如果宇宙不是現在這樣，人類還能存在嗎？

適合生命存活的宇宙，或許根本不止一種。

撰文 Fred Adams

翻譯 葉宣伽

審校 丁家琦

圖片來源：《環球科學》

生命的形成從不會是一蹴而就的，必然要先產生基礎的規則和結構。在宇宙早期，原子核先成形，捕獲電子形成原子，這些原子聚集起來，構成了星系、恆星和行星。在歷經一系列演變之後，天地萬物都各得其位。我們理所當然地認為這些結構之所以能夠形成，都是拜精巧的物理定律所賜——然而，事實很可能並不是這樣。

在過去的數十年里，許多科學家都試圖讓人們相信，哪怕我們宇宙中的物理定律僅有一絲細微的改變，現存的宇宙也將不復一切精妙複雜的結構。於此同時，宇宙學家們也逐漸意識到，我們所處的宇宙可能只是多宇宙（multiverse，也稱多重宇宙，平行宇宙）的一個組成部分。多重宇宙論是一種在物理學裡尚未證實的假說，這種假說認為，在我們的宇宙之外，還存在著其他的宇宙，數量浩大的多個宇宙共同形成了一個比單個宇宙大得多的時空區域。現有的物理定律是如此精細，以至於不能容忍絲毫的增減——平行宇宙的存在為這種現象提供了一個非常合理的解釋：不同宇宙中的物理定律都是不同的，而之所以我們能夠觀察到這個宇宙中「精巧」的規律，是因為只有在這個宇宙里我們才能存活。

天體物理學家們往往喜歡花費許多精力討論宇宙規律的精妙細微，這容易讓人們對物理定律產生誤解，認為我們所處的宇宙之所以這麼精妙複雜，都是因為它的物理定律恰到好處地容許了它的存在，這種天衣無縫甚至帶有了一種超自然意味，這就是所謂的「微調論」（fine-tuning）。就算是那些對多重宇宙論持懷疑態度的人也大多支持「微調論」，僅僅認為「微調論」應當有別的理由來解釋。然而事實上，宇宙的這種微調性質從未被嚴格證實，我們甚至還沒弄清哪些物理定律對天體物理結構的形成才是不可或缺的，更不要說去尋找生命發生的重要定律了。近期一系列有關恆星演化、核天體物理和宇宙結構形成的研究就告訴我們，「宇宙微調論」可能並不像人們之前所想的那樣靠譜，許多不同類型的宇宙都可以支持生命的出現與生存。我們所處的『這個宇宙』，也許並不像我們所想的那樣特殊。

第一類微調性質體現在推動天體運行的自然界基本作用力的強度上。基本相互作用有四種：引力、電磁力、強核力與弱核力，如果電磁力太強，帶正電的質子間的相互排斥力將會阻礙天體內核發生核聚變反應，恆星就不再有足夠的能量發出耀眼的光芒；可要是電磁力太弱，核反應就會失去束縛——在宏觀上體現為星體不能成型，而是爆成一團蔚為壯觀的爆發物。而若是引力太大的話，恆星要麼塌縮形成黑洞，要麼根本就不能將能量釋放到外界。

不過若是真的細緻推敲這個問題，人們就會發現，其實恆星間的作用力遠不像想像中的那麼精細——相反，這個數值要隨意得多。哪怕電磁力的強度放大或縮小近百倍，也不會讓天體運行產生不可兼容的差錯；萬有引力甚至可以比原來強上100000倍，或者縮小到原來的十億分之一，而整個宇宙依舊能夠運行。天體所能容許的引力和電磁力的強度取決於核反應的速率，核反應的速率又取決於原子核作用力的強弱。如果反應速率很快，那麼恆星所能承受的引力和電磁力的強度範圍也就越大；反之，這個範圍就會變窄。

電磁力和引力的大小只是生命存活的最低基本要求。除此之外，恆星還需要符合許多其他的約束條件，比方說，它們必須足夠熱。一顆恆星的表面溫度必須高到一定程度，才能為生命所需的化學反應提供足夠的起始能量。在我們所處的宇宙中，大多數恆星周圍都有處於溫度合適的溫暖區域（宜居帶）的行星，300開爾文左右（二十幾攝氏度）的溫度就足以支持生命的產生。在電磁作用力更強一些的宇宙中，恆星的溫度要低一些，這些地方也就相對較不適宜居住。

恆星的壽命還必須相對較長，因為複雜生命的形成需要龐大的時間跨度。由於生命是由一系列極其複雜的化學反應共同驅動，那麼生物演化的時標也就理應以原子的生命周期為標準來設定。在其他宇宙中，考慮到電磁力和其他變數的差異，這個時標時鐘的計時速率可能也會有所不同：當相互作用力變弱時，恆星會加速燃燒其儲備的核燃料，縮短其生命周期。

最後，也是最基本的條件：在一開始，該恆星所具備的條件必須讓其能夠成為一顆恆星。星系和恆星最初都是由一團原始氣體壓縮而成，這團氣體必須經歷釋放能量和冷卻的過程。想必聰明的讀者已經料到，這個氣體的冷卻速率還是取決於電磁力的大小，如果電磁力太弱，氣體就不能在所需的時間內冷卻；相反，它會維持擴張的趨勢，拒絕濃縮為星系。還有一個顯然的條件：恆星必須比它們之前所處的宿主星系小——不然恆星的形成過程就會變成一個笑話。這一系列效應，為電磁力強度的大小劃定了下限。

綜上所述，在不妨礙恆星和行星符合上述所有限制條件的前提下，基本作用力的大小可以在幾個不同數量級上變化（如圖所示），而遠非科學家們所想的那樣嚴格精密。

設定參數範圍：即使電磁力或引力比現實情況更強或更弱，宇宙依舊能夠適宜生命居住。圖中的陰影區域顯示了適宜生命存活的參數範圍。星形記號表示我們這個宇宙的參數情況；橫縱坐標分別以對數形式顯示電磁力與萬有引力的大小。相關限制參數分別為：能夠發生核聚變反應（黑色曲線以下的區域）；擁有足夠悠久的壽命以讓複雜的生命有足夠的時間演化（紅色曲線以下的區域）；足夠熱，以支持生物圈的形成與存在（藍色曲線以左的區域）；體積不能超過它們所處的星系（藍綠色曲線以右的區域）。

第二種可能表現微調性質的特性，與碳元素的產生環境有關。大型恆星會在其中心將氫原子聚合為氦原子之後，而後氦原子就成為了恆星的動力來源。經過一系列複雜的反應，氦原子將會生成碳元素和氧元素。由於氦原子核在核物理中的重要地位，人們將其命名為α粒子（alpha particles，盧瑟福就是在用α粒子轟擊金箔的實驗中發現了原子核）。自然界中最常見的原子核都是由α粒子所構成，例如碳-12可以看做由3個α粒子聚合而成，氧-16可以看做由4個α粒子聚合而成；不過，由兩個α粒子所構成的原子核——鈹-8——並不在上述行列之中，這當然有一個靠譜的理由：鈹-8並不能在我們的宇宙中穩定存在。

鈹-8的不穩定性嚴重製約了碳元素的生成。當恆星將α粒子聚合起來形成鈹原子核時，新生成的鈹原子核立刻就會分解，重新成為氦原子核（觀察上圖，此反應發生需要外界對其做功）；所以幾乎在任何時刻，星核中只有極少數存在時間極短的鈹原子。這些數量稀少的鈹原子核能夠與氦原子核進一步發生反應，生成碳原子核。由於上述成碳過程中有三個α粒子參與反應，這個反應也被稱為3氦過程（triple-alpha reaction）。不過，科學家們發現3氦過程的反應速度太慢，根本不足以生成宇宙中已觀察到的大量碳元素。

為了解決這個矛盾，物理學家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）在1953年預言，碳原子一定在某一特定的能級存在共振態，該共振現象使碳元素生成的反應速率遠遠超出其理論值，足以解釋宇宙中已知碳素的丰度。隨後，科學家們也在實驗室中在預期的能級觀察到了該共振現象。

現在問題來了，在其他宇宙中，基本作用力的強度與本宇宙不同，故發生共振的能級也很有可能發生變化——那麼處於該宇宙中的恆星就無法生成足夠的碳；如果能級的能量變化超過了4%，那麼碳元素的生成就會受到極大的制約。這個問題有時被稱作「3氦微調難題」（triple-alpha fine-tuning problem）。

幸運的是，這個問題有一個簡單的答案——如果核物理為你關上了一扇門，他可能會為你打開一扇窗：假設宇宙的核物理性質的確發生了巨大的改變，抵消了碳原子的共振現象，那麼恭喜你，一旦變化上升到了這個數量級，鈹原子核就有一半幾率成為穩定的原子核；一旦鈹原子核能夠穩定存在，那麼碳原子核就能通過一種更簡單的方法直接由三個α粒子聚合而成（兩個α粒子聚合成為鈹原子核，鈹原子核與另一個α粒子聚合形成碳原子核）。在這種情況下，碳元素的共振態就可有可無了，3氦微調難題也就不攻自破。

第三類可能存在微調性質的問題涉及到了三種僅由兩個核子所構成的最簡單的原子核：僅含一個質子和一個中子的氘核，僅含兩個質子的雙質子（diproton），和僅含有兩個中子的雙中子（dineutron）。在我們所在的宇宙中，只有氘原子核能夠穩定存在，氦原子生成反應的第一步就是由兩個質子生成氘（全過程見下圖）。

不過，後來人們發現，恆星的存在其實極為穩定，它們能夠自動調整結構，使自身核燃料的燃燒速率恰好足以提供所需的能量，抵消試圖粉碎星體的引力。如果核反應速率較快，恆星就會降低其中心燃燒核燃料的溫度，因此總體上來看，這類恆星在其他方面並沒有什麼與眾不同之處。事實上，在我們所在的宇宙就有這樣的現象。氘核在強核力的作用下與質子結合形成氦原子核，此反應的截面（可以理解為粒子間發生相互作用的可能性）是普通氫原子聚合反應的10^15倍。儘管這個數字很嚇人，但這類恆星依舊愉快地漫遊在我們的宇宙，安靜地燃燒著氘核供能，因為這類恆星內核的實際溫度大約只有100萬開爾文左右——正常情況下，如果發生的是普通的氫原子聚合反應，星核的溫度則需要達到1500萬開爾文。這些依靠氘核提供能量的恆星核心溫度更低，體積比太陽更大一些，不過在其他方面與普通恆星並沒有多大區別。

類似地，就算強核力比原來弱一些，恆星也能在氘核不穩定的情況下繼續運行。還有許多其他反應能恆星提供能量，併合成重元素。在恆星形成之初，恆星緩慢收縮，內核溫度升高，變得更加緊實，以太陽的輸出功率發出亮光。在我們的宇宙中，恆星最終能夠獲得足夠的溫度和密度以進行核聚變反應；不過在其他宇宙中，恆星可能會延長收縮過程，通過降低引力勢能獲得能量。理論上壽命達到極限的這種恆星能以幾乎與太陽相當的輸出功率閃耀10億年年，已經長到能夠支持可能的生命出現。

而對那些質量非常大的恆星來說，收縮進程會加速，最終將會發生一場災難性的坍縮，坍縮的星體基本上都會成為超新星。它們的中心溫度和密度都能達到一個非常的高度，足以推動核反應的燃燒。這類恆星的死亡過程往往伴隨著許多不同類型的核反應，在爆炸過程中發生的核形成反應能為宇宙提供重元素核，無需氘核作為中間產物。

在這樣的宇宙中，一旦通過上述方法生成了微量重元素，之後的恆星就能通過另一條途徑完成核燃燒。這個過程被稱為碳氮氧循環（carbon-nitrogen-oxygen cycle，簡稱CNO循環），該循環不需要氘核作為中間產物參與反應，取而代之的是碳原子，碳原子在反應中起到催化劑的作用，加速氦的生成。碳氮氧循環也存在於太陽內部，為太陽提供了一小部分的能量。在氘核不能穩定存在的情況下，碳氮氧循環將會支配整個能量生成的過程，同時該循環也不會妨礙其他的核產能途徑。恆星還能通過一種類似於3氦過程（生成碳原子核）的3核子反應（triple-nucleon process）生成氦。總之，就算別的宇宙沒有氘核，恆星也還有太多方法獲得足夠的能量和多種多樣的原子核。

第四種微調性質關乎星系和其他宇宙大範圍結構的形成。這些結構取決於宇宙形成最早期微小的密度波動。當宇宙降低到某一溫度時，由於引力的作用，起初的微小漲落被放大，密度較大的區域最終變成星系和星系團。這種波動的振幅（用Q來表示）在起初通常很小，比如Q等於0.00001。在這種情況下，可以想見，起初宇宙的各處都處於一種非常「平滑」的狀態，各處密度、溫度和壓強之間的差別不超過100000分之幾。由此可見，如果Q值發生變化，可能也會對宇宙未來的命運產生極大的影響。

如果Q值比現在低，那麼宇宙的漲落達到足夠的強度以形成天文結構所需的時間就會更長，最終形成的星系密度也將變小。如果星系的密度過小，該星系的氣體就無法冷卻，這會使星系無法形成銀盤（galactic disk），也就無法聚合成恆星。因此，低密度的星系並不能成為生命理想的棲息地。若是再極端一些，如果等待漲落變得顯著的時間繼續延長，甚至會阻礙星系的成型。宇宙早在40億年前就開始加速擴散，使物質之間的分離趨勢大於聚集趨勢，這種現象被歸因於謎一般的暗物質。如果Q值過小，那麼星系將會需要無比久遠的時光才會塌縮；加速的擴散將會發生在星繫結構成形之前，抑制星系進一步成長，宇宙將會在還未出現生命和複雜性之前結束。為了逃避這個悲慘的命運，Q值不能小於現在的90%。

要是Q值過大呢？可以預見，星系成形得將會更早，密度也會更高。不過這同樣會導致糟糕的後果，使宇宙不宜居住。恆星彼此間將會靠得更近，發生更為頻繁的相互作用。在這種情況下，它們會把行星甩離繞行軌道，讓其沖向太空深處。更可怕的是，由於恆星彼此間的距離非常接近，夜晚時分的星空將會更加明亮——甚至可能比我們現在的白天還要亮。要是星球密度過高的話，加在一起的星光能夠將任何宜居行星的海洋蒸干。

不過在這種情況下，微調難題本身卻不是什麼致命的問題了。儘管星系中心的背景輻射大得恐怖，在星系的外圍總能找到恆星密度較低的區域，那裡的行星能夠適宜生命的居住。就算某宇宙的Q值比我們的宇宙大上1000倍，我們依舊能夠找到數量可觀的合適地點。在這樣的星系裡，大多數地方的黑夜亮如地球的白晝，而多數行星也不會僅從自己的恆星汲取生存所需的能量，而將依賴所有背景天體放出的光芒，理論上，它們甚至還能脫離自己恆星的軌道，在幾乎任意的軌道上運行。在密度漲落更大的宇宙中，哪怕是冥王星都能得到像邁阿密沙灘一樣燦爛的陽光。也因如此，如果密度適當，單個星系中的宜居行星數量都能超過我們的銀河系。

一個理想星系：上圖是一個理想情況下的星系，該星系的初始密度漲落（即Q值）很大，但卻可能擁有比銀河係數量更多的宜居行星。該星系的中心區域對生命來說太熱太亮，行星軌道也並不穩定；但是星系外圍卻接近太陽系的外圍環境。在外圍與中心區域之間，行星從背景天體接收到的光能強度類似地球接收到的日光。所以該區域的所有行星，不管其以何種軌道運行，在理論上都是宜居的。

總之，哪怕我們的宇宙參數發生了巨大的改變，恆星依舊能夠運行，依舊能存在宜居行星。引力可以比現在強1000倍或只有現在的100萬分之一，就算變化如此之大，恆星依舊能夠燃燒核燃料，壽命悠久；電磁力也能放大或是縮小百倍，核反應也能在多個數量級之間改變，哪怕一種核反應不能進行了，還有多種其他天體物理反應能夠生成重元素，為行星和人類的出現提供必要的原材料。我們可以清楚地得出這樣的結論：決定天體結構和天體演化的參數並不需要那樣精密。

意識到我們的宇宙並不像想像中的那樣具有嚴格的精密性質，我們還能說我們所處的宇宙就是最適合生命衍生的宇宙嗎？根據我們目前的知識水平，這個答案是否定的。我們隨隨便便就能舉出好幾個更好（或說，更符合邏輯）的宇宙，比方說，如果宇宙的起始漲落更大，它如今的密度也更大，能夠支持更多的宜居行星；又比方說，倘若在一個宇宙中鈹原子核能夠穩定存在，就能提供一條能夠直通碳元素生成的康庄大道，繞開複雜的3氦過程。儘管人們還沒有觀測到其他生命的存在，但可以確定的是，宇宙能夠通過許多途徑來產生足夠的複雜性和生命，其中的有些途徑甚至比我們現有的途徑更加良好。所以一言以辟之，天體物理學家們需要重新思考多重宇宙的真正含義，我們的宇宙或許並不是「增之一分則太長，簡直一分則太短」的奇蹟般的存在。

本文作者：FRED ADAMS是密歇根大學安阿伯分校物理學教授，曾獲美國天文學會頒發的海倫·B·華納天文獎（Helen B. Warner Prize）、國家科學基金會青年研究者獎（NSF Young Investigator Award）、以及由密歇根大學頒發的許多教學類獎項。他也是《宇宙五紀元：隱藏在永恆物理定律之中》（The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity）和《存在起源：生命如何出現在宇宙之中》（Origins of Existence: How Life Emerged in the Universe）兩書的共同作者。

http://cosmos.nautil.us/feature/113/the-not-so-fine-tuning-of-the-universe

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