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宇宙是否经过“微调”

作者:苗千

2017-09-10·阅读时长9分钟

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美国理论物理学家、宇宙学家、麻省理工学院教授阿兰·古斯


在宇宙诞生初期的一些过程,宇宙的年龄,乃至目前宇宙中大多数星系与天体的分类和分布已经成为宇宙学研究的共识。而随着对宇宙本质认识的不断深入,更多的问题也随之出现,例如我们所观测到的宇宙状态是否算是非常特殊?宇宙中的规律,一些常数,为什么会是某些特定的数值?这些问题并非全无来由,因为它们与生命的存在的可能性息息相关。

生命因何而存在

人类在地球上生生不息,早已经对周围的环境习以为常。但实际上,作为目前宇宙中唯一一个拥有生命的行星,地球是宇宙中一个极其特殊的天体,它以适当的距离围绕着一颗稳定的恒星运转,表面平均温度恰好可以允许液态水的存在,它处于银河系的边缘,因此不必担心受到超新星爆发或是其他天体的威胁……正是在这一系列偶然条件的共同作用之下,地球上才出现了生命——人类只有放眼整个宇宙,才会真正明白生命的偶然与可贵。

另一方面,人类对于宇宙的理解越深刻,就越明白生命的出现要依赖于宇宙中的各种“初始条件”。宇宙作为时间和空间的总和,在其间不仅有各种物质,还有制约物质运动的物理规律和各种常数。物理学家们发现,这些规律和常数似乎是经过某种“设定”一样,搭配得非常精确,才使生命的出现在最根本的意义上成为可能。

物理学家们意识到,宇宙中存在着四种最基本的相互作用:强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。这些相互作用的强度各不相同,而如果缺少了其中任何一种相互作用,或者强度与人们所观测到的强度不同,整个宇宙的形态都会发生极大变化,生命可能压根儿就不会出现。如果引力作用不存在,或者其强度大大弱于其真实强度,那么宇宙间的天体和星系自然也就都没有机会因为引力作用而聚合形成;如果引力作用稍稍弱于目前的强度,那么恒星的温度就会比真实温度更低,从而无法形成超新星爆发——也就无从在宇宙中产生出重元素,生命自然也就无从出现和演化。另一方面,如果重力的强度高于其真实的强度,那么理论上只需要更少的材料就可以形成恒星,恒星的体积就会更小,寿命也会更短。

除了引力作用之外,强相互作用用以维持原子核内部的稳定性。如果强相互作用的强度比它的真实强度高出50%,那么宇宙中几乎所有的氢元素都会在宇宙的早期燃烧掉,在恒星内部进行的恒星核合成也会比真实情况少得多。而且强相互作用强度的任何变化都会对宇宙中碳元素和氧元素的合成影响巨大,而这两种元素都是构成地球上的有机生命最重要的元素。与之类似的,支配核辐射效应的弱相互作用如果远小于它的真实强度,那么在宇宙早期就会出现更多的中子,恒星可能根本就无法形成。

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苗千

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