数十亿年前，地球上所有的碳元素都在遥远、垂死的恒星内部爆发式地产生。起初，每个原子的原子核都以一种肿胀、挤压的状态出现，几乎没有生存的机会。每 2500 个立即消失的原子核中，只有一个会变形为能够支持生命的稳定形式。
这种原始的、不稳定的原子核状态，被称为霍伊尔态，在 50 多年前就被发现了，但直到现代超级计算机的兴起和新的数学技术的发展，才弄清楚物理定律是如何将其创造出来的。在 2011 年 5 月首次详细介绍的工作和本月将在《物理评论快报》上发表的论文中进一步完善，德国和美国的一组理论物理学家将物理学的力量应用于计算机模拟的亚原子粒子，从头构建了霍伊尔态原子核的结构。
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“它看起来像一个弯曲的手臂，”北卡罗来纳州立大学的核与粒子物理学教授、该研究的合著者迪恩·李说。
物理学家说，了解霍伊尔态的结构将有助于揭示它是如何产生碳、氧、氮和其他构成生物复杂分子的光元素的。这些元素的合成不仅使生命的诞生成为可能，也推动了恒星的演化。
“碳-氧-氮循环对于几乎所有其他元素的形成，以及理解恒星如何生存、如何衰变和消亡至关重要，”奥斯陆大学和密歇根州立大学的理论核物理学教授莫滕·约尔斯-詹森说，他没有参与这项研究。“当然，如果没有霍伊尔态，我们就不会在这里。”
对霍伊尔态的探索始于 1954 年，当时的天体物理学作家马库斯·乔恩称之为科学史上“最离谱的预测”。理论天体物理学家弗雷德·霍伊尔推断，他自己的存在意味着在垂死的恒星内部必须出现一种未知的、奇异的碳原子状态，其额外能量约为 765 万电子伏特，即使没有人检测到这种原子的光谱发射。
“霍伊尔假设，为了生命的出现，必须存在这种 7.65 MeV 的碳，”约尔斯-詹森说。“然后，在四五年后，加州理工学院的一个实验小组实际上在发射中发现了这种霍伊尔态。”
正如预测的那样，几乎所有生命的关键元素都源于碳的这种短暂形态。当像太阳这样的中型恒星耗尽氢来聚变为氦时，它们的外层会膨胀并变红，而核心会收缩。在内部收缩期间，氦原子核（也称为α粒子），每个包含两个质子和两个中子，会被强力地推到一起，从而融合形成一个包含四个质子和四个中子的原子核，称为铍-8。在铍衰变回两个α粒子之前的万亿分之一秒内，第三个α粒子有时会撞击铍，并与其融合，形成一个激发态的、超大的碳-12原子核：霍伊尔态。除了碳通常的六个质子和六个中子外，这种状态还包含额外的能量束。
霍伊尔态原子核几乎总是衰变回铍和一个α粒子。但是，每 2500 次中只有一次，这些肿胀的碳会放松成稳定的基态构型，并以伽马射线的形式释放出额外的能量。随后产生的新碳-12原子核会填充元素周期表：一些保持原样，而另一些则与另一个α粒子融合，变成氧。一部分氧原子核被剥夺了一个质子，转化为氮；其他原子核则与另一个α粒子融合，变成氖，等等。如果恒星以称为超新星的灾难性爆炸结束，它会将这些新铸造的元素散布到太空中，最终成为未来太阳系的构成要素。
霍伊尔于 2001 年去世，他知道如果没有霍伊尔态作为起点，这些元素就不会出现。霍伊尔态是碳的“共振”，由铍原子和α粒子形成，这意味着它具有几乎与它们的总质量完全相同的能量。基态碳-12的能量较低，因此它不会通过α粒子和铍的融合而形成，就像二加二不等于三一样。“为了发生所有这些稳定状态，必须存在共振，”约尔斯-詹森说。
但霍伊尔只预测了碳的共振态的能量；他无法说明使其形成的力和相互作用，也无法说明其物理性质。由于碳包含六个质子和六个中子，每个质子和中子都包含三个夸克，因此霍伊尔态相当于一个高度复杂的 36 体问题。尽管核物理学家进行了数十年的研究，即使使用现代计算技术，对该状态的精确计算仍然遥不可及。
现在，诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格开发的称为手性有效场论的方法，使李和他的同事们能够近似计算霍伊尔态的结构。该技巧利用了质子和中子在原子核内部倾向于保持彼此距离的这一事实，因此它们“看到”彼此不是作为三夸克结构，而是作为单个的、尽管有些复杂的粒子。
忽略夸克将 36 体问题转化为 12 体问题，但由于强核力、电磁力和作用于每个粒子之间的“高阶”手性力，即使这个问题也无法得到精确的解决方案。“确定所有 12 个质子和中子的位置是一件非常复杂的事情，”李说。
为了使计算成为可能，手性有效场论采用了一种有时在高中微积分中使用的数学技巧。就像数学函数（例如图表上的曲线）可以通过计算“泰勒级数展开式”的前几项来近似（无限项之和，围绕曲线上的一个点，项逐渐变小）一样，研究人员通过只考虑这些力的泰勒级数展开式的前几项来近似塑造霍伊尔态的力。
“我喜欢把它比作在高尔夫球场上打三杆洞，”李说。第一杆，类似于泰勒级数方程中的主要项，“使球尽可能地接近球洞。”第二杆，代表对粒子运动有中等影响的项，使你更接近球洞。第三杆是一个细微的校正。三杆之后，你对霍伊尔态的结构和能量有了很好的近似值。
当一台超级计算机将此计算应用于在三维晶格上分布的六个质子和六个中子的模拟时，粒子可以以无数种方式排列自身以响应它。然而，只有粒子的最低能量构型在自然界中很常见。在这些构型中，研究人员发现其中一个解是基态碳原子核。另一个是霍伊尔态，其额外能量为 7.65 MeV。
德国的 JUGENE 超级计算机进行的这项计算，如果用普通的笔记本电脑完成，将需要两个多世纪的时间。
“当你从第一原理出发时，你不是在调整你的模型来匹配你正在寻找的复杂对象；你是在从粒子之间最基本的相互作用的起点计算这些对象，”李说，他与叶夫根尼·埃佩尔鲍姆、赫尔曼·克雷布斯、乌尔夫-G·梅斯纳和蒂莫·拉埃德合作。
霍伊尔态就像一个弯曲的手臂，形状像一个钝角三角形，每个顶点都有一个α粒子。原子核的过剩能量使其α团簇彼此之间的伸展距离比基态碳-12中的团簇更远，后者汇聚成一个紧密的等边三角形。
伯明翰大学的实验核物理学家马丁·弗里尔说，了解原子核的结构将有助于解释它转化为其他状态的速率和机制，从而产生宇宙中的许多其他元素。该计算有助于解释为什么霍伊尔态存在，并且还有望揭示宇宙为生命做了多么精细的调整。“如果霍伊尔态不存在，我们也不会存在，即使它的能量略有不同，生命也必须找到替代途径，”弗里尔说。
通过提高模拟中 3D 晶格的分辨率，李和他的同事们希望完善他们对霍伊尔态的描述，并更好地了解使生命成为可能的物理学原理。“我们总是想解决那些让我们对自己感到好奇的大问题，”李说。“当生命受到威胁时，它就会变得有趣。”
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