幸运的宇宙,幸运的我们

作者: 布莱恩·施密特

来源: 中信出版社

发布日期: 2018-06-23

文章探讨了宇宙的微调问题,指出宇宙的物理参数必须精确到特定值才能支持生命的存在,并通过质子和中子质量的例子说明了微小改变可能导致的巨大影响。

宇宙就像巴赫的赋格曲一样美丽优雅,时间的节拍器赋予宇宙法则一定的数学精度。这些物理学方程都刚好达到平衡状态,方程中的自然常数的值是经过微调的,这样才能让人类有机会研究这个不同寻常的宇宙。假设稍微改变一下这些常量的值,宇宙瞬间就不再有原子存在,也无法形成行星了。看来,我们能生活在这个宇宙中真是太幸运了。

无论你是不是科学家,都不影响你欣赏美丽的夜空,但宇宙远不只是美丽那么简单。科学家的目标就是揭示大自然内部的工作机制,以及影响宇宙各个部分的运动及相互作用方式的法则和性质。

科学经过几个世纪的发展,已经解决了很多有关宇宙基本力和基本构成的问题,但它现在正面临着一个看似简单的问题,而这个问题的答案可能会完全颠覆我们对于物质世界的看法。这个问题就是:“为什么我们会存在?” 换句话说,为什么宇宙刚好适合有智慧的复杂生命产生呢?

或许你会想:我们的宇宙(或者至少是我们所在的这一部分)当然是适合人类生存的……我们就住在这里,不是吗?但是,当你仔细思考这个问题的时候,就会发现我们的存在依赖于一些非常奇怪的巧合。它要求非常特定的物理定律。例如,它要求引力的运作方式正好能够使恒星诞生,并使行星围绕着它们旋转;它要求核物理发生作用,因此恒星才能够燃烧;它要求电磁学和量子力学的法则必须就是现在的样子,这样才能产生原子、分子以及我们。

在烘焙蛋糕前,你首先需要拿出一本你最喜欢的烹饪书,找到告诉你如何把原料变成美味蛋糕的一系列说明。接下来,你按照顺序添加原料,把它们搅拌均匀。然后放进烤箱烤一个小时,最后拿出来冷却。你知道,尽管食谱上说加56克面粉,但稍多一点儿或者稍少一点儿都不会影响蛋糕的品质。然而,如果你加了112克面粉,而其他所有原料的量保持不变,你烤出来的就可能是一个失败的作品。加入过多的盐也会毁掉蛋糕的口感。

当然,你可以把所有原料都加倍,烤的时间稍长一点儿,就能烤出两倍大的蛋糕!

所以,蛋糕食谱多多少少是经过微调的。你可以略微调整每一种原料的用量,最终也能烤出美味的蛋糕。你也可以按比例增加或者减少所有原料的用量,只要适当调整烹饪时间,就不会有什么问题。但是,如果偏差过大,你做的蛋糕可能就没办法吃。当然如果你不按顺序烘焙,那么你做出来的蛋糕也很有可能没办法吃。

那么,宇宙也是这样吗?

显然不是,如果支配宇宙的那些参数或物理定律哪怕发生小小的改变,也会产生意想不到的结果!这样的例子有很多,下面我只简单的描述其中一个。这个例子跟质子和中子的质量有关。中子比质子只重那么一点点,准确的说是0.1%。现在,假设我们稍微改变质子的重量,使它比中子更重,那么会发生什么呢?如果按照烘焙蛋糕的思路,或许你会认为这么一丁点地改变应该无伤大雅,宇宙看起来应该跟现在差不多。

但事实上,即使是这微小的改变,也会导致惊人的结果。

要理解改变的后果,我们得先知道三件简单的事实:当宇宙还很年轻的时候,只有氢原子核和氦原子核遍布整个宇宙。氢原子包含了一个质子,氦原子则包含了两个质子和两个中子。它们在宇宙大爆炸后的3分钟内被创造出来。虽然原子核在3分钟内产生,但要形成原子却需要更久的时间,这大约发生在宇宙诞生的38万年后。裸露的质子最终会成为氢原子,并存在非常久的时间。

一个孤立的中子会在大约15分钟内衰变成质子和其它粒子,但质子的寿命却似乎是无限长的。之所以是中子衰变成质子,而不是反过程,是因为中子比质子重。

而如果我们把质子和中子的质量互换会发生什么?质子就会在约15分钟衰变成中子和其它粒子。因此,本来预期在宇宙诞生的38万年后质子会和电子结合成氢气,结果是质子全部衰变了。也就是说,不会有氢原子的产生。

其结果是,引力仍然会吸引中子将它们聚在一起,但恒星再也不会像现在我们看到的那样燃烧。没有氢,化学也肯定会非常不同。只是简单的将质子和中子的质量对调,整个宇宙就会截然不同。当然,地球上丰富多彩的生命形式都将不复存在。

这仅仅是一个例子显示了微小的改变就可以导致巨大的变化。这便是当下十分流行的“宇宙微调论”,也就是说,那些已知的物理参数,如果它们的值不是精确地是它们现在这个值,那我们就不会存在。于是,我们遇到了一个难题。在充满无限可能的海洋中,为什么我们的宇宙生来就有适合生命起源的条件呢?在《幸运的宇宙》这本书,你将找到这个问题的答案。

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