宇宙膨胀背后的故事（三十二）　　　　·程鹗·

（三十二）我思，故我在……这个宇宙

    我们正生活在一个非常特别的时代！——在21世纪到来之际，众多天文学家、物理学家相继发出由衷的感叹。

    是的，能够描述基本粒子、宇宙的两个标准模型让他们欢欣鼓舞。新的理论证明了一个他们早就意识到的事实：我们人类作为作为智慧生物，的确正生活在一个非常特别的时代。

    相对于宇宙130多亿年的历史，这是一个宇宙膨胀的“刹车”和“发动机”

二者碰巧旗鼓相当的阶段——暗能量以73比27的微弱优势占先，它与暗物质大致

势均力敌。这样的宇宙背景，膨胀和加速都非常缓慢。

    如果我们人类晚50亿年出现，宇宙已经诞生了180亿年，那么我们的认知会大相径庭。180亿年的宇宙，物质密度因为膨胀已经变得非常小，丧失了刹车功能；宇宙膨胀急剧加速，绝大部分星系离开我们的视线所能及；微波背景辐射也不再能被观察到。克劳斯还根据ΛCDM理论研究发现，那时的智慧生物无法发现宇宙的大爆炸起源，因为那时不再会有任何证据来表明宇宙起源。

    早在1960年代初，狄克就曾指出：人类生活在宇宙100多亿年这一时刻不是随机的偶然。生命不是空中楼阁，需要有物质基础，尤其是构造我们身体的碳、氢、氧等元素。在这些元素普遍存在之前，不可能出现有机生命体。

    伽莫夫他们的那篇αβγ论文，设想宇宙在大爆炸后的冷却期间会通过中子

俘获的核合成过程逐步产生越来越大的原子，这样宇宙才能充满丰富多彩的元素。

然而，中子俘获链只适用少数几个最轻元素，所以在大爆炸之后的相当长时间里，宇宙中只存在氢、氦、锂少数原子，当然就不会有生命的迹象。

    霍伊尔认为，更重的元素是在恒星内部的核反应中生成的。1953年，他到加州理工学院访问，来到核物理学家福勒（William Fowler）的实验室，给出他计算的共振态能级数据要求核实。实验室的人很是诧异，他们不知道这是个什么态，也没有任何已知的物理、化学论据可以支持这个态的存在。但霍伊尔毫不含糊，因为他有一个“终极”理由：没有这个共振态，宇宙中不会有碳原子，也不可能有碳基生物、有生命，也就不可能有我们在这里争吵。果然，福勒的研究生通过实验找到了那个所谓的共振态。

    几年后，霍伊尔、福勒和天文学家伯比奇夫妇（Margaret Burbidge和Geo-ffrey Burbidge）共同发表了史称“B2FH”的论文，系统地阐述了重元素在恒星内部的产生过程。福勒因这个发现获1983诺贝尔奖。但是，包括福勒在内的很多人认为霍伊尔更应该得这个奖。

    碳、氧等重元素是在恒星内部的高压高温条件下产生的。这些重元素被恒星本身的重力所禁锢。如果再过几亿、几十亿年，第一代恒星开始耗尽能源，以超新星爆发的方式走向死亡，那么被禁锢的重元素将随之获得解放而遍洒宇宙（更重的金属元素还要等待中子星碰撞等剧烈天文事件的发生才得以解禁）。再后来，这些原子的一部分将在引力作用下再次聚集，在新的第二代恒星周围形成不发光的行星。我们的地球便是这样的不发光的行星，上面孕育了生命。

    也就是说，生命出现的时机不可能太早，生命存在的时段在宇宙尺度上也是很短暂的。再过几十亿年，由于宇宙膨胀的加剧和物质密度的降低，氢原子聚集形成新恒星的机会越来越少。随着恒星的陆续死亡，宇宙将进入黑暗时期，宇宙中不会再有生命，除非智慧生命届时能以我们无法想象的方式继续生存。

    今天的宇宙，可能只有太阳系的地球才具备生命的条件。地球上有充足的氧气、水、土壤等资源；地球离太阳不远不近，温度适宜；地球上的昼夜、四季分明，适合农作物生长；地球的大气层不仅保证生态循环，还与地磁场一起阻挡、分流了有害的宇宙射线……在茫茫广宇中，地球独一无二。

    宇宙物质的基石是微观粒子——重子和轻子。作为重子的质子和中子，其质量分别是电子（轻子）的1836.15267343和1838.68366173倍。虽然我们可以如此精确地测量出这两个值，但无法明白它们为什么会是这么随意的数值。

    中子比质子重约千分之一。这个微不足道的差异，说明中子不是一个稳定态，它会自发衰变成质子和电子。假如中子处在原子核外——自由状态，其寿命就只有区区15分钟。原子核内的中子受强相互作用就稳定得多，但也有衰变的可能（原子核贝塔衰变的根源）。假如中子比质子再重一点（大于千分之一），那么它就会更不稳定，贝塔衰变将更为普遍。原子核内的中子大量衰变，最后可能只剩下质子，而只有质子的原子核很难保持稳定，它们会分崩离析。这种情况下唯一能稳定存在的是由单一质子组成的氢原子核。所以，如果中子比质子稍微更重一点，宇宙就会成为一个只有氢原子的世界。

    反过来，若是质子比中子重千分之一，那么不稳定的便是质子，它也会自发衰变成中子和正电子。这样的话，连氢原子核也无法稳定存在，其它元素的生产链就无从出现，也就是宇宙中不可能有任何原子，而只能是一个充斥中子和电磁辐射的死寂世界。（现实宇宙中的质子是否完全稳定学界尚未有定论。大统一理论认为质子也会衰变，只是其寿命非常长，但至今未能在实验中得到验证。）

    宇宙中有四种基本相互作用力，它们各自的强度也像粒子质量一样的随机而无规律。它们的相对强度似乎是精诚合作的。比如弱相互作用最微不足道，它不仅微弱，而且只在贝塔衰变过程中出现，似乎可有可无。

    但是，在恒星死亡时的超新星爆发过程却有依赖于弱相互作用所产生的大量中微子。假如这个力的强度大小有所偏离，中微子就可能无法冲开恒星外层的气体阻碍，导致星体内部的重元素无法逃逸。于是，宇宙中还是不会有生命。

    宗教笃信上帝之手创造出了一个正好适合地球生命的宇宙，但更看重逻辑的物理学家不敢恭维上帝的杰作。疑惑是，这样的一个世界需要太多、太繁杂的鬼斧神工和精巧平衡，不具备简洁美感。

    霍伊尔所谓的碳原子必须有一个特定共振态的来源说，不过是追求戏剧性效果。但他的这一“成功”启发了他在剑桥大学的同事、宇宙学家卡特（Brandon Carter）。1970年，卡特将霍伊尔、狄克等人的朴素想法“升华”到哲学高度，提出了所谓的宇宙学“人择原理”（Anthropic Principle）。

    这个名头很大的原理非常直截了当，似乎没多大含金量：宇宙的自然法则、参数选取必须符合人类存在的条件。或者反过来说，如果上帝没有弄对参数，整出一个人类无法生存的宇宙，那肯定不会是我们所经历的这个宇宙。

    人择原理第一次旗帜鲜明地把原本是客观世界的宇宙与人类主观意识的活

动联系起来，不可分离。这引发了莫大争议。如果森林中一颗大树倒下，而附

近却没有人，那么它发生了吗？（anthropic在英文中的原意是“与人类有关的”。中文翻译为“人择原理”不十分恰当，含义是“人类有意识地做选择”。）

    1974年，也是在剑桥的霍金发表论文支持人择原理。他解释当时让天文学家困惑的宇宙平坦问题：我们的宇宙之所以以非常接近临界密度的方式膨胀，唯一的可能解释来自狄克和卡特的建议——唯如此才可能有智慧生物存在。

    霍金的时机比较糟糕。仅仅几年后，古斯提出宇宙暴胀，为宇宙平坦提供了更基于逻辑的解释。霍金也立刻放弃了人为、肤浅的人择原理解释，全身心地投入暴胀理论的研究。

    特纳曾把宇宙常数讥讽为“无赖宇宙学家的最后避难所”。其实，人择原理

才是他们更大的无可奈何的选项。作为科学论据，人择原理无法预测未知的现象——除非硬拉上霍伊尔的例子——因此既无法被证实，更无法被证伪。

    然而，即使在暴胀理论解释了宇宙平坦、视界等几大难以置信的巧合之后，宇宙中依然存在着太多的碰巧事例。物理学家把这种现象叫做宇宙的“微调”（fine-tuning）。大统一理论中有50多个参数的数值需要根据实验来拟合得到。如同质子中子的质量、弱相互作用的强度，分开看它们没有任何道理，合在一起却恰好形成一个能够保障人类出现的宇宙。

    宇宙常数也是如此。早在1987年，宇宙常数尚未被证实存在，温伯格就指出Λ的数值不能太大，否则人类不可能在高速膨胀的宇宙中存在。幸好，基于超新星测量和宇宙平坦所拟合的Λ没有超出允许范围。

    1982年，霍金、古斯等人在纳菲尔德会议上拼命演算，以求解决暴胀理论中宇宙在结束暴胀时会太均匀这个大漏洞，但这个理论的始作俑者林德却不为所动。他的注意力早已不在这些细节上。他把眼光投向更远，甚至超越地球人类目光所能及的视界。

    按照古斯的原始旧暴胀理论，宇宙在相变时产生很多泡泡，但遭遇了泡泡互相之间越离越远，无法融合的困境。经过林德的脱胎换骨，新暴胀理论中的宇宙——严格说是我们的视界中的那部分宇宙——只是暴胀后的单一泡泡。林德不能忘怀在这一个泡泡之外，应该还有那些另外的泡泡，它们也会暴胀，也可能膨胀出自己的宇宙。因为量子力学的不确定性，这众多的泡泡不可能步调一致地同时暴胀，而会是各有先后，各有各的途径，形成不同的宇宙。林德称之为“混沌暴胀”（chaotic inflation）——产生无数个千姿百态的宇宙，每个宇宙都有自己的物理定律和参数，而有些宇宙会和我们的一样，有些则是相反的……。

    林德在向会议提交的论文中指出，即使已经形成的宇宙泡泡自身也会随机地产生新的泡泡，激发新的暴胀，发展成自己的“子”宇宙。因此，宇宙暴胀并不是横空出世的一次偶然事件，而是无时无刻都在发生的寻常事件，只不过是我们无从觉察。林德又把这个更新的理论叫做“永恒暴胀”（eternal inflation）。

    统计学在样本选取上有一个至关重要的“选择偏见”（selection bias）概念。如果有意无意地只选取自己愿意看到或能看到的样本，得出的结果可能会有致命的偏差。天文学家对这个概念尤其熟悉，并有自己的名称：“马姆奎斯特偏见”（Malmquist bias）。

    20世纪初，瑞典天文学家马姆奎斯特（Gunnar Malmquist）指出，天文学家应该格外小心，不要轻易根据自己的观测妄议宇宙——只看到足够明亮的星星，可能遗漏了大量不够亮、不发光的物体。那时还不知道有暗物质存在。马姆奎斯特的这一警示的影响很大，他之后的几代天文学家都唯恐掉进这个陷阱。

    在西方语言里，“宙”（universe）一词源自拉丁语，是“所有”、“全部”的意思（词根“uni-”代表“唯一”）。因此，宇宙在概念上自古以来就只有一个，它揽括了全部的世界。

    林德认为，永恒暴胀也为哲学性的人择原理赋予科学的基础：宇宙不单一。我们只看到眼前这个宇宙，因为我们碰巧生活在这个宇宙中，而且这个宇宙中的物理法则和参数正好保证了我们能够生存。

｛稍有删节｝ 

（待续）