10^−19 mét. Theo như chúng ta biết, chúng có thể thực sự là các điểm.

Tuy nhiên, kích thước của một nguyên tử lớn hơn nhiều so với kích thước của các thành phần bên trong nó. Proton và neutron liên kết với nhau để tạo thành hạt nhân nguyên tử, và sau đó mỗi nguyên tử – thường – chứa một số lượng electron bằng với số lượng proton trong hạt nhân, tạo thành một thứ trung hòa về điện.

Trong khi electron là điểm (hoặc ít nhất là không lớn hơn 10^−19 mét) và hạt nhân nguyên tử nằm ở khoảng femto mét (10^−15 mét), thì chính các nguyên tử thường được đo bằng đơn vị angstrom, trong đó một angstrom là 10^−10 mét, lớn hơn hạt nhân nguyên tử khoảng 100.000 lần và lớn hơn kích thước vật lý của chính electron hơn một tỷ lần.

Mặc dù con người được tạo thành từ các tế bào, ở cấp độ cơ bản hơn, chúng ta được tạo thành từ các nguyên tử. Tổng cộng, có khoảng ~10^28 nguyên tử trong cơ thể người, phần lớn là hydrogen tính theo số lượng nhưng chủ yếu là oxygen và carbon tính theo khối lượng.

Sự tồn tại

của chúng ta phụ thuộc vào những nguyên tử này. Trong cơ thể con người, nếu bạn đếm từng proton, neutron và electron cấu thành nên chúng ta, bạn sẽ kết thúc với một con số khổng lồ: vượt quá 10^29, hay còn gọi là 100 octillion.

Chúng được liên kết lại với nhau dưới dạng các nguyên tử, với nguyên tử phổ biến nhất là hydrogen, được hình thành chủ yếu từ Big Bang. Tuy nhiên, có khoảng 90 loại nguyên tử khác nhau xuất hiện tự nhiên trong vũ trụ – được gọi là các nguyên tố – với loài nguyên tử cụ thể được xác định bởi tổng số proton trong hạt nhân nguyên tử của nó.

Hàng chục loài nguyên tử này là cần thiết để tạo thành một con người hoàn chỉnh, với oxygen và carbon chiếm phần lớn khối lượng cơ thể người.

Ngoài ra, các nguyên tố như:

– Nitrogen,

– Calcium,

– Phosphorus,

– Kali,

– Sulfur,

– Sodium,

– Chlorine,

– Magnesium,

– Và sắt.

Tất cả khi cộng lại với oxygen, carbon và hydrogen, chiếm 99,9% khối lượng trung bình của con người.

Trừ hydrogen được hình thành từ Big Bang, tất cả các nguyên tố nặng khác đều được hình thành trong các ngôi sao hoặc từ các quá trình xảy ra sau khi sao chết. Miễn là chúng ta không can thiệp quá nhiều vào các hằng số cơ bản, các ngôi sao, sự hợp hạch hạt nhân và sự hình thành các nguyên tố nặng này vẫn sẽ xảy ra.

Để bắt đầu bản dịch theo các yêu cầu của bạn, nội dung sẽ được chia thành các tiêu đề và đoạn văn rõ ràng. Dưới đây là bản dịch chi tiết:

Ngôi sao đầu tiên: Không kim loại, khối lượng cực lớn và số phận siêu tân tinh

Các ngôi sao đầu tiên hình thành trong Vũ trụ không giống với các ngôi sao ngày nay: không có kim loại, khối lượng cực lớn và được định sẵn để trở thành siêu tân tinh bao quanh bởi lớp vỏ khí.

Trước khi các ngôi sao hình thành, chỉ tồn tại các khối vật chất không thể làm mát và co lại, nằm trong các đám mây lớn và khuếch tán. Những đám mây này, nếu phát triển chậm đủ mức, có thể tồn tại đến giai đoạn vũ trụ rất muộn.

Vũ trụ như chúng ta biết đã bắt đầu với Big Bang nóng bỏng, và sau sự kiện đó, mọi thứ giãn nở, nguội dần, giảm mật độ và từ từ trở nên không đồng đều khi chịu ảnh hưởng của lực hấp dẫn. Ban đầu, proton và neutron hình thành từ các quark và gluon – điều này sẽ xảy ra ngay cả khi quark hoàn toàn không có khối lượng.

Nếu tăng hoặc giảm khối lượng của quark lên gấp 10 hoặc thậm chí 100 lần, khối lượng của proton và neutron sẽ chỉ thay đổi rất ít. Điều này bởi vì khối lượng của quark chỉ chiếm khoảng ~1% tổng khối lượng proton. Ngay cả khi quark không có khối lượng, phần lớn khối lượng của proton đến từ trường gluon – tức là độ mạnh của lực hạt nhân mạnh – và vì vậy việc thay đổi khối lượng quark chỉ ảnh hưởng rất ít đến khối lượng proton.

Một thời gian sau, quá trình tổng hợp hạt nhân diễn ra, tạo ra các hạt nhân nhẹ như heli và liti. Quá trình tổng hợp hạt nhân sẽ xuất hiện trở lại hàng triệu năm sau khi các ngôi sao bắt đầu hình thành từ các khối vật chất sụp đổ do lực hấp dẫn.

Ngay cả khi các hằng số cơ bản thay đổi đáng kể, điều này cũng không ngăn cản việc các yếu tố nặng hình thành trong các ngôi sao: carbon, oxygen, Nitrogen và nhiều yếu tố khác. Khi môi trường liên sao đủ giàu các yếu tố nặng, thế hệ ngôi sao tiếp theo sẽ có đủ nguyên tố nặng để các hành tinh đá (hoặc các mặt trăng đá xung quanh hành tinh khí khổng lồ) hình thành, mở ra khả năng sự sống xuất hiện trong Vũ trụ.

Hầu như mọi hằng số cơ bản – tốc độ ánh sáng, hằng số hấp dẫn, hằng số Planck, khối lượng của các quark, – có thể thay đổi mạnh, tăng hoặc giảm, và các nét lớn của câu chuyện vũ trụ học vẫn giữ nguyên. Tuy nhiên, nếu bạn cố thay đổi khối lượng của electron theo cách này, khả năng sự sống xuất hiện sẽ nhanh chóng biến mất.

Nếu tăng khối lượng của electron quá nhiều, các chuyển tiếp nguyên tử và phân tử sẽ trở nên bất khả thi dưới các điều kiện thông thường, ngay cả dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp.

Tương tự, nếu giảm khối lượng của electron đáng kể, ngay cả các tương tác yếu và năng lượng thấp cũng ngăn cản chúng ta có các nguyên tử hoặc phân tử ổn định trong thời gian dài.

Chỉ khi khối lượng của electron trong Vũ trụ nằm trong phạm vi rất hẹp, sự sống, các phân tử hữu cơ hoặc ngay cả hóa học phức tạp mới trở nên khả thi. Điều này có thể hiểu bằng cách so sánh dạng hydrogen phổ biến nhất mà chúng ta biết – nơi một proton được một electron quay quanh – với một dạng đặc biệt của hydrogen chỉ có thể được tạo ra trong điều kiện phòng thí nghiệm: hydrogen muon.

Hydrogen muon và sự khác biệt về kích thước và năng lượng ion hóa

Các hạt cơ bản tạo nên hydrogen tiêu chuẩn (hai quark lên và một quark xuống, cộng với một electron) so với hydrogen muon (hai quark lên và một quark xuống, cộng với một muon) có thể rất giống nhau, nhưng bản chất khối lượng lớn hơn của muon khiến cho kích thước của nguyên tử trở nên nhỏ hơn rất nhiều. Trong khi một nguyên tử hydrogen có kích thước khoảng một angstrom, hydrogen muon chỉ có khoảng 0,005 angstrom.

Mặc dù vật chất thông thường, bình thường được cấu thành từ proton, neutron và electron, nhưng đó không phải là những khả năng duy nhất tồn tại khi nói đến vật chất. Proton và neutron được tạo thành từ quark lên và quark xuống, nhưng có bốn loại quark nặng hơn khác: quark lạ, quark duyên dáng, quark đáy và quark đỉnh. Electron có thể là hạt mang điện nhẹ nhất, nhưng nó có hai người anh em nặng hơn và không ổn định: muon và tau. Trong khi các proton và electron cá nhân là ổn định (cũng như các hạt nhân được cấu thành từ cả proton và neutron), không có loại vật chất nào khác tồn tại lâu dài — vật chất được tạo thành từ các quark nặng hơn hoặc vật chất chứa muon hoặc tau — sẽ duy trì sự tồn tại lâu dài. Nhờ vào tương tác hạt nhân yếu, chúng sẽ nhanh chóng phân rã thành các hạt con nhẹ và ổn định hơn.

Tuy nhiên, muon là hạt cơ bản không ổn định sống lâu nhất, với tuổi thọ trung bình lên đến 2,2 micro giây. Mặc dù điều này có thể không có vẻ là một khoảng thời gian dài, nhưng nó đủ lâu để các muon tạo ra các trạng thái liên kết với proton, tạo thành một dạng hydrogen đặc biệt khác biệt theo nhiều cách quan trọng. Muon, giống như electron, là:

– Một lepton,

– Có một điện tích đối lập và bằng với điện tích của proton,

– Và nhẹ hơn nhiều so với proton.

Tuy nhiên, so với electron, muon có khối lượng lớn hơn 200 lần (chính xác là 206 lần), trong khi vẫn duy trì cùng một điện tích. Khối lượng nặng hơn này có nghĩa là lực điện, giúp giữ electron không bay ra khỏi hạt nhân nguyên tử, sẽ khiến muon ở rất gần hạt nhân nguyên tử hơn so với electron.

Sự khác biệt giữa hydrogen bình thường (với một proton và một electron), muonium (với một antimuon thay thế proton) và hydrogen muon (nơi muon thay thế electron trong hydrogen) không chỉ ở kích thước mà còn ở năng lượng ion hóa. Mặc dù kích thước và năng lượng ion hóa chỉ thay đổi một chút đối với muonium, hydrogen muon nhỏ hơn nhiều và khó bị kích thích hay ion hóa do khối lượng lớn hơn của muon so với electron.

Tỷ lệ này hóa ra lại rất rõ ràng: đối với một muon, một hạt có khối lượng gấp 206 lần electron nhưng với cùng một điện tích, bán kính của hydrogen muon là 1/206 bán kính của hydrogen thông thường. Thay vì một nguyên tử hydrogen thông thường có kích thước khoảng 1 angstrom (10^-10 mét), một nguyên tử hydrogen muon chỉ có khoảng 0,005 angstroms (5 × 10^-13 mét). Muon, do nặng hơn electron, không ổn định và sẽ tự phân rã thành một electron, một antineutrino electron và một neutrino muon sau vài micro giây. Tuy nhiên, trong suốt thời gian muon tồn tại và hydrogen muon vẫn ổn định, có một số sự khác biệt quan trọng giữa nó và hydrogen thông thường.

Có thể sự khác biệt lớn nhất là về các mức năng lượng. hydrogen bình thường (chứa electron) chỉ có một bộ các mức năng lượng xác định mà nó có thể chiếm đóng: trạng thái cơ bản (n=1), trạng thái kích thích đầu tiên (n=2), và lên đến trạng thái hoàn toàn ion hóa (n=∞), và để lên mức năng lượng cao hơn, một photon có năng lượng thích hợp phải tương tác với nó. Để từ trạng thái cơ bản (mức năng lượng thấp nhất) lên trạng thái kích thích đầu tiên, cần một năng lượng 10,2 eV (electron volt); để ion hóa hoàn toàn, cần năng lượng 13,6 eV. Vì muon có khối lượng gấp 206 lần electron, nó cần 206 lần năng lượng đó. hydrogen muon không thể kích thích trừ khi một photon có năng lượng 2,1 keV (kilo-electron volt) chiếu vào, và không thể bị ion hóa trừ khi một photon có năng lượng ít nhất 2,8 keV tác động vào.

Ánh sáng của Mặt trời trong quang phổ điện từ là nhờ vào phản ứng tổng hợp hạt nhân, chủ yếu chuyển đổi hydrogen thành heli. Các phản ứng hạt nhân sản sinh ra neutrino và bức xạ tia gamma tại nguồn, nhưng các lớp ngoài dày đặc của Mặt trời làm giảm đáng kể các tia gamma đó khi chúng rời khỏi quang quyển của Mặt trời. Chỉ khoảng một phần nghìn tỷ năng lượng của Mặt trời được phát ra dưới dạng tia X.

Chúng ta có các photon với năng lượng này trong vũ trụ của chúng ta, nhưng chúng rất hiếm: chúng là ví dụ của tia X. Các ngôi sao như Mặt trời phát ra tia X, nhưng chỉ với một lượng rất nhỏ: khoảng một phần nghìn tỷ năng lượng so với lượng năng lượng phát ra dưới dạng ánh sáng nhìn thấy. Trong khi ánh sáng Mặt trời cung cấp năng lượng cho tất cả các quá trình nguyên tử và phân tử trên Trái đất, bao gồm cả quang hợp sinh học cực kỳ quan trọng, chính nhờ vào lượng năng lượng mặt trời khổng lồ chiếu xuống Trái đất mà sự sống mới có thể tồn tại. Mặt trời cung cấp tổng cộng khoảng 1500 watt năng lượng cho mỗi mét vuông Trái đất mà nó chiếu đến, với phần lớn năng lượng này ở dạng ánh sáng nhìn thấy, gần hồng ngoại và tia cực tím. Chỉ khoảng mười nanowatt năng lượng đó (10^-8 W) tồn tại dưới dạng tia X.

Nói cách khác, nếu khối lượng nghỉ của electron cao hơn nhiều so với hiện tại, các phản ứng hóa học tạo ra năng lượng cho tất cả các quá trình sinh học trên Trái đất sẽ trở nên vô cùng hiếm gặp, vì các sự kiện năng lượng xảy ra trong vũ trụ — sự phát sáng của các ngôi sao, nhiệt địa nhiệt, các vụ phun trào núi lửa. — sẽ chỉ hiếm khi có thể gây ra sự chuyển tiếp nguyên tử hoặc phân tử. Nếu không có những điều này, không có quá trình hóa học phức tạp, phản ứng dây chuyền, hay các quá trình sinh học nào có thể diễn ra một cách đáng tin cậy, huống chi là diễn ra dễ dàng và phổ biến. Một vũ trụ nơi electron nặng hơn như vậy, thậm chí chỉ cần gấp 10 lần (và có thể thậm chí ít hơn), sẽ không thể hỗ trợ sự sống như chúng ta biết và hiểu.

Hiệu ứng quang điện và ion hóa

Biểu đồ này, mô tả năng lượng photon theo hàm năng lượng electron đối với một electron liên kết trong nguyên tử kẽm, chỉ ra rằng dưới một tần số (hoặc năng lượng) nhất định, không có photon nào bị đẩy ra khỏi nguyên tử kẽm. Điều này không phụ thuộc vào cường độ. Tuy nhiên, trên ngưỡng năng lượng nhất định (ở bước sóng đủ ngắn), photon luôn đẩy electron ra. Khi bạn tiếp tục tăng năng lượng của các photon ion hóa, các electron bị đẩy ra với vận tốc ngày càng tăng. Nếu khối lượng của electron bị giảm đi đáng kể, việc ion hóa kẽm (và tất cả các nguyên tử khác) sẽ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều, do electron sẽ bị giữ chặt bởi hạt nhân nguyên tử ít hơn.

Vấn đề ngược lại sẽ xảy ra nếu electron quá nhẹ. Cũng giống như một electron nặng hơn sẽ khiến nguyên tử nhỏ hơn, gắn chặt hơn và khó bị kích thích (hoặc ion hóa), một electron nhẹ hơn sẽ dẫn đến các điều kiện ngược lại: nguyên tử lớn hơn, liên kết lỏng lẻo hơn và dễ dàng bị kích thích (hoặc ion hóa) hơn. Như trong trường hợp của electron nặng hơn, điều này không chỉ áp dụng cho hydrogen mà còn cho tất cả các nguyên tử.

Bây giờ hãy xem xét năng lượng trung bình của một photon ánh sáng nhìn thấy — loại photon do Mặt trời và tất cả các ngôi sao đang trải qua phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi của chúng tạo ra — vào khoảng 2 hoặc 3 eV. Nếu chúng ta giảm khối lượng của electron đi một yếu tố năm, chỉ còn 20% khối lượng hiện tại, thì thay vì các chuyển tiếp nguyên tử hoặc phân tử xảy ra thường xuyên dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp, các liên kết nguyên tử và phân tử sẽ bị phá vỡ một cách thường xuyên, vì các nguyên tử và phân tử đó sẽ bị ion hóa hoàn toàn, chỉ bằng cách tiếp xúc với ánh sáng.

Ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra nhưng cũng có thể phá hủy. Chính vì khối lượng của electron rơi vào vị trí lý tưởng nơi các chuyển tiếp nguyên tử và phân tử được kích thích một cách thường xuyên, nhưng không bị phá vỡ bởi năng lượng của ánh sáng mặt trời trực tiếp, mà nhiều phản ứng, bao gồm cả phản ứng quang hợp, là có thể và diễn ra thường xuyên: trên thế giới của chúng ta và trong vũ trụ của chúng ta.

Hình ảnh chi tiết này cho thấy cấu trúc phân tử của phân tử phức hợp thu sáng 2 (LH2): một phân tử quan trọng trong việc vận chuyển năng lượng photon đến trung tâm phản ứng quang hợp. Các protein anten này vận chuyển năng lượng một cách rất hiệu quả: một hiện tượng khó giải thích.

Một trong những câu hỏi mà mọi người thường đặt ra khi nhìn vào các định lý tự nhiên và các hằng số cơ bản mô tả chúng là liệu vũ trụ của chúng ta có được điều chỉnh sao cho sự tồn tại của chúng ta là khả thi. Khi nói đến hầu hết các định lý và hầu hết các hằng số, người ta thường hiểu rằng việc tăng hoặc giảm cường độ của các tương tác hoặc giá trị của các hằng số sẽ điều chỉnh một số chi tiết cụ thể về vũ trụ của chúng ta, nhưng nó vẫn sẽ rất giống với vũ trụ mà chúng ta biết. Ngay cả khi chúng ta thay đổi mọi thứ một cách đáng kể — gấp 10, 100, 1000 hoặc thậm chí nhiều hơn — trong khi vũ trụ của chúng ta sẽ có những khác biệt rõ rệt, những thứ mà chúng ta quen thuộc, như nguyên tử, phân tử, các ngôi sao, lỗ đen, phản ứng hạt nhân, hành tinh, thiên hà, và thậm chí là hóa học và sự sống, vẫn có thể tồn tại dưới một dạng nào đó.

Nhưng cấu trúc các khối xây dựng của các vật thể quy mô nhỏ trong vũ trụ của chúng ta, tức là các nguyên tử, rất nhạy cảm với khối lượng của electron. Nếu mọi thứ khác vẫn như cũ nhưng khối lượng của electron khác đáng kể so với giá trị hiện tại — dù nặng hơn hay nhẹ hơn — hóa học phức tạp và các quá trình sự sống sẽ gần như không thể xảy ra. Electron quá nhẹ sẽ dẫn đến một vũ trụ nơi các nguyên tử và phân tử bị phá hủy quá dễ dàng, và thậm chí ánh sáng nhìn thấy sẽ nấu chín bất cứ thứ gì cố gắng hình thành. Electron quá nặng, và các nguyên tử và phân tử không thể rời khỏi trạng thái cơ bản, không thể trải qua các chuyển tiếp kiểu mà mọi phản ứng hóa học và sinh học phụ thuộc vào.

Sự sống chắc chắn có thể tồn tại trong vũ trụ của chúng ta và với các hằng số mà chúng ta có. Nhưng nếu khối lượng của electron chỉ thay đổi một chút — dù nặng hơn hay nhẹ hơn — vũ trụ sẽ trở nên cô đơn hơn rất nhiều.