宇宙並沒有「微調」得那麼精確

（本文由 Nautilus 授權轉載，譯/瑪雅藍）在生命出現之前，一定存在著結構。我們的宇宙在它的早期就合成了原子核，這些原子核捕獲電子，形成了原子。原子聚集起來，形成了星系、恆星和行星。最後，生命有了家的港灣。我們想當然地認為是物理學定律讓這些結構得以形成，但事情並不見得是必然如此。

在過去幾十年中，許多科學家辯稱，只要物理規律有哪怕一點點的不同，宇宙就不會形成任何複雜結構。然而與此同時，宇宙學家開始意識到，我們的宇宙也許不過是多重宇宙的一個組成部分，而多重宇宙是許許多多宇宙的組合，構成了一個更大的時空。其他宇宙的存在為物理規律的微調提供了一個誘人的解釋。不同宇宙有不同的物理規律，而我們之所以生活在一個允許觀察者存在的宇宙，是因為我們無法生活在別處。

參數的設定：即使電磁力或萬有引力比現實更強或者更弱，宇宙中也會有生命存在。圖中陰影區域展示了可允許生命存在的參數值範圍，星號代表我們的宇宙中的參數值，而坐標軸參照這些值進行標度。限制條件包括：恆星必須能夠發生核聚變（在黑色曲線之下）；恆星壽命需要足夠長到可以演化出複雜的生命（紅色曲線以下）；溫度足夠高，以支持生物圈的存在（藍色曲線左側）；不能膨脹太大長出所屬的星系（藍綠色曲線右側）。圖片來源：Fred C. Adams

天文物理學家一直在討論微調（fine-tuning），導致許多人理所當然地認為我們的宇宙超乎尋常地適合複雜結構出現。即使懷疑多重宇宙的人也接受微調，他們只是認為一定存在其他的解釋。但實際上，微調從未被嚴格證明。我們實際上並不知道哪些物理定律是天體物理結構的發展所必需的，哪些又是生命的產生所必需的。近來關於恆星演化、核天體物理學和結構形成的研究顯示，微調理論並沒有先前預想的那麼有說服力。有許許多多可能的宇宙都能支持生命，我們的宇宙並不像看上去那麼特別。

微調的第一種類型，涉及運行中恆星上的自然基本相互作用力的大小。如果電磁力過強，質子之間的靜電排斥會關閉恆星內部的核聚變，讓恆星無法發光。如果電磁力太弱，核反應就會失控，導致恆星劇烈爆炸。如果引力太強，恆星要麼坍縮成黑洞，要麼永遠不會發光。

但是，如果更仔細地進行測試，就會發現恆星極其頑強。電磁力的強度得增強到一百倍或縮減到百分之一，才會讓恆星的運轉受影響。至於引力作用，強的一頭要達到正常水平的100000倍，弱的一頭更是要減弱到正常水平的十億分之一。引力和電磁力所允許的強度範圍取決於核反應速率，這進而又取決於核力。如果核反應速率更快一些，恆星甚至能在一個更大的引力和電磁力變化範圍中運轉。核反應速度減慢則會讓這個範圍縮小。

除了這些最基本的運轉要求之外，恆星還必需滿足一系列其他限制條件，這進一步縮小了各種力的允許強度範圍。星星必須很熱：它的表面溫度要很高才能驅動生命所必需的化學反應。在我們的宇宙中，大多數恆星周圍都有一大片區域，其中的行星溫度在300開爾文左右，足以支持生命的存在。在電磁力更強的宇宙中，恆星溫度更低，也就不那麼宜居。

恆星的壽命還必需足夠長。複雜的生命形式需要經過極其漫長的時間才能演化出來。由於生命是靠一套複雜的化學反應所驅動的，生命演化的基本時間表取決於原子的時間尺度。在其他的宇宙中，原子鐘擺動的速度各不相同，取決於電磁力的強度，而這種變化也要納入考慮。電磁力更弱的時候，恆星就會更快地燃燒它的核燃料，壽命也因此縮短。

最後，恆星至少必須要能夠形成。為了讓星系和隨後出現的恆星從原始氣體中形成，氣體必須能夠損失能量，冷卻下來。冷卻速率（再一次）取決於電磁力的強度。如果電磁力太弱，氣體冷卻的速度太慢，就會停留在彌散的狀態，而無法凝結成星系。恆星還需要比宿主星系小，否則恆星就難以形成。這些影響對電磁力的下限增加了新的限制。

綜上，基本相互作用力的強度可以發生多個數量級的變化，而行星和恆星仍然能夠滿足圖中所有的限制條件（如下圖所示）。這些力的微調程度，遠沒有許多科學家所認為的那樣「微」。

第二種可能的微調涉及碳的形成。當較大的恆星在核心處將氫聚變成氦之後，氦就成了燃料。又經過一系列複雜的反應，氦燃燒形成碳和氧。由於氦原子核在核物理中的重要作用，它得到了一個特別的名字：α粒子。最常見的那些原子核分別由一、三、四、五個α粒子構成。由兩個α粒子構成的原子核鈹8明顯缺失，理由很充分：它在我們的宇宙中不穩定。

鈹的不穩定極大地制約了碳的形成。一旦恆星使氦原子核聚變形成鈹，鈹原子核就幾乎立刻衰變成原先的組成成分。在任何一個給定的時間點，恆星核心都含有少量但轉瞬即逝的鈹。這些罕見的鈹原子核可以與氦反應生成碳。因為這一過程最終需要三個氦原子核，它被叫做3氦反應（triple-alpha reaction）。但在我們的宇宙中，這一過程過於緩慢，不足以產生可被觀測的足量的碳。

為了解決這一矛盾，1953年，物理學家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）預測，碳原子一定在某個特定能量水平具備共振態，就像一個用特定的音調發聲的小鈴鐺。由於這種共振的存在，碳的形成的反應速率比共振不存在時要大得多，足以解釋我們所在宇宙中豐富的碳的由來。這種共振態後來在實驗室中被觀測證實，符合所預測的能量水平。

令人擔憂的是，在其他的宇宙中，隨著力的強度發生變化，這種共振態的能量也會有所不同，那麼恆星可能無法產生足夠的碳。如果能級的改變達到4%以上，碳的形成就會受到影響。這個問題有時也被稱為3氦微調問題（triple-alpha fine-tuning problem）。

好在這個問題有一個簡單的答案。核物理每關上一道門，就會打開一扇窗。假設核物理髮生了改變，足以令碳共振失效。在這樣可能的改變中，大約一半的情況同時也會產生副作用——使鈹變得穩定，因此共振的損失就變得無關緊要。在這樣的平行宇宙中，碳將以一種更符合邏輯的方式形成，即三個α粒子依次聚集。氦聚變產生鈹，鈹再和另一個α粒子發生反應形成碳。原來並不存在微調問題。

圖片來源：Jackie Ferrentino

潛在的微調問題的第三個方面，涉及由兩個粒子組成的最簡單的原子核——氘核（由一個質子和一個中子組成）、雙質子（由兩個質子組成）和雙中子（由兩個中子組成）。在我們的宇宙中，只有氘是穩定的。氦的形成的第一步就是將兩個質子合成氘。

如果強核力再強一些，雙質子就會穩定存在。在這種情況下，恆星就能利用最簡單、最快的核反應產生能量，即將質子合成雙質子，最終產生氦的其他同位素。有觀點稱這會讓恆星以災難般的速度將核燃料燃燒殆盡，導致恆星壽命過短，無法形成生物圈。反之，如果強力再弱一些，氘就會變得不穩定，這條合成重元素的必經之路將被堵死。許多科學家推測，如果缺乏穩定的氘，宇宙中將沒有任何重元素存在，而這樣一個宇宙是無法產生複雜性和生命的。

然而事實上，恆星是非常穩定的存在。它們的結構會自發進行調整，以用合適的速率燃燒核燃料，避免在自身重力作用下坍塌。如果核反應速率增大，恆星會以較低的中心溫度燃燒核燃料，但除此之外並沒有太多的不同。實際上，我們的宇宙中就存在這種行為。在強力下，氘原子能與質子結合形成氦原子核。這個反應的「反應截面」，即一個反應發生的概率，是普通的氫聚變反應的數千萬億倍。雖然如此，我們的宇宙中的恆星都會用一種相對平穩的方式燃燒氘。氘星的核心的反應溫度大約在一百萬開爾文，而要在普通的環境中發生氫聚變需要1500萬開爾文。這些燃燒氘的恆星的核心溫度更低，體積比太陽略大，但其他方面並無特殊之處。

相似地，如果強核力更弱，恆星也能在沒有穩定的氘的情況下繼續運轉。恆星可通過多個不同過程產生能量和合成重元素。在生命的第一階段，恆星緩慢收縮，核心變得更熱、密度更大，並以和太陽相近的輸出功率發光。我們的宇宙中的恆星最終會達到足以激發核聚變的溫度和密度，但在平行宇宙中，它們可以繼續這一收縮過程，並通過損失重力勢能的方式產生能量。壽命最長的恆星可用與太陽相當的功率持續發光長達十億年，這或許足以讓生命演化發生。

對於足夠大的恆星，這一收縮過程會加速，並導致一場災難式的坍縮。這些恆星最終基本都會變成超新星，它們的核心溫度和密度會大大增加，足以引發核反應。在這些恆星的死亡過程中會發生多種類型的核反應。即使沒有氘，這種爆炸性的核合成也能為宇宙提供重原子核。

一旦這樣的一個宇宙中產生了痕量的重元素，新出現的恆星就有了另一種可選的核燃料。這一過程叫做碳-氮-氧循環（carbon-nitrogen-oxygen cycle），它不需要以氘作為過渡狀態。碳起到了催化劑的作用，促進了氦的產生。這一循環發生在恆星的內部，提供了恆星總能量的一小部分。在缺乏穩定的氘的情況下，碳-氮-氧循環將主導能量的產生。核能產生的選擇還不止這一個。恆星還能通過3核子過程（triple-nucleon process）產生氦，這一過程與合成碳的3氦過程有些相似。因此，在平行宇宙中，恆星可以通過許多方式來產生能量和複雜的原子核。

微調問題的第四個方面涉及星系和其他大尺度結構的形成。這些結構是在宇宙誕生的早期，由密度的微小漲落催生的。隨著宇宙冷卻到一定程度，在重力的作用下，這些漲落開始增強，密度較大的區域最終形成了星系和星系團。漲落的振幅一開始很微小，衡量其程度的量——Q值——為0.00001。因此，原初宇宙極其均勻：從最緻密的區域到最稀薄的區域，密度、溫度和壓力的最大差異不過十萬分之幾。Q的值代表了宇宙微調的另一個可能的參數。

如果Q值再低一些，漲落就需要花更長的時間才能達到足夠的強度，以形成宇宙結構，並且星系將具有較小的密度。如果星系的密度太小，其中的氣體就無法冷卻。氣體甚至有可能無法凝結成星系盤或聚合形成恆星。低密度的星系對生命來說並非適宜的居住地。更糟的是，如果延遲時間太長，星系可能甚至無法形成。從40億年前開始，宇宙開始加速膨脹，並以超過物質合併的速度將物質拉開。這種速度的增加通常導致了神秘的暗能量的產生。如果Q值太小，星系坍縮所需要的時間就可能過長，來不及在宇宙開始加速膨脹之前完全形成，並且進一步的生長也可能受到抑制。這樣的宇宙可能始終不會出現複雜性和生命。為了避免這樣的命運，Q的值不能縮小超過十分之一。

如果Q值更大將會如何？星系將更早形成，其密度也會更大。這也對宇宙的宜居性造成了威脅。恆星之間的距離會大大縮小，並且相互作用會更加頻繁。在這種情況下，它們可能會將行星狠狠拋出軌道，扔進深空中。並且，由於恆星之間離得更近，夜空也會變得更明亮，甚至有可能如同白晝。如果天空中的恆星過於密集，這些恆星的光聚在一起，足以讓任何一個宜居行星上的海洋沸騰。

「What if」之星系版：在一個最初密度漲落較大的宇宙中形成的星系可能比我們的銀河系還要宜居。它的中心區域對於生命來說太亮、太熱，行星軌道也不穩定，但外圍區域將與太陽系周邊區域相似。在這兩個區域之間，來自星系的恆星背景光照與地球受到的太陽光照射相當，因此所有的行星，不管位於什麼軌道，都有可能是宜居的。圖片來源：Fred C. Adams

但在這個問題上，微調其實沒有那麼嚴格的要求。星系的中心區域確實足以產生強烈的背景輻射，讓所有的行星都變得無法居住。但星系的邊緣地區的輻射強度會足夠低，讓宜居星球得以存在。即使Q值比我們的宇宙大了數千倍，還是能存在相當一部分適宜居住的星際不動產。在某些情況下，星系甚至有可能變得更宜居。在星系中的大部分區域，夜空可能與我們在地球上所看到的白晝一樣明亮。行星可以從所有的背景恆星中獲得支持生命的能量，而不是僅吸收來自自己的恆星的能量。它們可以在幾乎任何一條軌道上運行。在一個密度漲落比我們的宇宙更強的平行宇宙，即使冥王星也能得到與邁阿密相當的光照。因此，一個密度略大的星系或許會比銀河系擁有更多的宜居行星。

總而言之，即使大幅改變我們的宇宙的參數，恆星以及可能宜居的行星仍然有可能存在。即使引力增強1000倍或減弱到十億分之一，恆星仍然是一台長壽的核燃料發動機。電磁力可以增強或減弱一百倍。核反應速率能在許多量級上發生變化。平行宇宙中的物理學也能產生構成植物與人的基本原材料——重元素。顯然，決定恆星結構和演化的參數並沒有那麼精妙。

考慮到我們的宇宙並不像看上去那樣經過精細的微調，我們是否還能聲稱這個宇宙是最適合生命發展的？我們目前的理解顯示答案是否定的。很容易想像一個對生命更友好、或許還更符合邏輯的宇宙。一個最初密度漲落更強的宇宙會產生密度更大的星系，它所能支持的宜居行星或許會比我們自己的星系還要多。一個擁有穩定的鈹的宇宙將能有直接合成碳的多種方法，並且還不需要複雜的3氦過程。儘管這些問題都還在研究中，我們已經可以說，宇宙有許多通往複雜性和生物的發展路徑，並且其中一些宇宙可能甚至比我們自己的宇宙更適合生命。鑒於這些普遍原則，天體物理學家需要重新檢驗多重宇宙存在的可能跡象，包括我們的宇宙的微調度。（編輯：小Alice呀）

推薦閱讀：