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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20日 | 作者: Fred Adams | 来源: Natulis
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。

 

-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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不过,后来人们发现,恒星的存在其实极为稳定,它们能够自动调整结构,使自身核燃料的燃烧速率恰好足以提供所需的能量,抵消试图粉碎星体的引力。如果核反应速率较快,恒星就会降低其中心燃烧核燃料的温度,因此总体上来看,这类恒星在其他方面并没有什么与众不同之处。事实上,在我们所在的宇宙就有这样的现象。氘核在强核力的作用下与质子结合形成氦原子核,此反应的截面(可以理解为粒子间发生相互作用的可能性)是普通氢原子聚合反应的10^15倍。尽管这个数字很吓人,但这类恒星依旧愉快地漫游在我们的宇宙,安静地燃烧着氘核供能,因为这类恒星内核的实际温度大约只有100万开尔文左右——正常情况下,如果发生的是普通的氢原子聚合反应,星核的温度则需要达到1500万开尔文。这些依靠氘核提供能量的恒星核心温度更低,体积比太阳更大一些,不过在其他方面与普通恒星并没有多大区别。

 

类似地,就算强核力比原来弱一些,恒星也能在氘核不稳定的情况下继续运行。还有许多其他反应能恒星提供能量,并合成重元素。在恒星形成之初,恒星缓慢收缩,内核温度升高,变得更加紧实,以太阳的输出功率发出亮光。在我们的宇宙中,恒星最终能够获得足够的温度和密度以进行核聚变反应;不过在其他宇宙中,恒星可能会延长收缩过程,通过降低引力势能获得能量。理论上寿命达到极限的这种恒星能以几乎与太阳相当的输出功率闪耀10亿年年,已经长到能够支持可能的生命出现。

 

而对那些质量非常大的恒星来说,收缩进程会加速,最终将会发生一场灾难性的坍缩,坍缩的星体基本上都会成为超新星。它们的中心温度和密度都能达到一个非常的高度,足以推动核反应的燃烧。这类恒星的死亡过程往往伴随着许多不同类型的核反应,在爆炸过程中发生的核形成反应能为宇宙提供重元素核,无需氘核作为中间产物。

 

在这样的宇宙中,一旦通过上述方法生成了微量重元素,之后的恒星就能通过另一条途径完成核燃烧。这个过程被称为碳氮氧循环(carbon-nitrogen-oxygen cycle,简称CNO循环),该循环不需要氘核作为中间产物参与反应,取而代之的是碳原子,碳原子在反应中起到催化剂的作用,加速氦的生成。碳氮氧循环也存在于太阳内部,为太阳提供了一小部分的能量。在氘核不能稳定存在的情况下,碳氮氧循环将会支配整个能量生成的过程,同时该循环也不会妨碍其他的核产能途径。恒星还能通过一种类似于3氦过程(生成碳原子核)的3核子反应(triple-nucleon process)生成氦。总之,就算别的宇宙没有氘核,恒星也还有太多方法获得足够的能量和多种多样的原子核。

 

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第四种微调性质关乎星系和其他宇宙大范围结构的形成。这些结构取决于宇宙形成最早期微小的密度波动。当宇宙降低到某一温度时,由于引力的作用,起初的微小涨落被放大,密度较大的区域最终变成星系和星系团。这种波动的振幅(用Q来表示)在起初通常很小,比如Q等于0.00001。在这种情况下,可以想见,起初宇宙的各处都处于一种非常“平滑”的状态,各处密度、温度和压强之间的差别不超过100000分之几。由此可见,如果Q值发生变化,可能也会对宇宙未来的命运产生极大的影响。

 

如果Q值比现在低,那么宇宙的涨落达到足够的强度以形成天文结构所需的时间就会更长,最终形成的星系密度也将变小。如果星系的密度过小,该星系的气体就无法冷却,这会使星系无法形成银盘(galactic disk),也就无法聚合成恒星。因此,低密度的星系并不能成为生命理想的栖息地。若是再极端一些,如果等待涨落变得显著的时间继续延长,甚至会阻碍星系的成型。宇宙早在40亿年前就开始加速扩散,使物质之间的分离趋势大于聚集趋势,这种现象被归因于谜一般的暗物质。如果Q值过小,那么星系将会需要无比久远的时光才会塌缩;加速的扩散将会发生在星系结构成形之前,抑制星系进一步成长,宇宙将会在还未出现生命和复杂性之前结束。为了逃避这个悲惨的命运,Q值不能小于现在的90%。

 

要是Q值过大呢?可以预见,星系成形得将会更早,密度也会更高。不过这同样会导致糟糕的后果,使宇宙不宜居住。恒星彼此间将会靠得更近,发生更为频繁的相互作用。在这种情况下,它们会把行星甩离绕行轨道,让其冲向太空深处。更可怕的是,由于恒星彼此间的距离非常接近,夜晚时分的星空将会更加明亮——甚至可能比我们现在的白天还要亮。要是星球密度过高的话,加在一起的星光能够将任何宜居行星的海洋蒸干。

 

不过在这种情况下,微调难题本身却不是什么致命的问题了。尽管星系中心的背景辐射大得恐怖,在星系的外围总能找到恒星密度较低的区域,那里的行星能够适宜生命的居住。就算某宇宙的Q值比我们的宇宙大上1000倍,我们依旧能够找到数量可观的合适地点。在这样的星系里,大多数地方的黑夜亮如地球的白昼,而多数行星也不会仅从自己的恒星汲取生存所需的能量,而将依赖所有背景天体放出的光芒,理论上,它们甚至还能脱离自己恒星的轨道,在几乎任意的轨道上运行。在密度涨落更大的宇宙中,哪怕是冥王星都能得到像迈阿密沙滩一样灿烂的阳光。也因如此,如果密度适当,单个星系中的宜居行星数量都能超过我们的银河系。

 

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一个理想星系:上图是一个理想情况下的星系,该星系的初始密度涨落(即Q值)很大,但却可能拥有比银河系数量更多的宜居行星。该星系的中心区域对生命来说太热太亮,行星轨道也并不稳定;但是星系外围却接近太阳系的外围环境。在外围与中心区域之间,行星从背景天体接收到的光能强度类似地球接收到的日光。所以该区域的所有行星,不管其以何种轨道运行,在理论上都是宜居的。

 

总之,哪怕我们的宇宙参数发生了巨大的改变,恒星依旧能够运行,依旧能存在宜居行星。引力可以比现在强1000倍或只有现在的100万分之一,就算变化如此之大,恒星依旧能够燃烧核燃料,寿命悠久;电磁力也能放大或是缩小百倍,核反应也能在多个数量级之间改变,哪怕一种核反应不能进行了,还有多种其他天体物理反应能够生成重元素,为行星和人类的出现提供必要的原材料。我们可以清楚地得出这样的结论:决定天体结构和天体演化的参数并不需要那样精密。

 

意识到我们的宇宙并不像想象中的那样具有严格的精密性质,我们还能说我们所处的宇宙就是最适合生命衍生的宇宙吗?根据我们目前的知识水平,这个答案是否定的。我们随随便便就能举出好几个更好(或说,更符合逻辑)的宇宙,比方说,如果宇宙的起始涨落更大,它如今的密度也更大,能够支持更多的宜居行星;又比方说,倘若在一个宇宙中铍原子核能够稳定存在,就能提供一条能够直通碳元素生成的康庄大道,绕开复杂的3氦过程。尽管人们还没有观测到其他生命的存在,但可以确定的是,宇宙能够通过许多途径来产生足够的复杂性和生命,其中的有些途径甚至比我们现有的途径更加良好。所以一言以辟之,天体物理学家们需要重新思考多重宇宙的真正含义,我们的宇宙或许并不是“增之一分则太长,简直一分则太短”的奇迹般的存在。

 

本文作者:FRED ADAMS是密歇根大学安阿伯分校物理学教授,曾获美国天文学会颁发的海伦·B·华纳天文奖(Helen B. Warner Prize)、国家科学基金会青年研究者奖(NSF Young Investigator Award)、以及由密歇根大学颁发的许多教学类奖项。他也是《宇宙五纪元:隐藏在永恒物理定律之中》(The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity)和《存在起源:生命如何出现在宇宙之中》(Origins of Existence: How Life Emerged in the Universe)两书的共同作者。

 

撰文 Fred Adams

翻译 叶宣伽

审校 丁家琦

 

原文链接:

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

 

 


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