假如宇宙中少了一種力

假如宇宙中少了4種基本作用力中比較不重要的一種——弱核力，那麼行星還能形成，生命還會誕生嗎？

長期以來，物理學上一個經久不衰的話題就是基本物理學常數問題。

物理學家很早就發現，我們這個世界中的很多重大事件深深依賴於物理學定律中涉及的一些基本常數。所謂重大事件，包括物質的形成，星系的演化，生命的誕生等等。比如說，如果強核力稍強或者稍弱一點，恆星就合成不出碳和其他構成行星所需的元素，生命就更不用說了；如果質子的質量比現在只多0.2%，大爆炸之後形成的氫原子都會在幾乎一瞬間衰變成中子，不會有任何原子在宇宙中形成。這樣的例子還有很多。

那麼，為什麼我們的宇宙如此微妙呢？為什麼這些基本物理學常數要取這個值而不是另一個值？對此，一部分宇宙學家提出，我們的宇宙並非唯一，而只是眾多平行宇宙中的一個。這些宇宙可以突然從真空中冒出來，然後像我們的宇宙從大爆炸中誕生一樣，然後膨脹成一個遼闊的區域。每一個宇宙都帶有自己的一套基本物理常數，這些常數很可能與我們的完全不同。在絕大多數的宇宙中，或許連物質都不允許存在，更不用說星系、恆星、行星和生命了。但因為平行宇宙的數量非常龐大，也許剛好「瞎蒙」，拼湊出一套「正確」的物理常數，使得物質、星系、恆星、行星和生命都有了形成的可能。——不用說，我們就處於這樣一個幸運的宇宙中。

但是，為了讓平行宇宙中生命得以產生，這套基本常數的取值是否是唯一呢？今天我們就來探討這個問題。

元素合成三部曲

引力、電磁力、強核力、弱核力是我們的宇宙中4種基本作用力。從「基本」二字就可以看出，它們似乎是必不可少的。

譬如，沒有強核力把夸克三個一組「捆綁」成質子和中子，再把質子和中子「捆綁」成原子核，我們所知的物質就不會存在。沒有電磁力，宇宙中就沒有光，也不會有任何原子和分子。沒有引力，物質就不會聚集成星系、恆星和行星。

第4種基本作用力是弱核力。在如今的日常生活中，它的存在已經變得可有可無，但在我們的宇宙演化史上，它曾經扮演過一個重要角色。弱核力的作用有很多，其中之一就是使中子轉變成質子、質子轉變成中子的反應得以發生。在大爆炸的最初一剎那，先是夸克3個一組結合成質子和中子，而後質子4個一組再聚變成氦-4原子核。這個過程被稱為「大爆炸核合成」，發生在宇宙誕生的最初三分鐘。在這個過程中，弱核力起到了重要作用。沒有它，氦-4原子核就無以產生，而氦-4是合成周期表中更重的元素的基礎。直到今天，這個核反應仍然在太陽內部進行著，我們從太陽上接收到的絕大部分能量就來源於此。

大爆炸核合成完成後，由於宇宙的膨脹，溫度迅速下降，元素合成的過程也中斷了。經過幾十億年的沉寂，氫氣和氦氣在引力作用下聚集成恆星，在恆星內部核反應才再次被「點燃」。此時，元素的合成進入到第二階段，即「星際核合成」階段。包括碳、氧在內的大部分原子序數低於鐵的元素就是在這一階段「鍛造」出來的。這一階段基本上不涉及弱核力。

對於第二階段的核合成來說，到鐵元素就戛然而止了，因為要合成比鐵更重的元素，恆星的溫度還不夠高。只有當恆星燃燒到了晚期，一些大質量的恆星發生超新星爆發，產生了上千億度的高溫，在這樣的條件下，才合成出了所有比鐵更重的元素。這是元素合成的最後階段，即所謂的「超新星核合成」階段。隨後，恆星的所有元素隨著超新星爆發，被拋撒到了宇宙空間。

如此看來，如果一個宇宙中沒有弱核力，那麼元素合成的第一階段都不可能發生，更遑論後面的過程了。然而，2006年，以色列物理學家傑拉德·佩雷斯通過理論研究發現，即使宇宙從一開始就缺少弱核力，後面的一些元素合成過程也依然可能發生，甚至仍然有可能演化出一個適宜生命生存的宇宙來。

在那個世界鐵是最重的元素

在無弱核力的宇宙中，質子聚變成氦的核反應將不會發生，因為該反應需要弱核力的參與。但是製造元素還是可以通過其他途徑來實現。比方說，在我們的宇宙中，物質的數量遠遠多於反物質，但只要對控制正反物質比例的參數稍加改動，就足以確保大爆炸核合成能夠產生出大量的氘核。氘是氫的一種同位素，原子核中除了1個質子外，還多了1個中子。這樣一來，通過1個質子加1個氘核聚變成氦-3（由2個質子和1個中子組成）的核反應，恆星仍然能夠發光發熱。

跟我們宇宙中的同類恆星相比，這種無弱核力恆星的溫度會低一些，尺寸也要小一些。根據計算機模擬，這種恆星可以持續燃燒大約70億年，幾乎與目前太陽的年齡相當，能量輻射率只比太陽低幾個百分點。

就像我們宇宙中的恆星一樣，無弱核力的恆星也能完成「星際核合成」階段，通過一步接一步的核聚變反應，合成越來越重的元素，一直到鐵。為什麼這一階段不能合成比鐵更重的元素呢？因為26號元素鐵的原子核是所有原子核中最穩定的，要合成比鐵更重的元素，恆星的溫度還不夠高。

在我們的宇宙里，雖然恆星內部無法合成比鐵更重的元素，但超新星爆發時，溫度可以達到上千億度（是太陽內部溫度的上千倍），元素合成的過程就可以繼續下去了。原子量比鐵重的元素，像金、銀、銅、鈾、釷等都是在這一階段合成的。最後，超新星把自己炸得粉碎，合成的元素也隨著散布到星際空間，成為組成新的恆星和行星的材料。

但是超新星核合成需要弱核力的參與。在沒有弱核力的宇宙中，這一階段將不會發生。所以在沒有弱核力的宇宙中，鐵是最重的元素。

依然可以湧現生命

即使恆星合成出了所有自然界中能穩定存在的元素，但要是不通過超新星爆發的形式，炸毀自己，把它們拋撒出來，像地球這樣的岩石態行星也一樣無以形成。

在我們的宇宙中，超新星可分成兩大類：一類是由超大質量的恆星引力坍縮引起的，這類占多數；另一類是白矮星從伴星上吸積了太多的物質後，引發熱核爆炸所致。在前一類超新星爆發中，大量向外輻射的中微子把能量從恆星核心傳遞出來，「驅動」衝擊波把整顆恆星炸得粉碎，這樣，合成的元素也散布到了宇宙空間。

而在這過程中起到重要作用的中微子正是通過弱核力產生的。假如宇宙里沒有弱核力，這類超新星就不會爆發，成了「啞彈」，所有的「寶物」都緊緊捏在自己手中。所以，沒有弱核力的宇宙只能通過後一類超新星爆發來拋撒物質。但是這一類超新星爆發比較罕見，所以拋撒出來的物質將比較稀少，由此一來，在沒有弱核力的宇宙中，行星數量會比我們的宇宙少得多。

考慮到無弱核力的恆星相對較冷，如果一顆無弱核力的類地天體像地球一樣溫暖，容許液態水存在，那它到母恆星的距離只能是日地距離的1/6左右。對於生活在這樣一顆行星上的居民來說，他們的「太陽」看上去會大得多。

無弱核力的「地球」在其他方面也與我們的地球有著霄壤之別。在我們的地球上，板塊構造和火山活動都是地球內部的鈾和釷等放射性同位素衰變產生的熱量來驅動的。而無弱核力的宇宙不可能合成比鐵更重的元素，那麼自然也不會有這些放射性元素。如此一來，無弱核力的「地球」就了無生趣了。

至於生命，那是一種化學過程，與核力無關，而既然在無弱核力的宇宙中，生命所需要的元素已經一應俱全，那麼應該不會阻止與我們類似的生命誕生。

如此看來，就算一個宇宙中只有3種基本作用力，也可以成為適宜生命生存的地方。換句話說，基本物理學常數看來並非唯一，因為在一個沒有弱核力的宇宙里，這套常數雖然與我們的宇宙不同，但生命照樣可以湧現。這個結論對於我們理解自己在眾多平行宇宙中的真正位置，或許是很有啟發意義的。

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