如果换一个宇宙，我们还会存在吗？| 悦读科学

宇宙就像巴赫的赋格曲一样美丽优雅，时间的节拍器赋予宇宙法则一定的数学精度。这些物理学方程都刚好达到平衡状态，方程中的自然常数的值是经过微调的，这样才能让人类有机会研究这个不同寻常的宇宙。假设稍微改变一下这些常数的值，宇宙瞬间就不再有原子存在，也无法形成行星了。看来，我们能生活在这个宇宙中真是太幸运了。
——布莱恩·施密特（澳大利亚国立大学天体物理学家，2011年诺贝尔物理学奖获得者）

无论你是不是科学家，都不影响你欣赏美丽的夜空，但宇宙远不只是美丽那么简单。科学家的目标就是揭示大自然内部的工作机制，以及影响宇宙各个部分的运动及相互作用方式的法则和性质。

科学经过几个世纪的发展，已经解决了很多有关宇宙基本力和基本构成的问题，但它现在正面临着一个看似简单的问题，而这个问题的答案可能会完全颠覆我们对于物质世界的看法。这个问题就是：“为什么宇宙刚好适合有智慧的复杂生命产生呢？”这似乎是一个奇怪的问题：我们的宇宙（或者至少是我们所在的这一部分）当然是适合人类生存的……我们就住在这里，不是吗？但是，宇宙有没有可能是另一种样子呢？会有多么不同呢？宇宙有没有可能是完全贫瘠、没有生命存在的呢？

当我们仔细研究宇宙的基本构成，就会发现我们并不像表面看上去的那么普通。构成万物的基本粒子和决定物体间相互作用的基本力，似乎都是为了生命量身打造的。若是进行微调，宇宙可能迅速走向死亡和贫瘠。

烘焙蛋糕和宇宙微调论

微调是什么意思呢？我们不妨从烤蛋糕开始说起（图1）。首先拿出你最喜欢的烹饪书，找到告诉你如何把原料变成美味蛋糕的一系列说明。接下来，你按照顺序添加原料，把它们搅拌均匀。然后放进烤箱烤一个小时，最后拿出来冷却。你知道，尽管食谱上说加56克面粉，但稍多一点儿或者稍少一点儿都不会影响蛋糕的品质。

图1. 半熟芝士蛋糕食谱

然而，如果你加了112克面粉，而其他所有原料的量保持不变，你烤出来的就可能是一个失败的作品。加入过多的盐也会毁掉蛋糕的口感。当然，你可以把所有原料都加倍，烤的时间稍长一点儿，就能烤出两倍大的蛋糕！

对于蛋糕食谱，你可以略微调整每一种原料的用量，最终也能烤出美味的蛋糕。你也可以按比例增加或者减少所有原料的用量，只要适当调整烹饪时间，就不会有什么问题。但是，如果偏差过大，你做的蛋糕可能就没办法吃。当然如果你不按顺序烘焙，那么你做出来的蛋糕也很有可能没办法吃。

适合生命存活的环境也是如此吗？

不妨举一个简单的例子，你眼前的万物都是由原子组成的，原子是由带正电荷的原子核和周围的电子组成的小球。每个电子的质量都完全相同，如果从一开始电子的质量就是现在的两倍，那么宇宙会变得多么不同呢？

在这个假想的宇宙中，电子轨道会发生变化，进而改变原子的大小，继而改变由原子组成的分子大小。或许这种质量的变化并不会产生太大的影响，像我们这样的生物仍然可以存活。但如果电子的质量变成现在的100万倍或者10亿倍呢？在原子和分子的物理结构变化如此巨大的情况下，复杂的生命形式还能存在吗？显然，我们能想象出多种多样的宇宙，每一种宇宙中的电子质量都各不相同，而微调论的核心问题就是这其中能够维持复杂生命存活的宇宙所占的比例是多少。

对于物理学家来说，“微调”意味着结果对于某些输入参数或假设具有敏感性。就像（严格按照食谱）烤蛋糕一样，如果一项实验只在某种精确的条件下才能产生惊人的结果，这项实验就是经过微调的。“为生命服务的微调”是一种物理微调，这种微调的结果就是生命的产生。

金库密码与宇宙学

那么，微调论是怎样与科学融为一体的呢？

科学不仅仅是把理论和实际的数据相比较。我们偏爱那些普适、严谨而且不会为了有利于自己而随意变化的理论。一般来说，如果你有10个数据和一个包含10个自由变量的方程，你的模型就不太可能出错，因为总能找到与之匹配的数据。结果虽然是成功的，但不会让人印象深刻。就像魔术师猜对了你挑选的那张牌……不过是在猜第43次的时候。那些只需几步就能解释大量数据的理论，才更令人印象深刻。

还有一种理论同样可疑，它们先要求出自由变量的精确值，才能解释数据。我们来看一下下面这个小故事。

一家银行的金库被劫。装甲门没有被暴力破坏的痕迹，所以劫匪肯定知道门的密码。警方很快就到达了现场。

德瑞宾：也许他们猜出了密码。
霍肯：不可能，有10¹²种组合呢。而系统显示他们一次就输对了密码，这样的概率绝对微乎其微。
德瑞宾：但也是有可能的，对吗？

不难看出德瑞宾的看法是有问题的，因为可能的密码组合是10¹²种。其中一种是劫匪输入了0000–0000–0000，一种是劫匪输入了0000–0000–0001，一种是0000–0000–0002，以此类推。

在德瑞宾的“劫匪是猜对了密码”的假设中，每一种组合的概率在本质上都是相等的。但是，只有一种能解释劫匪成功进入金库的事实，那就是他们输入了正确的密码。这就使得德瑞宾的看法几乎站不住脚，“猜密码”必须经过微调，才能确保能够找到准确的密码。

这就是物理学家所说的“微调”的含义，它是一种精确得出奇的假设。数据精确是很棒的，假设精确则不然。

物理理论和物理体系一样是分层级的，我们可以在小理论的基础上构建大理论。我们用最基本的定律来描述物理学中最小的基本单元，比如电子、夸克、光子等微粒，这是粒子物理学的研究范畴。

同样地，我们希望能为整个宇宙建模，尽可能地包罗万象。这是宇宙学的研究范畴。为了找到初始条件，我们还要追溯到时间的起点。

因此，如果粒子物理学和宇宙学中的自由变量（常数或初始条件）精确得出奇，我们就在对宇宙最深层次的理解中发现了微调论。

宇宙为了生命存活所进行的微调，是只针对宇宙维持生命存活这一事实进行的微调。对于我们已知的自然法则，其自由变量发生的任何微小变化，都会对宇宙维持生命存活所需的能力造成剧烈甚至无法弥补的不利影响。

大自然的基本常数

让我们仔细研究几个自由变量。

电子质量

电子是宇宙中的基本粒子之一。电子环绕原子核运动，由它们组成的原子影响着化学反应的过程。利用合适的实验仪器，我们就能测量出单个电子的质量：9.10938215×10^–31千克（这是最精确的仪器测量出的结果，误差为 0.00000045×10^–31千克）。你测量宇宙中的任何一个电子，都会得到相同的结果！

当我们以“千克”为单位测量一个物体的质量时，实际上是在把这个物体的质量和位于巴黎近郊的国际法制计量组织实验室里的一块铂铱合金在相同条件下的质量做比较。这块合金没有什么特别之处，所以千克这个单位也没什么特别之处。就算我们以磅、长吨、格令或者克拉为单位表示电子的重量，其测量结果也不会有任何变化。

然而，电子的质量对于宇宙中的其他粒子是很重要的。每一种基本粒子都有它们的质量，虽然有些是零。现在，我们可以问一个“如果……会怎么样？”的问题了。如果我们改变了基本粒子的质量，会对正坐在一颗围绕恒星运动的行星上打字的复杂多细胞灵长类动物产生什么影响呢？事实上，生命能否存活，关键取决于粒子的质量。对基本粒子的质量进行微调而得到的“新宇宙”往往是不毛之地。

万有引力常数

除了基本粒子外，宇宙的另一个基本元素是力。日常生活中的推力和拉力主要来自摩擦、风、弹簧、墙壁、重力、发动机、肌肉等。在微观层面，4种力就足以表示基本粒子之间所有已知的相互作用，它们是万有引力、电磁力，以及神秘的强核力和弱核力。

以万有引力为例。牛顿用他著名的“平方反比”定律来描述万有引力：任意两个质量体之间相互吸引，引力的大小与二者间距离的平方成反比。爱因斯坦的广义相对论比牛顿的万有引力定律更加完善精确，也更加复杂深奥。在这两种理论中，都出现了广为人知的万有引力常数，通常用符号G来表示，它的值为 6.67×10^–11m³kg^–1s^–2（图2）。

图2. 上面是牛顿的万有引力定律，下面是爱因斯坦的引力方程。不要纠结细节；只需注意，尽管在这两个方程式中都出现了G，但你并不能只用这些方程就算出G的值

如果G的值变了，会发生什么呢？对于这个问题，我们要小心一点儿了。假设我们把你送到另一个宇宙中，并让你测量G值。你需要校准仪器以便测量距离、时间和质量，但那块铂铱合金还在我们的宇宙中。幸运的是，G值的变化并不会影响元素，所以我们（原则上）还是能找到所需要的参照物。你可以用铯133原子校准计时器，通过测光速你能得出1米的长度，也就是光在1/299792458秒内通过的距离。接着，我们可以复制出一块铂铱合金作为1千克的参照物。然后，你就可以测量G值了。

牛顿或者爱因斯坦的理论都没有告诉我们G值，所以我们必须借助实验，从大自然那里得到答案。

在牛顿的的理论中，如果G值增大一倍，质量体间的万有引力就会增大一倍。爱因斯坦对于万有引力的理解比牛顿更深刻，他认为G（部分地）反映出质量和能量使得几何时空发生弯曲的程度。G值的改变会影响天体物理学中的所有问题，从宇宙膨胀、星系形成到恒星和行星的大小、稳定性。

类似的常数出现在所有的力学定律中，被称为耦合常数（coupling constants）。只有通过测量，我们才能知道它们的值。

作者简介

杰兰特·刘易斯（Geraint Lewis）悉尼大学天体物理学教授，科普作家。

卢克·巴恩斯（Luke Barnes）悉尼大学天体物理学专业博士后研究员，剑桥大学博士。

（本文经授权摘编自中信出版集团·科普工作室出版的《幸运的宇宙》（2018年6月，[澳] 杰兰特·刘易斯 [澳] 卢克·巴恩斯/著，任烨/译）第1章《如果换一个宇宙，丰富多彩的生命会怎么样》，略有修订，标题为编者所加）