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宇宙并没有“微调”得那么精确

Fred Adams 发表于  2017-05-10 10:45

(本文由 Nautilus 授权转载,译/玛雅蓝)在生命出现之前,一定存在着结构。我们的宇宙在它的早期就合成了原子核,这些原子核捕获电子,形成了原子。原子聚集起来,形成了星系、恒星和行星。最后,生命有了家的港湾。我们想当然地认为是物理学定律让这些结构得以形成,但事情并不见得是必然如此。

在过去几十年中,许多科学家辩称,只要物理规律有哪怕一点点的不同,宇宙就不会形成任何复杂结构。然而与此同时,宇宙学家开始意识到,我们的宇宙也许不过是多重宇宙的一个组成部分,而多重宇宙是许许多多宇宙的组合,构成了一个更大的时空。其他宇宙的存在为物理规律的微调提供了一个诱人的解释。不同宇宙有不同的物理规律,而我们之所以生活在一个允许观察者存在的宇宙,是因为我们无法生活在别处。

参数的设定:即使电磁力或万有引力比现实更强或者更弱,宇宙中也会有生命存在。图中阴影区域展示了可允许生命存在的参数值范围,星号代表我们的宇宙中的参数值,而坐标轴参照这些值进行标度。限制条件包括:恒星必须能够发生核聚变(在黑色曲线之下);恒星寿命需要足够长到可以演化出复杂的生命(红色曲线以下);温度足够高,以支持生物圈的存在(蓝色曲线左侧);不能膨胀太大长出所属的星系(蓝绿色曲线右侧)。图片来源:Fred C. Adams

天文物理学家一直在讨论微调(fine-tuning),导致许多人理所当然地认为我们的宇宙超乎寻常地适合复杂结构出现。即使怀疑多重宇宙的人也接受微调,他们只是认为一定存在其他的解释。但实际上,微调从未被严格证明。我们实际上并不知道哪些物理定律是天体物理结构的发展所必需的,哪些又是生命的产生所必需的。近来关于恒星演化、核天体物理学和结构形成的研究显示,微调理论并没有先前预想的那么有说服力。有许许多多可能的宇宙都能支持生命,我们的宇宙并不像看上去那么特别。

微调的第一种类型,涉及运行中恒星上的自然基本相互作用力的大小。如果电磁力过强,质子之间的静电排斥会关闭恒星内部的核聚变,让恒星无法发光。如果电磁力太弱,核反应就会失控,导致恒星剧烈爆炸。如果引力太强,恒星要么坍缩成黑洞,要么永远不会发光。

但是,如果更仔细地进行测试,就会发现恒星极其顽强。电磁力的强度得增强到一百倍或缩减到百分之一,才会让恒星的运转受影响。至于引力作用,强的一头要达到正常水平的100000倍,弱的一头更是要减弱到正常水平的十亿分之一。引力和电磁力所允许的强度范围取决于核反应速率,这进而又取决于核力。如果核反应速率更快一些,恒星甚至能在一个更大的引力和电磁力变化范围中运转。核反应速度减慢则会让这个范围缩小。

除了这些最基本的运转要求之外,恒星还必需满足一系列其他限制条件,这进一步缩小了各种力的允许强度范围。星星必须很热:它的表面温度要很高才能驱动生命所必需的化学反应。在我们的宇宙中,大多数恒星周围都有一大片区域,其中的行星温度在300开尔文左右,足以支持生命的存在。在电磁力更强的宇宙中,恒星温度更低,也就不那么宜居。

恒星的寿命还必需足够长。复杂的生命形式需要经过极其漫长的时间才能演化出来。由于生命是靠一套复杂的化学反应所驱动的,生命演化的基本时间表取决于原子的时间尺度。在其他的宇宙中,原子钟摆动的速度各不相同,取决于电磁力的强度,而这种变化也要纳入考虑。电磁力更弱的时候,恒星就会更快地燃烧它的核燃料,寿命也因此缩短。

最后,恒星至少必须要能够形成。为了让星系和随后出现的恒星从原始气体中形成,气体必须能够损失能量,冷却下来。冷却速率(再一次)取决于电磁力的强度。如果电磁力太弱,气体冷却的速度太慢,就会停留在弥散的状态,而无法凝结成星系。恒星还需要比宿主星系小,否则恒星就难以形成。这些影响对电磁力的下限增加了新的限制。

综上,基本相互作用力的强度可以发生多个数量级的变化,而行星和恒星仍然能够满足图中所有的限制条件(如下图所示)。这些力的微调程度,远没有许多科学家所认为的那样“微”。

第二种可能的微调涉及碳的形成。当较大的恒星在核心处将氢聚变成氦之后,氦就成了燃料。又经过一系列复杂的反应,氦燃烧形成碳和氧。由于氦原子核在核物理中的重要作用,它得到了一个特别的名字:α粒子。最常见的那些原子核分别由一、三、四、五个α粒子构成。由两个α粒子构成的原子核铍8明显缺失,理由很充分:它在我们的宇宙中不稳定。

铍的不稳定极大地制约了碳的形成。一旦恒星使氦原子核聚变形成铍,铍原子核就几乎立刻衰变成原先的组成成分。在任何一个给定的时间点,恒星核心都含有少量但转瞬即逝的铍。这些罕见的铍原子核可以与氦反应生成碳。因为这一过程最终需要三个氦原子核,它被叫做3氦反应(triple-alpha reaction)。但在我们的宇宙中,这一过程过于缓慢,不足以产生可被观测的足量的碳。

为了解决这一矛盾,1953年,物理学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)预测,碳原子一定在某个特定能量水平具备共振态,就像一个用特定的音调发声的小铃铛。由于这种共振的存在,碳的形成的反应速率比共振不存在时要大得多,足以解释我们所在宇宙中丰富的碳的由来。这种共振态后来在实验室中被观测证实,符合所预测的能量水平。

令人担忧的是,在其他的宇宙中,随着力的强度发生变化,这种共振态的能量也会有所不同,那么恒星可能无法产生足够的碳。如果能级的改变达到4%以上,碳的形成就会受到影响。这个问题有时也被称为3氦微调问题(triple-alpha fine-tuning problem)。

好在这个问题有一个简单的答案。核物理每关上一道门,就会打开一扇窗。假设核物理发生了改变,足以令碳共振失效。在这样可能的改变中,大约一半的情况同时也会产生副作用——使铍变得稳定,因此共振的损失就变得无关紧要。在这样的平行宇宙中,碳将以一种更符合逻辑的方式形成,即三个α粒子依次聚集。氦聚变产生铍,铍再和另一个α粒子发生反应形成碳。原来并不存在微调问题。

图片来源:Jackie Ferrentino

潜在的微调问题的第三个方面,涉及由两个粒子组成的最简单的原子核——氘核(由一个质子和一个中子组成)、双质子(由两个质子组成)和双中子(由两个中子组成)。在我们的宇宙中,只有氘是稳定的。氦的形成的第一步就是将两个质子合成氘。

如果强核力再强一些,双质子就会稳定存在。在这种情况下,恒星就能利用最简单、最快的核反应产生能量,即将质子合成双质子,最终产生氦的其他同位素。有观点称这会让恒星以灾难般的速度将核燃料燃烧殆尽,导致恒星寿命过短,无法形成生物圈。反之,如果强力再弱一些,氘就会变得不稳定,这条合成重元素的必经之路将被堵死。许多科学家推测,如果缺乏稳定的氘,宇宙中将没有任何重元素存在,而这样一个宇宙是无法产生复杂性和生命的。

然而事实上,恒星是非常稳定的存在。它们的结构会自发进行调整,以用合适的速率燃烧核燃料,避免在自身重力作用下坍塌。如果核反应速率增大,恒星会以较低的中心温度燃烧核燃料,但除此之外并没有太多的不同。实际上,我们的宇宙中就存在这种行为。在强力下,氘原子能与质子结合形成氦原子核。这个反应的“反应截面”,即一个反应发生的概率,是普通的氢聚变反应的数千万亿倍。虽然如此,我们的宇宙中的恒星都会用一种相对平稳的方式燃烧氘。氘星的核心的反应温度大约在一百万开尔文,而要在普通的环境中发生氢聚变需要1500万开尔文。这些燃烧氘的恒星的核心温度更低,体积比太阳略大,但其他方面并无特殊之处。

相似地,如果强核力更弱,恒星也能在没有稳定的氘的情况下继续运转。恒星可通过多个不同过程产生能量和合成重元素。在生命的第一阶段,恒星缓慢收缩,核心变得更热、密度更大,并以和太阳相近的输出功率发光。我们的宇宙中的恒星最终会达到足以激发核聚变的温度和密度,但在平行宇宙中,它们可以继续这一收缩过程,并通过损失重力势能的方式产生能量。寿命最长的恒星可用与太阳相当的功率持续发光长达十亿年,这或许足以让生命演化发生。

对于足够大的恒星,这一收缩过程会加速,并导致一场灾难式的坍缩。这些恒星最终基本都会变成超新星,它们的核心温度和密度会大大增加,足以引发核反应。在这些恒星的死亡过程中会发生多种类型的核反应。即使没有氘,这种爆炸性的核合成也能为宇宙提供重原子核。

一旦这样的一个宇宙中产生了痕量的重元素,新出现的恒星就有了另一种可选的核燃料。这一过程叫做碳-氮-氧循环(carbon-nitrogen-oxygen cycle),它不需要以氘作为过渡状态。碳起到了催化剂的作用,促进了氦的产生。这一循环发生在恒星的内部,提供了恒星总能量的一小部分。在缺乏稳定的氘的情况下,碳-氮-氧循环将主导能量的产生。核能产生的选择还不止这一个。恒星还能通过3核子过程(triple-nucleon process)产生氦,这一过程与合成碳的3氦过程有些相似。因此,在平行宇宙中,恒星可以通过许多方式来产生能量和复杂的原子核。

微调问题的第四个方面涉及星系和其他大尺度结构的形成。这些结构是在宇宙诞生的早期,由密度的微小涨落催生的。随着宇宙冷却到一定程度,在重力的作用下,这些涨落开始增强,密度较大的区域最终形成了星系和星系团。涨落的振幅一开始很微小,衡量其程度的量——Q值——为0.00001。因此,原初宇宙极其均匀:从最致密的区域到最稀薄的区域,密度、温度和压力的最大差异不过十万分之几。Q的值代表了宇宙微调的另一个可能的参数。

如果Q值再低一些,涨落就需要花更长的时间才能达到足够的强度,以形成宇宙结构,并且星系将具有较小的密度。如果星系的密度太小,其中的气体就无法冷却。气体甚至有可能无法凝结成星系盘或聚合形成恒星。低密度的星系对生命来说并非适宜的居住地。更糟的是,如果延迟时间太长,星系可能甚至无法形成。从40亿年前开始,宇宙开始加速膨胀,并以超过物质合并的速度将物质拉开。这种速度的增加通常导致了神秘的暗能量的产生。如果Q值太小,星系坍缩所需要的时间就可能过长,来不及在宇宙开始加速膨胀之前完全形成,并且进一步的生长也可能受到抑制。这样的宇宙可能始终不会出现复杂性和生命。为了避免这样的命运,Q的值不能缩小超过十分之一。

如果Q值更大将会如何?星系将更早形成,其密度也会更大。这也对宇宙的宜居性造成了威胁。恒星之间的距离会大大缩小,并且相互作用会更加频繁。在这种情况下,它们可能会将行星狠狠抛出轨道,扔进深空中。并且,由于恒星之间离得更近,夜空也会变得更明亮,甚至有可能如同白昼。如果天空中的恒星过于密集,这些恒星的光聚在一起,足以让任何一个宜居行星上的海洋沸腾。

“What if”之星系版:在一个最初密度涨落较大的宇宙中形成的星系可能比我们的银河系还要宜居。它的中心区域对于生命来说太亮、太热,行星轨道也不稳定,但外围区域将与太阳系周边区域相似。在这两个区域之间,来自星系的恒星背景光照与地球受到的太阳光照射相当,因此所有的行星,不管位于什么轨道,都有可能是宜居的。图片来源:Fred C. Adams

但在这个问题上,微调其实没有那么严格的要求。星系的中心区域确实足以产生强烈的背景辐射,让所有的行星都变得无法居住。但星系的边缘地区的辐射强度会足够低,让宜居星球得以存在。即使Q值比我们的宇宙大了数千倍,还是能存在相当一部分适宜居住的星际不动产。在某些情况下,星系甚至有可能变得更宜居。在星系中的大部分区域,夜空可能与我们在地球上所看到的白昼一样明亮。行星可以从所有的背景恒星中获得支持生命的能量,而不是仅吸收来自自己的恒星的能量。它们可以在几乎任何一条轨道上运行。在一个密度涨落比我们的宇宙更强的平行宇宙,即使冥王星也能得到与迈阿密相当的光照。因此,一个密度略大的星系或许会比银河系拥有更多的宜居行星。

总而言之,即使大幅改变我们的宇宙的参数,恒星以及可能宜居的行星仍然有可能存在。即使引力增强1000倍或减弱到十亿分之一,恒星仍然是一台长寿的核燃料发动机。电磁力可以增强或减弱一百倍。核反应速率能在许多量级上发生变化。平行宇宙中的物理学也能产生构成植物与人的基本原材料——重元素。显然,决定恒星结构和演化的参数并没有那么精妙。

考虑到我们的宇宙并不像看上去那样经过精细的微调,我们是否还能声称这个宇宙是最适合生命发展的?我们目前的理解显示答案是否定的。很容易想象一个对生命更友好、或许还更符合逻辑的宇宙。一个最初密度涨落更强的宇宙会产生密度更大的星系,它所能支持的宜居行星或许会比我们自己的星系还要多。一个拥有稳定的铍的宇宙将能有直接合成碳的多种方法,并且还不需要复杂的3氦过程。尽管这些问题都还在研究中,我们已经可以说,宇宙有许多通往复杂性和生物的发展路径,并且其中一些宇宙可能甚至比我们自己的宇宙更适合生命。鉴于这些普遍原则,天体物理学家需要重新检验多重宇宙存在的可能迹象,包括我们的宇宙的微调度。(编辑:小Alice呀)

本文由 Nautilus 授权果壳网(guokr.com)编译发表,严禁转载。 

编译来源

Nautilus, The Not-So-Fine Tuning of the Universe

热门评论

  • 2017-05-10 12:23 Metaverse 录音爱好者,万有青年养成计划入围选手
    引用@5美金 的话:光速呢

    光速的变化影响真空介电常数和真空磁导率,本质上影响的是电磁力的强弱。

    [6] 评论

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全部评论(24)
  • 1楼
    2017-05-10 11:25 5美金

    光速呢

    [0] 评论
  • 2楼
    2017-05-10 12:23 Metaverse 录音爱好者,万有青年养成计划入围选手
    引用@5美金 的话:光速呢

    光速的变化影响真空介电常数和真空磁导率,本质上影响的是电磁力的强弱。

    [6] 评论
  • 3楼
    2017-05-10 12:24 Metaverse 录音爱好者,万有青年养成计划入围选手

    自然界对复杂结构生成的容错性比想象中的大?

    [2] 评论
  • 4楼
    2017-05-10 14:16 天降龙虾
    引用@Metaverse 的话:自然界对复杂结构生成的容错性比想象中的大?

    生命对自然的各项参数的容错性没准儿更大。。。物理参数变了之后,化学反应方式也会跟着有所变化吧??可能高温高密度的宇宙中,生命生存所需的环境温度也会更高呢。。。海洋沸腾了不要紧,万一人家能用融化了的金属代替水呢????

    [0] 评论
  • 5楼
    2017-05-10 15:03 5美金
    引用@Metaverse 的话:光速的变化影响真空介电常数和真空磁导率,本质上影响的是电磁力的强弱。

    那么当电磁力的强度增强到一百倍或缩减到百分之一,光速会产生什么变化。

    [0] 评论
  • 6楼
    2017-05-10 15:30 天体的方程

    厉害了我的平行宇宙。

    [0] 评论
  • 7楼
    2017-05-10 19:30 solo7

    好喜欢这篇文章 虽然只是游客 但是能领略到宇宙的发展确乎可以有着随意性或无限可能 但凡我们人类不断发现 或许 有一天 会有发现真理的一天。不过 貌似 我们既定的理论 会随着观测水平提升而有被推翻的可能 所以 科技愈加发达 我们离解开宇宙的奥秘能更近一步。

    [0] 评论
  • 8楼
    2017-05-10 22:14 国产零零七

    呵呵,任由我们人类假设,任由我们人类思考,宇宙有无数种可能,

    这正是世界的精彩之处,

    随着人类知识经验的积累和更新,以后的模型可能会越来越多,也可能会越来越逼近真相。


    [0] 评论
  • 9楼
    2017-05-11 23:55 官明彦

    这篇让我想起了 决定宇宙的六个数

    [2] 评论
  • 10楼
    2017-05-12 10:03 cruelworm
    引用@官明彦 的话:这篇让我想起了 决定宇宙的六个数

    六个数演算的结果是42?

    [0] 评论
  • 11楼
    2017-05-12 10:11 叶迎风

    上帝有个鲁棒的设计。

    [1] 评论
  • 12楼
    2017-05-12 10:17 炸鱼薯条德里克

    蕴含上帝存在性的理论都不正确

    [0] 评论
  • 13楼
    2017-05-12 11:32 xyuzhang

    看了让人感觉心情舒畅

    [0] 评论
  • 14楼
    2017-05-12 14:34 刘公子是小布尔乔亚

    看起来好复杂

    [0] 评论
  • 15楼
    2017-05-12 14:45 Krystalbiubiu

    h额呵呵

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  • 16楼
    2017-05-12 18:48 司南9527

    还好,小时候看那个彭罗斯写的《皇帝新脑》中,说宇宙中物理常数中的任何一个都相当精确,然后将几种物理常数落在合适区间的几率乘起来,宣称,如果不是上帝,那就造不了这么精妙的宇宙。我了个草。

    [1] 评论
  • 17楼
    2017-05-12 22:13 qufuliao

    听起来强人择原理似乎失效了……

    [0] 评论
  • 18楼
    2017-05-14 14:23 王之哈莫

    赛罗在这个次元可以靠恒星充能,在另一个次元不行,说明科幻作家早就知道这一点。

    [0] 评论
  • 19楼
    2017-05-14 20:23 tarli152
    引用@qufuliao 的话:听起来强人择原理似乎失效了……

    好像就是大家发现需要靠人择原理解决的问题(宇宙微调)实际上没有多大……

    但是强人择总感觉有点儿不对劲,只有通过量子力学的诠释才看上去稍微有点儿科学,不然看上去就是神学。弱人择就可爱多了

    [0] 评论
  • 20楼
    2017-05-15 13:25 ziggle

    反正都是煮创造的,毕竟酗酒的结果。

    RAmen!

    [0] 评论
  • 21楼
    2017-05-15 16:43 源辉狼

    引力可以比现在低上亿倍?这个不太相信,像月球这么低的引力(地球的十分之一)就没法支持大气层了啊。

    [0] 评论
  • 22楼
    2017-05-15 20:12 qufuliao
    引用@源辉狼 的话:引力可以比现在低上亿倍?这个不太相信,像月球这么低的引力(地...

    这里指的是恒星吧……

    [0] 评论
  • 23楼
    2017-05-16 02:47 源辉狼
    引用@qufuliao 的话:这里指的是恒星吧……

    是引力系数,也就是说所有的引力都会按这个比例变化的。一亿分之一的话恐怕行星都聚不成球形。

    [0] 评论
  • 24楼
    2017-05-16 20:26 qufuliao
    引用@源辉狼 的话:是引力系数,也就是说所有的引力都会按这个比例变化的。一亿分之一的话恐怕行星都聚不成球形。

    我的意思是 这里只讨论关于恒星形成的部分

    [1] 评论

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Fred Adams
Fred Adams Fred Adams是密歇根大学安娜堡分校的物理学教授。

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