宇宙是否經(jīng)過“微調(diào)”

苗千

宇宙到底為什么存在？這個問題似乎太過空洞。宇宙為什么是現(xiàn)在這樣的狀態(tài)？這樣的問題似乎也毫無意義。人類意識到可以把宇宙作為一個對象來研究才不過幾十年的時間，在這幾十年的時間里人類發(fā)現(xiàn)宇宙必然會有一個開端，這個開端大約是在140億年以前。

在宇宙誕生初期的一些過程，宇宙的年齡，乃至目前宇宙中大多數(shù)星系與天體的分類和分布已經(jīng)成為宇宙學(xué)研究的共識。而隨著對宇宙本質(zhì)認(rèn)識的不斷深入，更多的問題也隨之出現(xiàn)，例如我們所觀測到的宇宙狀態(tài)是否算是非常特殊？宇宙中的規(guī)律，一些常數(shù)，為什么會是某些特定的數(shù)值？這些問題并非全無來由，因為它們與生命的存在的可能性息息相關(guān)。

生命因何而存在

人類在地球上生生不息，早已經(jīng)對周圍的環(huán)境習(xí)以為常。但實際上，作為目前宇宙中唯一一個擁有生命的行星，地球是宇宙中一個極其特殊的天體，它以適當(dāng)?shù)木嚯x圍繞著一顆穩(wěn)定的恒星運轉(zhuǎn)，表面平均溫度恰好可以允許液態(tài)水的存在，它處于銀河系的邊緣，因此不必?fù)?dān)心受到超新星爆發(fā)或是其他天體的威脅……正是在這一系列偶然條件的共同作用之下，地球上才出現(xiàn)了生命——人類只有放眼整個宇宙，才會真正明白生命的偶然與可貴。

另一方面，人類對于宇宙的理解越深刻，就越明白生命的出現(xiàn)要依賴于宇宙中的各種“初始條件”。宇宙作為時間和空間的總和，在其間不僅有各種物質(zhì)，還有制約物質(zhì)運動的物理規(guī)律和各種常數(shù)。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這些規(guī)律和常數(shù)似乎是經(jīng)過某種“設(shè)定”一樣，搭配得非常精確，才使生命的出現(xiàn)在最根本的意義上成為可能。

物理學(xué)家們意識到，宇宙中存在著四種最基本的相互作用：強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用。這些相互作用的強度各不相同，而如果缺少了其中任何一種相互作用，或者強度與人們所觀測到的強度不同，整個宇宙的形態(tài)都會發(fā)生極大變化，生命可能壓根兒就不會出現(xiàn)。如果引力作用不存在，或者其強度大大弱于其真實強度，那么宇宙間的天體和星系自然也就都沒有機會因為引力作用而聚合形成;如果引力作用稍稍弱于目前的強度，那么恒星的溫度就會比真實溫度更低，從而無法形成超新星爆發(fā)——也就無從在宇宙中產(chǎn)生出重元素，生命自然也就無從出現(xiàn)和演化。另一方面，如果重力的強度高于其真實的強度，那么理論上只需要更少的材料就可以形成恒星，恒星的體積就會更小，壽命也會更短。

除了引力作用之外，強相互作用用以維持原子核內(nèi)部的穩(wěn)定性。如果強相互作用的強度比它的真實強度高出50%，那么宇宙中幾乎所有的氫元素都會在宇宙的早期燃燒掉，在恒星內(nèi)部進(jìn)行的恒星核合成也會比真實情況少得多。而且強相互作用強度的任何變化都會對宇宙中碳元素和氧元素的合成影響巨大，而這兩種元素都是構(gòu)成地球上的有機生命最重要的元素。與之類似的，支配核輻射效應(yīng)的弱相互作用如果遠(yuǎn)小于它的真實強度，那么在宇宙早期就會出現(xiàn)更多的中子，恒星可能根本就無法形成。

除了這幾種基本相互作用的強度之外，還有其他更微妙的數(shù)值對于宇宙的狀態(tài)和生命的產(chǎn)生影響巨大。例如在總共六種夸克中最輕的兩種，上夸克與下夸克之間的質(zhì)量差別大約是電子質(zhì)量的10倍，這個數(shù)字發(fā)生任何變動都有可能影響到構(gòu)成原子核的粒子：質(zhì)子和中子的穩(wěn)定性。質(zhì)子和中子都可以看作夸克的某種束縛態(tài)，如果上夸克和下夸克之間的質(zhì)量差發(fā)生變化，那么夸克就有可能形成新的束縛態(tài)而非質(zhì)子和中子，整個宇宙中的物質(zhì)形態(tài)可能會更加簡單，無法發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。另外，一些宇宙常數(shù)，能量密度等數(shù)值，如果發(fā)生變化，都可能極大影響宇宙的形態(tài)以及時空的性質(zhì)，無論發(fā)生任何變化，可能生命的產(chǎn)生都無從談起。

這樣來看，似乎整個宇宙狀態(tài)，從各種常數(shù)，到相互作用的強度，乃至物理定律的形式，全都“配合”的恰到好處，仿佛經(jīng)過精心的“微調(diào)”（Fine-Tuning）以確保生命形式可以在宇宙中產(chǎn)生，這難免讓人感到迷惑。根據(jù)人類的研究，從最簡單的形式開始，地球上的生命形式也只有幾十億年的歷史，而宇宙已經(jīng)有了大約140億年的歷史，而且經(jīng)過了不同的演化過程。為什么從剛剛誕生開始，各種宇宙常數(shù)和定律就都“恰到好處”地允許生命出現(xiàn)？這種“巧合”會讓一些人認(rèn)為宇宙的狀態(tài)是被一位萬能的造物主所設(shè)計好的，而讓生命可以出現(xiàn)，正是宇宙存在的意義之一。除了宗教情感之外，對于這種堪稱特殊的宇宙狀態(tài)，很多相信多重宇宙學(xué)說的宇宙學(xué)家也認(rèn)為，這正是在宇宙中存在著無窮多個充滿各種可能性的宇宙的最好的證據(jù)。

如何理解多重宇宙？

如果任何一個宇宙常數(shù)都可以是任何數(shù)值的話，那么這些數(shù)值恰好是落在生命可以存在的區(qū)間的可能性可以說微乎其微。因此，有一類多重宇宙學(xué)說認(rèn)為，正是因為存在著無窮多個宇宙，在不同的宇宙中分布著各種常數(shù)的不同數(shù)值，因此生命的出現(xiàn)也就不是一個巧合——因為生命只能在允許出現(xiàn)生命的宇宙中出現(xiàn)。

美國理論物理學(xué)家、宇宙學(xué)家、麻省理工學(xué)院教授阿蘭·古斯

劍橋大學(xué)理論天文學(xué)家馬丁·里斯

出于這個原因，一些宇宙學(xué)家把人類所觀測到的宇宙的狀態(tài)作為多重宇宙存在的證據(jù)，劍橋大學(xué)著名的理論天文學(xué)家馬丁·里斯（Martin Rees）正是其中的代表人物。多年來他始終堅信多重宇宙理論，盡管他也承認(rèn)人類有可能永遠(yuǎn)都無法發(fā)現(xiàn)多重宇宙存在的科學(xué)證據(jù)，但他仍然堅信其他形式的宇宙確實存在。里斯認(rèn)為，我們所在的宇宙的狀態(tài)在大爆炸發(fā)生時就已經(jīng)被決定——這樣的狀態(tài)，以人類的觀察來看，是非常特殊的一種。宇宙膨脹的速度、宇宙中各種元素的分配、各種基礎(chǔ)相互作用的強度，似乎是專門為了生命的出現(xiàn)所準(zhǔn)備的。例如，我們的宇宙中充滿了大量的各種各樣的原子，這是生命出現(xiàn)的最基本的條件之一：如果要出現(xiàn)有機生命，那么這種生命形式必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原子的尺度，在時間上，這種生命所存活的時間也有要遠(yuǎn)大于原子之間相互作用的時間。

如果宇宙中沒有大量原子的存在，那么宇宙中主要的存在形式有可能是黑洞，或是不活躍的暗物質(zhì)，或者是物質(zhì)全部平均分布的毫無差別而言的宇宙，在這樣無聊的宇宙中自然不可能有生命存在。在里斯看來，這種獨特的宇宙狀態(tài)說明生命出現(xiàn)在了一個恰好允許生命存在的宇宙中。這也正是所謂的“人則原理”（Anthropic Principle）：一個被觀測的宇宙環(huán)境，必然是允許觀測者存在的。想要理解宇宙的狀態(tài)為何如此，似乎只有“神創(chuàng)論”和“多重宇宙”兩種選擇了。劍橋大學(xué)的唐寧學(xué)院在2007年甚至舉辦過一次名為“上帝還是多重宇宙”（God or Multiverse）的研討會專門探討這個問題。

我們的宇宙到底是否經(jīng)過“微調(diào)”，或者說宇宙環(huán)境是否專門為了生命的出現(xiàn)而設(shè)定，盡管對于這些問題以人類目前的科學(xué)發(fā)展程度還不能夠給出明確的解答，但顯然還有相當(dāng)多的科學(xué)家對此持完全相反的觀點。

正如此前人們曾經(jīng)認(rèn)為如此精妙的生命結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)只能是上帝精心設(shè)計的結(jié)果，人類必然是造物主精心設(shè)計的“微調(diào)”的產(chǎn)物，但達(dá)爾文的自然選擇理論完全可以從進(jìn)化的角度來解釋生命形式何以從簡單發(fā)展到如此復(fù)雜。在物理學(xué)領(lǐng)域，人們認(rèn)為也有可能會出現(xiàn)某種理論解釋宇宙中生命出現(xiàn)的必然性。有人認(rèn)為這種局面恰好可以催生新物理學(xué)的誕生。比如說，目前全世界的物理學(xué)家都以構(gòu)建出足以解釋宇宙中一切現(xiàn)象的“大統(tǒng)一理論”作為研究的最高目標(biāo)——這樣的一種理論，應(yīng)該不僅可以解釋宇宙中發(fā)生的一切現(xiàn)象，還可以解釋其自身。一些宇宙常數(shù)究竟為什么必須為一個特定的數(shù)值，而不是可以取一個任意的實數(shù)，大統(tǒng)一理論理應(yīng)也可以對此做出解釋。在這種情況下，這個無所不包的理論就可以證明，我們所觀測到的宇宙并不是偶然的產(chǎn)物，而是其唯一可能具有的形態(tài)。

生命究竟是什么

關(guān)于宇宙是為了生命的存在而經(jīng)過“微調(diào)”的看法，還有一個原因使其無法得到廣泛的認(rèn)同，那就是人類至今為止都還沒有一個關(guān)于“生命”，可以被廣泛接受的清晰明確的定義。生命到底是什么？生命是否只能在地球上存在？生命到底可以以什么樣的狀態(tài)存在？生命是否可以被定義為宇宙的觀測者？在這些問題沒有得到明確的解答之前，所謂宇宙的特性是為了生命而微調(diào)也就失去了根基。即使以目前人類所認(rèn)識到的生命狀態(tài)來說，宇宙常數(shù)和物理學(xué)規(guī)律也不是最適合生命存在的狀態(tài)，在這個基礎(chǔ)上，人們可以幻想在一個完全不同的宇宙之中，在不同的物理學(xué)規(guī)律的支配之下，可能會出現(xiàn)其他形式的生命——這不僅取決于宇宙的狀態(tài)，還取決于我們對于生命的理解。

宇宙中的各種常數(shù)到底為什么“偏偏”是這樣的數(shù)值？關(guān)于這個問題，加拿大圓周理論物理研究所的物理學(xué)家李·斯莫林（Lee Smolin）認(rèn)為，必須采取一種科學(xué)的方式對其進(jìn)行分析，也就是說它應(yīng)該可證實、可證偽，并且是獨一無二的解答。這個解答必須還可以做出進(jìn)一步的推論，可以被實驗確認(rèn)或者否定，而且這個解答所給出的結(jié)果必須是獨特的，沒有其他更加簡單的解答可以得出同樣的預(yù)測。從這個立場出發(fā)，關(guān)于“微調(diào)”問題的很多解答都不可取。在斯莫林看來，不僅所謂的造物主創(chuàng)造宇宙的解釋不可取，所謂的從多重宇宙學(xué)說出發(fā)，通過人則原理給出的解釋同樣不是一個科學(xué)解釋，因為它不可能給出任何可以被實驗驗證的預(yù)測。

美國物理學(xué)家李·斯莫林

關(guān)于宇宙的狀態(tài)是否經(jīng)過微調(diào)的爭論，在科學(xué)界可能仍然會繼續(xù)下去，對于這個問題最終會有怎樣的解釋尚未可知，但答案不會只是二選一的簡單選項。例如目前人類觀察到宇宙空間的曲率非常接近平直，也就是說我們生活在一個非常平坦的空間之中。在一些宇宙學(xué)家們看來，這正是宇宙狀態(tài)被微調(diào)的結(jié)果，但是另一方面，根據(jù)麻省理工學(xué)院的宇宙學(xué)家阿蘭·古斯（Alan Guth）提出的宇宙暴漲假說，宇宙在剛剛誕生之后就發(fā)生了一次暴漲，這次暴漲的結(jié)果就是把空間從初始狀態(tài)拉伸到了平直的程度。也就是說，無論宇宙誕生之初空間的狀態(tài)是怎么樣，暴漲都能夠確保把空間拉伸到平直狀態(tài)。正如一個氣球，在沒有被吹足氣的時候可能呈現(xiàn)出各種各樣的狀態(tài)，但是當(dāng)它被吹滿了空氣，氣球的表層就會呈現(xiàn)出一種平均且相對平坦的狀態(tài)了，這與氣球的初始狀態(tài)并無關(guān)聯(lián)。需要注意的是，宇宙暴漲假說目前也還沒有得到最終證實，而且這個假說一旦成立，人們也就必須接受它所引發(fā)的另一個推論：暴漲從來不會停止。一個暴漲會引發(fā)出無窮無盡的暴漲，雖然在我們所生活的區(qū)域宇宙暴漲已經(jīng)結(jié)束，但是在我們所無法觀測的宇宙其他區(qū)域仍然在發(fā)生著無窮無盡的暴漲，這也正是多重宇宙學(xué)說的另外一個版本。盡管如此，宇宙暴漲假說為科學(xué)家們提供了一個可能性：我們可能最終會找到一個科學(xué)理論，為宇宙當(dāng)前適合生命存在的狀態(tài)提供合理的解釋。

我們所居住的宇宙，是否一切常數(shù)和規(guī)律都被調(diào)整到恰到好處，正好適合生命存在？也有科學(xué)家認(rèn)為并非如此。加拿大阿爾伯塔大學(xué)的理論物理學(xué)家唐·佩奇（Don Page）認(rèn)為，雖然我們的宇宙允許生命存在，但是顯然并非完美。例如整個宇宙正處于加速膨脹之中，這個加速度可以用一個“宇宙常數(shù)”來表示。雖然有宇宙學(xué)家認(rèn)為，宇宙常數(shù)如果過大、宇宙加速膨脹的速度過快，那么星系就不會形成，生命則不會出現(xiàn)。但在佩奇看來，這一點恰恰也可以用來證明宇宙沒有經(jīng)過微調(diào)，因為更小的宇宙常數(shù)，甚至稍微呈負(fù)值的宇宙常數(shù)才最有利于星系的形成，自然也就更有利于生命的產(chǎn)生和進(jìn)化。宇宙加速膨脹，實際上使生命形式更難獲得材料，這并非是生命存在的最佳條件。

我們必須意識到，生命在地球上出現(xiàn)有數(shù)十億年的時間，人類文明的長度與之相比只是短短一瞬，而人類真正意識到宇宙的狀態(tài)，開始用科學(xué)方法研究宇宙，才只有短短幾十年的時間，與生命的歷程相比連滄海一粟都算不上。在這樣的情況下，人們對于自身，或是對于宇宙的認(rèn)識產(chǎn)生出任何迷惑都屬正常，人類絕不能夠放棄的是科學(xué)精神。對于宇宙學(xué)家們來說，遮擋宇宙真實面貌的大幕還沒有拉開，還有更多的實際問題需要解答。

〔本文寫作參考了《斯坦福大學(xué)哲學(xué)百科全書》（Stanford Encyclopedia of Philosophy）有關(guān)微調(diào)的內(nèi)容以及其他相關(guān)報道〕