宇宙微調說言過其實？

作者：Gabriel Popkin, Contributor

發表於：2017年5月12日

來源：AIP InsideScience

新實驗或表明宇宙中存在與人類大相徑庭的生命體。

太陽正在噴射高能X射線流

Image credits:Nasa/Jpl-Caltech/Gsfc

在1994年的歌曲《太陽為什麼發光？》（Why does the sun shine?）中，搖滾樂隊「他們或許是巨人」（They Might be Giants）這樣唱道：氫在數百萬度高溫下變成氦。這句歌詞遺漏了一點，那就是氘（重氫）。形象地說，氘就是恆星將氫變成氦的進階之石。絕大多數物理學家認為氘是恆星得以發光的最大功臣，對生命的存在至關重要。但最近發表的兩篇研究論文卻對這一長期公認的假設提出質疑。

所有生命能量之源

恆星最初以炙熱等離子體形態存在，主要由氫構成。形象地說，此時的恆星就像是一碗不斷攪動的「湯」，「食材」則是質子和電子——質子是帶正電的亞原子粒子，電子是帶負電的粒子。氘在兩個質子發生高能撞擊時形成，即一個質子轉化成不帶電的中子，另一個質子與中子通過核聚變反應聚合在一起。此時，如果再與第三個質子相撞，便會產生氦。每一步都會釋放出能量，部分能量最終溫暖我們的地球，直接或間接為地球上的所有生命提供能量，包括人類在內。

氘之所以對生命至關重要，還有另外一個原因。在耗盡自身的氫後，恆星將氦聚合成碳以及構成已知生命形態的其它較重元素。如果恆星發光，但卻沒有產生氦的任何途徑，生命也就不復存在。這造就了一個令物理學家困惑的謎團——將亞原子粒子聚合在一起的強核力的強度似乎「剛剛好」，既能讓恆星發光，同時又不會過快耗盡燃料，進而賦予生命進化時間，在行星上繁衍生息。

1971年，普林斯頓高級研究院弗里曼·戴森（Freeman Dyson）在《科學美國人》（Scientific American）雜誌撰文指出，如果強磁力更強一點，兩個質子便會聚合在一起，導致恆星過快耗盡燃料，致使生命來不及在行星上進化。如果強磁力稍弱一些，氘便會土崩瓦解，留下無法為生命提供能量的惰性氣體。在隨後的研究中，其他科學家闡述了這一點。劍橋大學的天體物理學家馬丁·里茲（Martin Rees）指出，這種「無核」宇宙只在一定程度上與我們生存的宇宙類似，就像大理石雕像與真人相似一樣。

宇宙微調說遭質疑

物理學定律似乎為複雜生命進行巧妙「微調」，這與物理學家的直覺背道而馳。在物理學家看來，宇宙沒有任何理由傾向於產生對生命有利的定律，同時將不支持生命存在並且數量更為龐大的可能性排除在外。為了解釋這種微調，一些物理學家提出了多元宇宙假設。所謂多元宇宙就是存在大量宇宙，由不同的物理學定律主導。令人毫不驚訝的是，我們生存在一個支持複雜生命的宇宙。

最近，有物理學家提出疑問——強磁力真的進行微調了嗎？2015年，這一論點出現裂縫。當時，悉尼大學的盧克·巴納斯（Luke Barnes）通過電腦模擬證明，戴森提出的「雙質子災難」可能並非他認為的那樣具有災難性。在一個強核力更大並且質子聚合的宇宙，恆星仍能燃燒數百萬年，讓生命擁有足夠的時間進行進化。

在《天體粒子物理學》雜誌4月刊登的一篇研究論文中，密歇根州大學物理學家弗萊德·亞當斯（Fred Adams）和埃文·格羅斯（Evan Grohs）又對相反的觀點提出質疑，即在一個強核力弱到氘都無法聚合的宇宙，恆星無法產生能量。他們對恆星的形成和演化進行了複雜的電腦模擬，涉及恆星的質量、溫度和構成等一系列參數。

根據他們的研究，即使氘在形成後立即土崩瓦解，恆星仍有3種方式可以長期產生能量。第一種方式中，恆星因引力凝縮，溫度升高。大質量恆星的升溫仍能達到發光的程度，最終在不依賴氘的情況下發生核聚變。第二種方式建立在這樣一個事實基礎之上，即恆星含有少量的碳，這些碳在前幾代恆星以超新星形式發生爆炸時形成。在亞當斯和格羅斯的模擬中，擁有足夠碳的恆星能夠支撐一個核聚變周期，在沒有氘的情況下產生能量。不過，亞當斯承認這個周期無法為宇宙的第一批恆星提供能量。踏上生命征程之初，首批恆星完全由氫構成。

亞當斯表示第三種可能性最令人不可思議。即使氘在較弱的強核力條件下不夠穩定，氘仍能短暫形成，而後再度瓦解，產生質子和中子。活力四射的中子可能與其它質子相撞，形成更多氘。一些短命氘在瓦解前會被質子撞擊，形成氦。在我們生存的宇宙，氦核之間的類似三體撞擊據信在恆星上產生碳。當亞當斯和格羅斯在模擬中製造擁有足夠溫度和密度的恆星——大約是太陽的10倍——便會發生足夠多的撞擊，為極度興奮的恆星提供能量。

彰顯宇宙神秘複雜

在預印本文獻庫arXiv最近登載的一項研究中，巴納斯和悉尼大學的物理學家傑蘭特·劉易斯（Geraint Lewis）創建了一個不同的模擬，強核力較弱並且氘不穩定。與亞當斯和格羅斯不同，兩位澳大利亞物理學家發現此時的恆星會變成一個冰冷的無生命氣體球，不會發生核聚變或者放射出光和熱。

根據劉易斯和巴納斯的假設，氘直接衰變成兩個質子。亞當斯表示這種差異導致兩個研究小組得出截然不同的結論。「他們並沒有將自由中子囊括其中，我不認為他們得到了正確答案。」不過，巴納斯並不相信自由中子能夠產生很大影響。他在電郵中指出：「我並不認為自由中子足以改變結論。」巴納斯將這種差異歸因於這樣一個事實，他與劉易斯假設氘的衰變速度是亞當斯和格羅斯模擬的1000萬倍（1000萬倍聽起來很驚人，實際上相差不過1秒）。由於這種速度差異，亞當斯和格羅斯模擬中的氘擁有更多時間被質子撞擊，並形成氦。除了衰變速度外，兩項模擬還存在其它一些差異。

巴納斯和劉易斯對強核力稍弱的情況進行了模擬。此時，氘保持束縛狀態，但消耗恆星的能量，以便為核聚變提供能量。一顆不放射任何能量的恆星不能被稱之為真正的恆星。研究人員發現束縛較弱的氘與氫聚合在一起，形成氦，整個過程仍能釋放足夠能量，讓恆星繼續發光。巴納斯說：「恆星要比人們認為的更加活躍。」

德國波恩大學核物理學家烏爾夫·邁斯納（Ulf Meissner）表示：「這些研究非常令人著迷。它們再度證明物理學家需要謹慎驗證看似顯而易見的假設。很多人認為如果氘不穩定，核合成便無法發生，這種觀點顯然是錯誤的。」邁斯納並沒有參與兩項研究。

兩篇研究論文並不會終結有關宇宙微調的討論。里茲發現了6種宇宙微調方式，包括宇宙的維度數量以及與其它力相比較為弱小的引力。邁斯納最近進行了一項研究，涉及其它基本的物理學參數。研究結果支持微調說，而不是駁斥這一理論。即使強核力走弱，物理學家仍有大量解釋工作要做。針對同一個研究對象，不同科學家得出不同結論，這再一次彰顯出宇宙的神秘與複雜。

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文章來源： 美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄 張錚錚供稿

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