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宇宙膨胀背后的故事(卅二):我思,故我在…这个宇宙 精选

已有 5358 次阅读 2020-4-13 06:11 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

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,描述基本粒子、宇宙的两个标准模型的成功让他们欢欣鼓舞。但更为深刻的是,新的理论证明了一个他们早就意识到的事实:我们——作为人类,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碰巧旗鼓相当的时代。虽然暗能量以73比27的微弱优势占先,它与暗物质大致势均力敌。在这个时间段,它的膨胀和加速都非常缓慢,需要从哈勃到里斯无数人的不懈努力才被察觉。

假如我们晚了50亿年,生活在180亿年的宇宙,我们的认知会大相径庭。那时候宇宙中的物质密度因为膨胀变得非常小,丧失刹车功能。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。克劳斯根据ΛCDM理论研究发现,那时的智慧生物不再会有任何证据表明,也就不可能发现宇宙的大爆炸起源。

如果他们考古发现我们今天留下的记录,大概也只会把它认作远古的一个美丽而无根据的神话。

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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。

伽莫夫在他们那篇αβγ论文中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。这样宇宙中很快就能充满丰富多彩的元素。然而,中子俘获链只适用于最轻的少数几个元素,到锂原子之后就不再能延续。

因此,大爆炸之后相当长时间的宇宙中只存在氢、氦、锂少数原子,当然不会有生命的迹象。二战前后,霍伊尔意识到更重的元素是在恒星内部的核反应中生成的。大概在大爆炸后几亿年时,宇宙中的氢原子在质量稍微密集的地方因为引力而聚集,形成第一代恒星。恒星的内部发生热核反应,在发光的同时聚变成更大更重的元素。

霍伊尔做了一系列计算重新构建起元素的生产链。他也很快遭遇到瓶颈:碳元素只能通过三个氦原子核的相继碰撞产生。可是这个反应的速度不够快,碳很快会再俘获一个氦原子变成氧而消失。为了摆脱这个困境,他意识到碳应该有一个特别的共振态,增快反应速度。

那是1953年,霍伊尔正在加州理工学院访问。他闯进核物理学家福勒(William Fowler)的实验室,给出他计算出的共振态能级数据,要求他们核实。一屋子的人很是诧异。他们不仅不知道这个态,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。他有一个“终极”理由:没有这个共振态,宇宙中不会有碳原子,也就不可能有碳基生物,不可能有生命,也就不可能有我们在这里争吵。

果然,福勒的研究生们很快通过实验找到那个共振态,保证了宇宙中生命的诞生。几年后,霍伊尔、福勒和天文学家伯比奇夫妇(Margaret Burbidge和Geoffrey Burbidge。在鲁宾成为第一个获准使用帕尔玛山天文望远镜的女性之前,Margaret Burbidge通过她当时还是男朋友的Geoffrey Burbidge关系偷偷使用过)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。(福勒在1983获得诺贝尔奖。包括福勒自己在内的很多人认为霍伊尔更应该得这个奖,因为该工作实属霍伊尔首创。对霍伊尔未能获奖的原因有诸多猜测,是诺贝尔奖争议案例之一。)

虽然碳、氧等重元素能够在恒星内部的高压高温条件下产生,它们依然被恒星本身的重力禁锢,无法有所作为。要再过几亿、几十亿年后,第一代的恒星开始耗尽能源,以超新星爆发的方式走向死亡,也随之解放了已产生的重元素,将之遍洒宇宙。(在元素周期表中更为靠后的一些重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问世。)

再后来,这些原子的一部分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。其中之一便是我们的地球,上面孕育了生命。

不仅是生命出现的时机不可能太早,生命能够存在的时段在宇宙的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。除非智慧生物届时能以我们无法想象的方式继续生存,未来的宇宙不会再有生命。

为什么宇宙的年龄是100多亿年?狄克答曰,因为只有在这个年龄的宇宙中,才会有我们问这个问题。

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从哥白尼推翻地球中心假想开始,人类已经认识到我们所在的地球和太阳系——无论以银河系还是整个宇宙而言——不是什么特殊的所在。我们为什么会栖息于这么个随机的地址?

答案很显然:只有太阳系的地球才具备生命存活的条件。

地球上具备充足的氧气、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、四季鲜明而不极端,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……

的确,茫茫广宇中,地球是独一无二的世外桃源。人类竭尽全力,迄今也没能找到第二个这样的可居之地,更没能发现过任何外星生命的迹象。

放眼宇宙,20世纪的物理学家已经清楚地意识到大自然对生命的眷顾并不限于地球的生态。整个寰宇也似乎是为人类的存在而量身定制。

例如宇宙物质的基石是微观世界的粒子。粒子分重子和轻子两大类。作为重子的质子和中子的质量分别是作为轻子的电子的1836.15267343和1838.68366173倍。我们可以如此精确地测量出这两个数值,却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。也别小看这个微不足道的差异:它说明中子不是一个稳定态,会自发衰变成质子和电子。如果中子处在原子核外的自由状态,其寿命只有区区15分钟。原子核内的中子受强相互作用影响会稳定得多,但也有衰变的可能。那便是原子核贝塔衰变的来源。

假如中子比质子再重一点,不只是千分之一,那么它就会更不稳定,贝塔衰变会更为普遍。当原子核内的中子大量地衰变时,只剩下质子的原子核也不可能保持稳定,会分崩离析。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,如果是质子比中子重了这千分之一,那么不稳定的便会是质子。它会自发衰变成中子和正电子。这就更麻烦了。因为这样的话,连氢原子核也无法稳定存在,后面的元素生产链根本无从谈起。这样的宇宙中不可能有任何原子,而只是一个充斥中子和电磁辐射的死寂世界。(在我们现实的宇宙中,质子是否完全稳定尚未有定论。大统一理论认为质子应该也会衰变。但其寿命非常长,至今还没能在实验中得到验证。因此这不影响原子的存在。)

这颇为奇葩的例子其实既不极端也不罕见。恰恰相反,它几乎俯拾皆是。

我们这个世界中有四种相互作用力。它们各自的强度也像粒子质量一样地随机无规律。然而,它们的相对强度却也似乎是在精诚合作。比如,四种力中的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。然而,恒星死亡时的超新星爆发过程却有赖于弱相互作用所产生的大量中微子。如果这个力的强度有所偏差,中微子就可能无法及时地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,宇宙中又不会有生命。

如果你笃信宗教,你大概已经看到了上帝的手在进行这一切操作,创造出一个正好适合地球生命的宇宙,或曰神迹。然而,向来更看重逻辑的物理学家却没能被打动。假如这真是上帝的杰作,那么上帝的设计能力实在让人不敢恭维。这样的一个世界在细节上需要太多、太繁杂的鬼斧神工精巧平衡,不具备简洁美感。

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霍伊尔举起人类存在的大旗作碳原子必须有一个特定共振态的虎皮时,不过只是追求戏剧性效果。但他的“成功”启发了他在剑桥大学的同事、宇宙学家卡特(Brandon Carter)。卡特在1970年将霍伊尔、狄克等人朴素的想法“升华”到哲学高度,提出所谓宇宙学的“人择原理”(Anthropic Principle)。

这个名头很大的原理说出来却是非常地直截了当,似乎没多大的含金量: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,整出来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。

然而,这个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,因此引发了莫大的争议。如果森林中一颗大树倒下,附近却没有人,它发生了吗?(anthropic的英文原意只是“与人类有关的”。中文翻译为“人择原理”不是十分恰当,强加了人类有意识地做了选择的含义。)

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思考中的人类与宇宙。

也是在剑桥的霍金最先举起这面大旗,在1974年发表论文解释当时让天文学家困惑的宇宙平坦问题:我们的宇宙之所以在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赖。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的现实拟合而得。如同质子、中子的质量、弱相互作用的强度,它们分开来看没有任何道理,合在一起却恰好形成一个能够保障人类出现、生存的宇宙。

就连宇宙常数也是如此。早在1987年,在宇宙常数尚未被证实之前,温伯格就推算指出,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。

在更为严谨的理论能够解释这些微调数值的来源之前,人择原理依然会是一个无可奈何的选项。

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1982年,当霍金、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那个大漏洞时,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。他的眼光投向更远,甚至超越地球人类目光所能及的视界。

古斯原始的旧暴胀理论中宇宙在相变时产生很多泡泡,却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——严格来说,是我们的视界中的那部分宇宙——只是暴胀后的单一泡泡。

但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,各有相异的途径,也就会发展出不同的宇宙。在这个他称作“混沌暴胀”(chaotic inflation)之后,会出现无数个千姿百态的宇宙。每个宇宙可能有自己的物理定律和参数。有些宇宙会和我们的一样,中子的质量稍微大于质子,有些则相反,质子的质量会大于中子……

不仅如此,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。只是它发生在不同的泡泡中,我们无从觉察。林德把这个更新的理论叫做“永恒暴胀”(eternal inflation)。

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林德描绘的多重宇宙结构示意图。

只是——或幸亏——这些个体泡泡中的宇宙永远无法互相取得联络。因为他们在暴胀之后都已经处于彼此的视界之外,相隔着大于光速可能传播的距离。

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统计科学在样本选取上有一个至关重要的概念,叫做“选择偏见”(selection bias)。如果有意无意地只选取了自己愿意看到或能看到的样本,得出的结果会有致命的偏差。

天文学家对这个概念尤其熟悉。他们甚至有自己的名称:“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。因为他们只能看到足够明亮的星星而会遗漏宇宙中大量不够亮、不发光的物体(那时,他不可能知道还会有暗物质)。这便会构成一个经典的选择偏见。

马姆奎斯特不是很出名,他这一警示的影响却很大。他之后的几代天文学家均战战兢兢,唯恐不小心掉进这个陷阱。但即便如此,他们还没想过宇宙——作为一个整体——居然也是马姆奎斯特偏见的实例。

英语和其它西方语言里的“宇宙”(universe)一词源自拉丁语,是“所有”、“全部”的意思。其词根“uni-”更是代表“唯一”。因此,宇宙自古以来都只有一个,揽括了全部的世界,并没有作选择的余地。

当然,在科幻世界中,人们早就在想象宇宙可以不唯一。他们通过替换词根很轻易地就生造出一个新词:“多重宇宙”(multiverse)。林德的新理论将这一假想概念堂而皇之地带进了科学殿堂,宇宙失去了其独一无二的特质。

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。这个宇宙中的物理法则和参数正好保证了我们能够生存。

于是,如果真的(曾经)有上帝存在,他也不是先知先觉地为人类精确设计、调整了这些法则、参数。他不过是一下子创造了几乎无穷多个宇宙,其中之一,或至少有一个,恰好适合人类生存。

这样,即使在创世之初,也并不需要有一个全能的上帝。

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费曼曾经在一次讲学中夸张地大发感慨:“你知道吗?我今晚遇到了最奇异的事件。我来这里时走过那停车场。你没法相信发生了什么。我看到一辆车,车牌号码是‘ARW 357’。你能想象吗?这个州有着几百万块不同的车牌号码,我在这个晚上看到这一个号码的几率该会是多么地小?真是奇迹啊!”

当我们景仰这个宇宙,感叹大自然的造化、上帝的睿智时,我们所崇拜的,其实很可能只是费曼眼里那个平淡无奇的车牌号码。


(待续)




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