尋找外星人應該去平行宇宙

在典型的好萊塢動作大片里，主角總能死裡逃生：一次又一次，成群結隊的壞蛋把他圍在中間，從多個角度向他射擊，但總是會偏那麼一點兒；汽車爆炸也總是會慢上半拍，讓他在被火球吞沒之前能找好掩護；終於，壞蛋的刀架上了他的脖子，就要割斷喉管，他的朋友們又在千鈞一髮之際出現。如果以上情節中有任何一環出了差錯，這位英勇無比的主角就只能跟觀眾「拜拜」了。不過，就算以前沒看過這類電影，我們也一定知道，主角總是能夠活到最後一刻。從某些角度上來講，我們這個宇宙的演化過程就是一部好萊塢動作大片。

到宇宙之外尋找外星生命一些物理學家主張：物理學定律中的任何一條如果稍有不同，都會造成某種災難，中斷宇宙的正常演化過程，我們人類也就根本不可能出現和存在。如果強核力（strong nuclear force，令原子核結合在一起的那種作用力）稍強或者稍弱一些，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（proton）的質量比現在只多0.2%，大爆炸後形成的所有原初氫原子都會在幾乎一瞬間衰變成中子（neutron），不會有任何原子在宇宙中形成。這樣的例子還有很多。如此看來，物理學定律——特別是這些定律涉及的自然常數，比如基本作用力強度等，似乎經過了某種精細的「微調」，恰到好處地使我們有可能存在於這個宇宙當中。20世紀70年代，一些物理學家和宇宙學家試圖著手解答這一難題，為了不求助於某種超自然解釋（這裡的「超自然」是指按照定義不屬於科學範疇以內的事物），他們假設我們的宇宙只是許許多多現存宇宙中的一個，每個宇宙都各自擁有一套不同的物理學定律。根據這種「人擇」（anthropic）式的推理，我們或許只是恰好處在這麼一個罕見的宇宙當中——在這裡，適宜的條件碰巧組合在一起，讓生命有可能存在。

多重宇宙令人驚奇的是，20世紀80年代開始浮現的現代宇宙學主流理論暗示，這樣的「平行宇宙」或許真的存在——確切地說，許多宇宙可以不斷地從原初真空中突然出現，過程就像我們的宇宙從大爆炸中誕生一樣。我們的宇宙應該只是一個被稱為「多重宇宙」（multiverse）的更廣闊區域中許多個孤立宇宙中的一個。在絕大多數孤立宇宙當中，物理學定律或許連物質都不允許形成，更不用說星系、恆星、行星和生命了。不過，考慮到「小」宇宙龐大的數量，大自然應該有機會拼湊出這套「正確」的宇宙學定律——至少蒙對過一次。不過，我們的最新研究暗示，假設其他孤立宇宙果真存在的話，其中一些宇宙或許並不會如此毫無生機。值得注意的是，我們已經找到了幾組不同的基本常數取值，因而也就找到了幾套不同的物理學定律，它們或許仍然能夠產生出非常有趣的世界，甚至生命。我們的基本想法是，改變現在這套自然規律中的某一方面，然後再改變其他方面加以補償。我們的研究並沒有解決理論物理學中最重要的「微調」問題：「宇宙學常數」（cosmological constant）為何如此之小——正是由於宇宙學常數很小，我們的宇宙才沒有在大爆炸後不到一秒的時間裡重新坍縮回虛無，也沒有在某種以指數方式加速的膨脹中被撕成碎片。儘管如此，有可能適宜生命生存的其他宇宙樣品的發現，仍然提出了許多有趣的問題，並激勵我們進一步研究我們自己的宇宙到底有多麼獨特。

剔除弱核力我們宇宙中的4種基本作用力並非缺一不可：就算剔除了弱核力，一些宇宙中或許仍然可以形成能夠發光發熱的恆星。要確定自然界中某一特定常數是否經過微調，科學家採用的常規方法是，把這個「常數」變成一個可調的參數，在其他常數不變的情況下改變它的取值。接下來，根據這套經過修正的物理學新定律，科學家會展開計算，進行假設情景分析，或者運行計算機模擬程序，來「播放」宇宙演化這部「好萊塢大片」，看看什麼樣的災難會最先發生。但是，沒有任何理由規定，科學家一次只能調整一個參數。這種情景就像只允許你改變經度或緯度、而不能同時改變兩者來駕駛一輛汽車一樣：除非你是在東西或南北方向延伸的公路上開車，否則肯定會一頭衝出路邊。實際上，我們完全可以一次調整多個參數。為了尋找仍然能夠形成複雜結構以維持生命生存的其他物理學定律，本文作者之一佩雷斯及其同事並沒有在已知物理學定律的基礎上「小打小鬧」，而是直接在自然界已知的4種基本作用力中剔除了一種。從名稱中的「基本」二字來看，對於任何有存在意義的宇宙，基本作用力似乎都是必不可少的特徵。沒有強核力把夸克 （quark）「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（electromagnetic force），宇宙中就不會有光，也不會再有任何原子和化學鍵（chemical bond）。沒有引力，物質就不會聚集形成星系、恆星和行星。第4種基本作用力是弱核力（weak nuclear force）。在如今的日常生活中，它的存在已經變得可有可無，但在我們宇宙的演化歷史上，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（最早出現的物質形式之一）3個一組結合成質子和中子［兩者被統稱為重子（baryon）］，而後質子4個一組再聚變成由2個質子和2個中子構成的氦4原子核。這個過程被稱為「大爆炸核合成」（big bang nucleosynthesis），發生在我們這個宇宙誕生之初的幾秒鐘內——當時的宇宙已經冷卻到了重子能夠形成的地步，但仍然熾熱得足以讓重子發生核聚變反應。大爆炸核合成產生了氫和氦，這些氣體後來聚集形成恆星，恆星內部的核反應及其他過程「鍛造」出了自然界中天然存在的幾乎所有其他元素。直到今天，4個質子聚變成氦4的核反應仍在太陽內部發生著，我們從太陽上接收到的絕大多數能量都是這種核反應產生的。剔除弱核力，要求對所謂的粒子物理學「標準模型」（Standard Model，一種描述除引力外所有作用力的理論模型）進行若干修正。這個研究團隊證明，經過這樣的修正之後，其他3種作用力的性質，以及夸克質量之類的其他關鍵參數，都與我們這個宇宙完全一樣。我們必須強調，這種做法是一種保守的選擇，是為了方便計算這個宇宙會如何演化。其他各式各樣的無弱核力宇宙也很可能適宜生命生存，只不過看上去會跟我們的宇宙完全不同。在這個無弱核力的宇宙當中，質子聚變成氦這種常見核反應將不可能發生，因為該反應要求有2個質子轉變成中子。但是，創造元素還可以通過其他途徑。比方說，在我們的宇宙中，物質的數量遠遠超過了反物質，但只要對控制正反物質對稱性的參數稍加改動，就足以確保大爆炸核合成能夠產生出大量的氘核。氘（deuterium），又被稱為重氫或氫2，是氫的一種同位素，原子核中除了通常的一個質子以外，還多出一個中子。這樣一來，通過一個質子加一個氘核聚變成一個氦3（由2個質子和一個中子構成）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，尺寸也要小一點。根據美國普林斯頓大學天體物理學家亞當·伯羅斯（Adam Burrows）的計算機模擬，這種恆星可以持續「燃燒」大約70億年（與太陽目前的年齡相當），能量輻射率只比太陽低幾個百分點。

從恆星到生命沒有了弱核力，超新星依然可以將恆星合成的新元素撒播到星際空間，形成新一代恆星和行星，再通過類似於我們宇宙中化學反應的過程，創造出類似的生命。就像我們宇宙里的恆星一樣，無弱核力的恆星也能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（原子核中含有26個質子）。不過，在我們的宇宙里，能夠合成比鐵更重元素的典型核反應不會在恆星內部發生，主要原因在於，基本上已經沒有多餘的中子能夠被原子核俘獲，使它變成更重的同位素了——而這恰恰是形成更重元素的第一個步驟。在無弱核力恆星的內部，其他機制或許可以形成比鐵更重的元素，一直到鍶（原子核中含有38個質子），但數量極少。在我們這個宇宙里，超新星爆炸會把新合成的元素散入太空，同時爆炸本身也會合成更多元素。超新星可以分為以下幾類：一類由超大質量恆星的引力坍縮引起，另一類則是恆星吸積了太多物質觸發熱核爆炸（thermonuclear explosion）所致。在前一類超新星中，大量向外輻射的中微子（neutrino）把能量從恆星核心處傳遞出來，「驅動」激波（shock wave）把整顆恆星炸個粉身碎骨。這些中微子正是通過弱核力相互作用產生的，所以很明顯，在沒有弱核力的宇宙里，這類超新星會變成「啞彈」。但後一類超新星仍然能夠爆發。因此，元素可以被分散到星際空間，在那裡聚集形成新的恆星和行星。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，它到主星的距離就只能是日地距離的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」看上去要大得多。無弱核力的「地球」在其他一些方面也和我們的地球有著天壤之別。在我們的地球上，板塊構造和火山活動都是由地球內部鈾和釷的放射性衰變驅動的。沒有了這些重元素，一顆典型的無弱核力「地球」的地質結構應該會相當無趣，不存在任何特徵——除非引力過程能夠提供其他熱源，就像木星和土星通過潮汐作用加熱它們的許多顆衛星一樣。相反，這個無弱核力宇宙中的化學過程應該跟我們的宇宙非常相似。有一點不同：那裡的元素周期表上最後一號元素應該是鐵，其他更重的元素含量極少，幾乎可以忽略。不過，這一限制應該不會阻礙與我們已知生命形式類似的生命在這個宇宙里誕生。如此看來，就算一個宇宙只有3種基本作用力，也可以成為適宜生命生存的地方。本文另一位作者詹金斯和同事也在尋找其他適合生命生存的物理學定律。他們採用了另一種方法：沒有去考慮無弱核力的宇宙，而是對標準模型進行細微改動，只不過他們每一次改動的參數都不止一個。2008年，這個團隊研究了這樣一個問題：在保證有機化學過程仍然能夠發生的前提下，6味夸克中的3味輕夸克［分別是上夸克（up）、下夸克（down）和奇異夸克（strange）］的質量可以在什麼樣的範圍內變動？夸克質量的改變將不可避免地影響有哪些重子和原子核能夠穩定存在而不會迅速衰變。反過來，原子核的不同 「混搭」方式又將影響化學過程。

夸克化學在夸克質量與我們不同的一些宇宙里，原子核甚至都不由質子和中子構成，但有機化學過程依然能夠發生，有可能形成與我們類似的生命。要想進化出智慧生命（如果跟我們不是相差特別大的話），某種形式的有機化學過程就必不可少，這樣的說法似乎是有道理的。根據定義，所謂的「有機」化學是指，這些化學過程中涉及碳元素。碳的化學性質源於這樣一個事實：碳原子核擁有6個正電荷，因此一個中性碳原子里有6個電子圍繞在原子核周圍。這些性質讓碳能夠形成種類極其繁多的複雜分子。此外，為了讓複雜的有機分子能夠形成，化學性質類似氫（1個正電荷）和氧（8個正電荷）的元素也必須存在。接下來，為了確定這些元素能否維持有機化學過程，這個研究團隊必須計算，擁有1個、6個或8個正電荷的原子核是否會在它們有機會參與化學反應之前就發生放射性衰變。原子核是否穩定，部分取決於它的質量，而原子核質量又取決於構成它的重子的質量。哪怕是在我們自己的宇宙里，根據夸克的質量來計算重子和原子的質量也是一項極其艱巨的挑戰。不過，對夸克之間相互作用的強度進行微調之後，科學家可以利用我們宇宙中測量得到的重子質量，來估算夸克質量的微小改變會如何影響原子核的質量。在我們這個宇宙里，中子比質子重了大約0.1%。如果改變夸克的質量，讓中子比質子重2%以上，碳和氧的所有同位素都將不可能長時間穩定存在。

如果微調夸克的質量，讓質子變得比中子還重，氫原子核中的那個質子就會俘獲周圍的電子並轉變成中子，這樣一來，氫原子就沒辦法長期存在。不過，氘或氚（氫3）或許仍可保持穩定，氧和碳的某些同位素應該也能穩定存在。事實上我們發現，只有當質子比中子重1%以上時，氫的穩定同位素才會不復存在。如果用氘（或氚）替代氫1，海洋就將由重水構成。跟普通的水相比，重水的物理和化學性質存在細微的差別。不過看起來，在這些宇宙中進化出某種形式的有機生命，應該不會遇到什麼根本性障礙。在我們這個宇宙里，質量由輕到重排在第三位的夸克——奇異夸克，因為過於「沉重」而無法參與核物理過程。不過，如果把它的質量減到現有質量的1/10以下，原子核可能就不光是由質子和中子構成，或許還會有一些包含奇異夸克的其他重子。舉例來說，這個研究團隊分析過這樣一個宇宙：上夸克和奇異夸克的質量大致相同，下夸克則要輕得多。這樣一來，構成原子核的就不再是質子和中子，而是中子和另外一種重子——所謂的「西格馬負超子」（Σ–，sigma minus）。值得注意的是，即便是這樣一個完全不同的宇宙，也可以存在氫、碳和氧的穩定同位素，因而可以發生有機化學過程。至於這些元素能否在這些宇宙里大量形成，足以讓生命在某個地方誕生並開始進化，仍是一個需要解答的問題。不過，如果生命能夠誕生，它將又一次十分巧合地跟我們宇宙里的生命非常類似。這樣一個宇宙里的物理學家或許會困惑於一個事實——為什麼上夸克和奇異夸克的質量幾乎一模一樣。他們甚至會猜想：這種令人驚嘆的巧合可以用人擇原理來解釋，因為這是有機化學過程發生的必要條件。然而我們知道，這種解釋是錯誤的，因為在我們這個宇宙里，儘管上夸克和奇異夸克的質量完全不同，有機化學過程一樣能夠發生。相反，如果一個宇宙中的三味輕夸克擁有大致相同的質量，有機化學過程很可能就不會發生了：任何攜帶多個電荷的原子核都會在幾乎一瞬間衰變消失。可惜的是，對於一個物理參數與我們不同的宇宙來說，詳細描述它的演化過程非常困難。這個問題還需要進一步研究。弦景觀存在其他適宜生命生存的宇宙，並沒有降低多重宇宙存在的可能性。在某種程度上，弦論的一些觀點甚至驗證了多重宇宙的存在。一些理論物理學家已經把「微調」問題當成是多重宇宙的間接證據。那麼，我們的發現是否對多重宇宙的概念提出了質疑呢？答案是否定的，理由有兩條。第一條理由來自觀測，還要結合一些理論。天文學數據強有力地支持了這樣一個假說：我們的宇宙最初只是一塊極小的時空區域，大小或許只有一個質子的十億分之一，隨即經歷了一個指數式高速膨脹階段，被稱為「暴漲」（inflation）。宇宙學中目前還找不到一個明確的暴漲理論模型，但理論暗示，時空中的不同區域都能以不同的速率發生暴漲，每個區域都可以膨脹成一個「口袋」，成為一個真正意義上的宇宙，由於各自不同的自然常數而變得各具特色。這種「口袋」宇宙之間的空間應該會持續膨脹，速度快得驚人，以至於就算用光速傳播，信息也不可能從一個「口袋」傳遞到另一個「口袋」。猜測多重宇宙應該存在的第二條理由是，有一個參數似乎被「微調」到了令人髮指的程度。這個參數就是宇宙學常數（cosmological constant），代表著真空中所蘊藏的能量總量。量子物理學預言：就算空間中空無一物，裡面也必定包含有能量。愛因斯坦的廣義相對論要求，所有形式的能量都必須施加引力。如果這種能量是正的，它就會驅動時空以指數方式加速膨脹。如果它是負的，宇宙就會在一場所謂的「大反衝」（big crunch）中重新坍縮。量子論似乎暗示：宇宙學常數不論正負都應該非常巨大，以至於宇宙應該只有兩條出路可選——要麼空間膨脹過於迅速，連星系之類的結構都沒有機會形成；要麼宇宙在形成之後不到一秒的時間內重新坍縮。為什麼我們的宇宙避開了這兩種災難性結局？一種解釋是，宇宙學方程中還有另外一項，恰好抵消了宇宙學常數的作用。問題在於，這一項必須經過異常精準的「微調」——哪怕是小數點後第100位上的數字出現一絲偏差，都會致使宇宙中形成不了任何有意義的結構。1987年，美國得克薩斯大學奧斯汀分校的理論學家、1979年諾貝爾物理學獎得主史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）提出了一種「人擇式」的解釋。他計算出了適宜生命生存的宇宙學常數取值的上限。超過這一上限，空間膨脹速度就會過快，導致這個宇宙形成不了生命所需的結構。這樣一來，從某種程度上講，我們自身的存在就預言了宇宙學常數不會太大。到了20世紀90年代末，天文學家發現宇宙確實在加速膨脹，推動力來自於神秘的「暗能量」（dark energy）。觀測得到的加速度暗示，宇宙學常數是正的，而且很小，處在溫伯格預言的取值範圍以內——這意味著暗能量極為稀薄。由此可見，宇宙學常數似乎被「微調」到了令人髮指的程度。不僅如此，我們的研究團隊在分析弱核力和夸克質量時採用的那些方法，在分析宇宙學常數的取值時似乎無法奏效，因為要找到一個宇宙學常數遠遠大於我們的觀測值、並且適宜生命生存的宇宙似乎是不可能的。在一個多重宇宙當中，絕大多數的宇宙可能都擁有一個導致任何結構都無法形成的的宇宙學常數。打一個跟好萊塢動作大片相反、卻更加現實（或許還有一絲殘酷）的比方——有成千上萬人艱難地跋涉在一片巨大沙漠之中，少數活著逃出沙漠的幸運兒或許會講述他們扣人心弦的傳奇故事，包括與毒蛇遭遇時的殊死搏鬥，還有其他與死神擦肩而過、危險到似乎不太真實的遇險經歷。這些故事的驚險程度絲毫不亞於好萊塢動作大片，並不是因為講述者像電影主角一樣擁有不死之身，而是因為那些不幸的人根本不可能走出沙漠講述他們的經歷。源自於弦論（string theory）的一些理論觀點，似乎驗證了上述情景。這些觀點提出，在暴漲期間，宇宙學常數及其他一些參數實際上可以在無限多個不同的範圍內取值，這些取值範圍被稱為「弦景觀」（string theory landscape）。不過，我們的研究確實對人擇原理（至少是對除宇宙學常數以外的人擇原理）的有效性提出了質疑。這些研究還提出了一些重要的問題。比方說，如果生命真的可以在無弱核力的宇宙中存在，那我們這個宇宙中又為什麼會有弱核力？事實上，粒子物理學家認為，從某種程度上來講，我們宇宙中的弱核力還不夠弱。在粒子物理學標準模型看來，弱核力的測量值似乎強得有些「離譜」。因此，一些理論學家預期，大多數宇宙中的弱核力應該都非常微弱，以至於幾乎不產生任何效果。如此看來，真正的挑戰或許是要解釋，為什麼我們沒有生活在一個無弱核力的宇宙當中。最終，只有在更加深入地了解這些宇宙如何誕生之後，我們才能回答諸如此類的問題。確切地說，我們或許會發現一些更加基本的物理學原理，暗示大自然對某幾套物理學定律的偏愛遠勝於其他。我們或許永遠也找不到其他宇宙存在的直接證據，當然也永遠不可能去造訪另一個宇宙。但是，不論多重宇宙到底存在與否，只要我們想理解自己在多重宇宙中所處的真正位置，了解更多有關其他宇宙的信息或許都是有必要的。本文作者亞歷杭德羅·詹金斯是哥斯大黎加人，在美國佛羅里達州立大學的高能物理組工作，先後畢業於美國的哈佛大學和加州理工學院，曾在美國麻省理工學院與鮑勃·賈菲（Bob Jaffe）和伊塔馬爾·金奇（Itamar Kimchi）一起研究其他的宇宙。吉拉德·佩雷斯是以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所的理論學家，於2003年在該研究所獲得博士學位。在美國勞倫斯伯克利國家實驗室工作期間，他與美國斯坦福大學的羅尼·豪爾尼克（Roni Harnik）和俄勒岡大學的格雷厄姆·D·克裡布斯（Graham D. Kribs）一起探索過多重宇宙。他還在美國石溪大學、波士頓大學和哈佛大學擔任過訪問學者。本文譯者虞駿博士，曾在中國科學技術大學和南京紫金山天文台研究宇宙學及大尺度結構，《環球科學》資深編輯。
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