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如果宇宙不是现在这样,人类还能存在吗?

时间:2017年02月22日 信息来源:环球科学 点击:5579 字体:

要得到一个适于生命存在的宇宙,可能并不需要精细的“微调”。 

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图片来源:《环球科学》

生命的形成从不会是一蹴而就的,必然要先产生基础的规则和结构。在宇宙早期,原子核先成形,捕获电子形成原子,这些原子聚集起来,构成了星系、恒星和行星。在历经一系列演变之后,天地万物都各得其位。我们理所当然地认为这些结构之所以能够形成,都是拜精巧的物理定律所赐——然而,事实很可能并不是这样。

在过去的数十年里,许多科学家都试图让人们相信,哪怕我们宇宙中的物理定律仅有一丝细微的改变,现存的宇宙也将不复一切精妙复杂的结构。于此同时,宇宙学家们也逐渐意识到,我们所处的宇宙可能只是多宇宙(multiverse,也称多重宇宙,平行宇宙)的一个组成部分。多重宇宙论是一种在物理学里尚未证实的假说,这种假说认为,在我们的宇宙之外,还存在着其他的宇宙,数量浩大的多个宇宙共同形成了一个比单个宇宙大得多的时空区域。现有的物理定律是如此精细,以至于不能容忍丝毫的增减——平行宇宙的存在为这种现象提供了一个非常合理的解释:不同宇宙中的物理定律都是不同的,而之所以我们能够观察到这个宇宙中“精巧”的规律,是因为只有在这个宇宙里我们才能存活。

天体物理学家们往往喜欢花费许多精力讨论宇宙规律的精妙细微,这容易让人们对物理定律产生误解,认为我们所处的宇宙之所以这么精妙复杂,都是因为它的物理定律恰到好处地容许了它的存在,这种天衣无缝甚至带有了一种超自然意味,这就是所谓的“微调论”(fine-tuning)。就算是那些对多重宇宙论持怀疑态度的人也大多支持“微调论”,仅仅认为“微调论”应当有别的理由来解释。然而事实上,宇宙的这种微调性质从未被严格证实,我们甚至还没弄清哪些物理定律对天体物理结构的形成才是不可或缺的,更不要说去寻找生命发生的重要定律了。近期一系列有关恒星演化、核天体物理和宇宙结构形成的研究就告诉我们,“宇宙微调论”可能并不像人们之前所想的那样靠谱,许多不同类型的宇宙都可以支持生命的出现与生存。我们所处的‘这个宇宙’,也许并不像我们所想的那样特殊。

第一类微调性质体现在推动天体运行的自然界基本作用力的强度上。基本相互作用有四种:引力、电磁力、强核力与弱核力,如果电磁力太强,带正电的质子间的相互排斥力将会阻碍天体内核发生核聚变反应,恒星就不再有足够的能量发出耀眼的光芒;可要是电磁力太弱,核反应就会失去束缚——在宏观上体现为星体不能成型,而是爆成一团蔚为壮观的爆发物。而若是引力太大的话,恒星要么塌缩形成黑洞,要么根本就不能将能量释放到外界。

不过若是真的细致推敲这个问题,人们就会发现,其实恒星间的作用力远不像想象中的那么精细——相反,这个数值要随意得多。哪怕电磁力的强度放大或缩小近百倍,也不会让天体运行产生不可兼容的差错;万有引力甚至可以比原来强上100000倍,或者缩小到原来的十亿分之一,而整个宇宙依旧能够运行。天体所能容许的引力和电磁力的强度取决于核反应的速率,核反应的速率又取决于原子核作用力的强弱。如果反应速率很快,那么恒星所能承受的引力和电磁力的强度范围也就越大;反之,这个范围就会变窄。

电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,恒星还需要符合许多其他的约束条件,比方说,它们必须足够热。一颗恒星的表面温度必须高到一定程度,才能为生命所需的化学反应提供足够的起始能量。在我们所处的宇宙中,大多数恒星周围都有处于温度合适的温暖区域(宜居带)的行星,300开尔文左右(二十几摄氏度)的温度就足以支持生命的产生。在电磁作用力更强一些的宇宙中,恒星的温度要低一些,这些地方也就相对较不适宜居住。

恒星的寿命还必须相对较长,因为复杂生命的形成需要庞大的时间跨度。由于生命是由一系列极其复杂的化学反应共同驱动,那么生物演化的时标也就理应以原子的生命周期为标准来设定。在其他宇宙中,考虑到电磁力和其他变量的差异,这个时标时钟的计时速率可能也会有所不同:当相互作用力变弱时,恒星会加速燃烧其储备的核燃料,缩短其生命周期。

最后,也是最基本的条件:在一开始,该恒星所具备的条件必须让其能够成为一颗恒星。星系和恒星最初都是由一团原始气体压缩而成,这团气体必须经历释放能量和冷却的过程。想必聪明的读者已经料到,这个气体的冷却速率还是取决于电磁力的大小,如果电磁力太弱,气体就不能在所需的时间内冷却;相反,它会维持扩张的趋势,拒绝浓缩为星系。还有一个显然的条件:恒星必须比它们之前所处的宿主星系小——不然恒星的形成过程就会变成一个笑话。这一系列效应,为电磁力强度的大小划定了下限。

综上所述,在不妨碍恒星和行星符合上述所有限制条件的前提下,基本作用力的大小可以在几个不同数量级上变化(如图所示),而远非科学家们所想的那样严格精密。

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设定参数范围:即使电磁力或引力比现实情况更强或更弱,宇宙依旧能够适宜生命居住。图中的阴影区域显示了适宜生命存活的参数范围。星形记号表示我们这个宇宙的参数情况;横纵坐标分别以对数形式显示电磁力与万有引力的大小。相关限制参数分别为:能够发生核聚变反应(黑色曲线以下的区域);拥有足够悠久的寿命以让复杂的生命有足够的时间演化(红色曲线以下的区域);足够热,以支持生物圈的形成与存在(蓝色曲线以左的区域);体积不能超过它们所处的星系(蓝绿色曲线以右的区域)。

第二种可能表现微调性质的特性,与碳元素的产生环境有关。大型恒星会在其中心将氢原子聚合为氦原子之后,而后氦原子就成为了恒星的动力来源。经过一系列复杂的反应,氦原子将会生成碳元素和氧元素。由于氦原子核在核物理中的重要地位,人们将其命名为α粒子(alpha particles,卢瑟福就是在用α粒子轰击金箔的实验中发现了原子核)。自然界中最常见的原子核都是由α粒子所构成,例如碳-12可以看做由3个α粒子聚合而成,氧-16可以看做由4个α粒子聚合而成;不过,由两个α粒子所构成的原子核——铍-8——并不在上述行列之中,这当然有一个靠谱的理由:铍-8并不能在我们的宇宙中稳定存在。

铍-8的不稳定性严重制约了碳元素的生成。当恒星将α粒子聚合起来形成铍原子核时,新生成的铍原子核立刻就会分解,重新成为氦原子核(观察上图,此反应发生需要外界对其做功);所以几乎在任何时刻,星核中只有极少数存在时间极短的铍原子。这些数量稀少的铍原子核能够与氦原子核进一步发生反应,生成碳原子核。由于上述成碳过程中有三个α粒子参与反应,这个反应也被称为3氦过程(triple-alpha reaction)。不过,科学家们发现3氦过程的反应速度太慢,根本不足以生成宇宙中已观察到的大量碳元素。

为了解决这个矛盾,物理学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)在1953年预言,碳原子一定在某一特定的能级存在共振态,该共振现象使碳元素生成的反应速率远远超出其理论值,足以解释宇宙中已知碳素的丰度。随后,科学家们也在实验室中在预期的能级观察到了该共振现象。

现在问题来了,在其他宇宙中,基本作用力的强度与本宇宙不同,故发生共振的能级也很有可能发生变化——那么处于该宇宙中的恒星就无法生成足够的碳;如果能级的能量变化超过了4%,那么碳元素的生成就会受到极大的制约。这个问题有时被称作“3氦微调难题”(triple-alpha fine-tuning problem)。

幸运的是,这个问题有一个简单的答案——如果核物理为你关上了一扇门,他可能会为你打开一扇窗:假设宇宙的核物理性质的确发生了巨大的改变,抵消了碳原子的共振现象,那么恭喜你,一旦变化上升到了这个数量级,铍原子核就有一半几率成为稳定的原子核;一旦铍原子核能够稳定存在,那么碳原子核就能通过一种更简单的方法直接由三个α粒子聚合而成(两个α粒子聚合成为铍原子核,铍原子核与另一个α粒子聚合形成碳原子核)。在这种情况下,碳元素的共振态就可有可无了,3氦微调难题也就不攻自破。

第三类可能存在微调性质的问题涉及到了三种仅由两个核子所构成的最简单的原子核:仅含一个质子和一个中子的氘核,仅含两个质子的双质子(diproton),和仅含有两个中子的双中子(dineutron)。在我们所在的宇宙中,只有氘原子核能够稳定存在,氦原子生成反应的第一步就是由两个质子生成氘(全过程见下图)。

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