第7章表观奇迹

中国人谈及夏朝(约公元前2205年——约公元前1782年)的时候，我们的宇宙环境忽然改变。在天空出现了十个太阳。其灼热使地球上的人们痛苦不堪，皇帝命令名弓箭手后羿射落额外的太阳。后羿得到一个药丸作为奖赏，这药丸是长生不老药，但他的妻子嫦娥偷走药丸。由于这个罪过她被驱逐到月亮上去。

中国人认为拥有十日的太阳系对人类生活不友善，这点是正确的。我们今天知道，除了让皮肤晒黑之外，具有多个太阳的太阳系也许永不允许生命发展。其原因不象中国神话想象的灼热那么简单。事实上，一个围绕多个恒星公转的行星至少一会儿能感受到舒适的温度。但长期一致的取热，这对于生命似乎必要的情景，则是不太可能的。为了理解其原因，让我们看在最简单的多恒星系统，一种具有两个太阳的称作双星系统。在天空中大约有一半的恒星是这种系统的成员。然而甚至简单的双星系统也只能维持显示在下图的那种类型的某种稳定轨道，这些轨道中的每一个都可能有这样的时候，这时行星要么太热要么太冷，以致于不能维系生命。对于多恒星团的情形甚至更坏。

我们太阳系还具有其它“幸运”的性质，若无这些性质复杂的生命形式也许永远不能演化。例如，牛顿定律允许行星轨道要么是圆要么是椭圆(椭圆是挤扁的圆，在一个轴上较宽，而沿着另一轴较窄)。椭圆被挤扁的程度用所谓的偏心率来描述，这是一个在零和一之间的数。偏心率接近零表示图形类似于圆周，而偏心率接近一表示它非常扁。恒星不进行完美的圆周运动使开普勒非常不安，然而地球轨道具有仅仅大约百分之二的偏心率，这表明它几乎是圆形的。后来发现，这真是个好运气。

地球上的季节天气模式主要是由地球旋转轴相对于围绕太阳轨道面的倾角确定。例如，在北半球冬季之际，北极向离开太阳方向倾斜。事实上在那时，地球离太阳最近——只有0.915亿英哩那么远，而相对于7月初离开太阳大约有0.945亿英哩，这个事实和它的倾斜相比较对于温度只有可忽略的效应。然而，在具有大轨道偏心率的行星上，离日距离的变化起的作用大多了。例如，在具有偏心率百分之二十的水星上，在它处于近日点时的温度超过其处于远日点时200华氏度。事实上，如果地球轨道的偏心率接近于1，我们到达近日点时海洋沸腾，而到达远日点时冰冻，无论是寒假还是暑假都不宜人。大轨道偏心率无助于生命，因此我们很幸运地拥有其轨道偏心率接近于零的一个行星。

在我们太阳质量和我们离开它的距离的关系上，我们也很幸运。这是因为恒星质量确定其放出的能量数量。最大的恒星拥有的质量大约为我们太阳的一百倍，而最小大约小一百倍。而且还有，假如日地距离给定，如果我们的太阳只要百分之二十更轻或更重，地球就会比现在的火星更凉，或比现在的金星更热。

在传统上，给定任何恒星，科学家将可栖息区域定义为围绕着恒星的狭窄地区，该处温度使得液态水能存在。可栖息区域有时称为“金凤花区域”，这是因为要求液态水存在意味着，正如金凤花，智慧生命的发展要求行星温度“刚好合适”。上面画里的我们太阳系中的可栖居区域很微小。幸运的是，对于我们之中的那些智慧生命形式，地球刚好落在其中！

牛顿相信，我们奇异的可栖息区域并非“仅由自然定律从混浊中产生”。他反而主张，宇宙中的秩序“最初是由上帝创造的，并由他将同样的状态和条件保存至今。”很容易理解为何人们会这么想。如果我们的太阳系是宇宙中唯一的，那么许多似不可信的事件协同发生使我们得以存在，以及我们世界的善待人类的设计，确是令人困惑。然而这被1992年一颗绕着有别于我们太阳的恒星公转的行星观测首次确认。我们现在知道几百颗这样的行星，而在我们宇宙中的亿万颗恒星之中存在无数其它的行星，很少人对此会有疑问。这使得我们行星条件——单独太阳，日地距离和太阳质量的幸运组合——作为地球是仅仅为了取好我们人类而精心设计的证据，远非那么不寻常，那么引人注目。所有种类的行星存在。有些——至少一个——支持生命。显然，当在一个支持生命的行星上的生命研究围绕着他们的世界，他们一定发现其环境满足他们要求存在的条件。

上面最后陈述可能被变成一个科学原理：正是我们的存在赋予确定我们从何处在何时可能观测宇宙的规则。也就是说，我们存在的事实限制了我们发现自己处于其中的一类环境的特征。这个原则称为弱人存原理。(我们很快就要看到为什么附加了形容词“弱”。)比人存原理更好的术语可以是“选择原理”，因为这原理是指对我们存在的自我了解如何强加规则，这规则从所有可能的环境中只挑出那些具有允许生命的特征的环境。

虽然它也许听起来象哲学，弱人存原理可用来进行科学预言。例如，宇宙有多老了？正如我们很快就要看到的，为了我们的存在宇宙必须包含诸如碳的元素，碳是在恒星之中由加热更轻的元素而产生的。然后碳必须在一次超新星爆发中通过太空散射，而最终在新一代的太阳系中凝聚成行星的部分。1961年物理学家罗伯特迪克论证道，这个过程大约要花100亿年，这样我们在此存在意味着宇宙应至少那么老。另一方面，宇宙也不能比100亿年老太多，由于在遥远的将来恒星用的所有燃料会被用光，而我们需要热的恒星来维持我们。因此宇宙必须是大约100亿年那么老。那不是极端精密的预言，但它是真的——根据现有资料，大爆炸大约发生于大约137亿年之前。

正如宇宙年龄的情形，人存预言对于给定物理参量通常产生一个值的范围而非精确地描准它。那是因为我们的存在可能不需要某些物理参量的特殊值，它经常依赖于其值不偏离我们实际发现的太远的这类参数。此外，我们预料我们世界中的实际条件通常在人存允许的界限之内。例如，如果只有适度轨道偏心率，譬如讲在0和0.5之间允许生命，那么0.1的偏心率就不应该使我们惊讶，因为在宇宙的所有行星之中，也许一个相当百分比拥有偏心率那么小的轨道。但倘若结果是地球在一个接近完美的，具有比如说0.00000000001偏心率的园周上运行，那就的确会使地球变成非常特殊的行星，并且促使我们试图解释为何我们发现自己生活在如此反常的家园。这个思想有时被称作平庸原理。

与行星轨道形状、太阳质量等等有关的幸运的巧合被称作环境的，这是因为它们是从我们周围意外的好运而非从自然基本定律中的侥幸的机会产生。宇宙的年龄也是一个环境因素，在宇宙的历史中存在更早或更晚的时间，但因为这个时代是仅有的有助于生命的，因而我们必须生活在此时代。因为我们的栖息地只是在宇宙中存在的许多中的一个，而显然我们必须在一个支持生命的栖息地存在，所以很容易理解环境的巧合。

弱人存原理没有多少可争议的。但是存在一种较强的形式，我们将在这里论证，尽管一些物理学家很轻视它。强人存原理提议，我们存在的事实不仅对我们的环境而且对自然定律的可能形式和内容本身都加以限制。产生这种思想的原因是，似乎奇妙地有助于人类生命发展的不仅是太阳系罕有的特征，而且是我们整个宇宙的特征，解释后者要困难得多。

具有氢、氦和一点锂的太初宇宙如何演化成一个庇护至少一个拥有象我们这样的智慧生命的世界的故事可写成长篇巨作。正如我们早些提到的，自然力必须如此，使较重的元素——尤其是碳——能从太初元素产生，并且至少在几十亿年期间保持稳定。那些重元素是在我们叫做恒星的火炉里形成，这样力首先必须允许恒星和星系形成。那些是从早期宇宙的细微不均匀性的耔长成的，早期宇宙除了令人感恩地包含大约十万分之一的密度变化几乎是完全均匀的。然而，恒星的存在，我们由之构成的在那些恒星之中的元素的存在是不够的。恒星的动力学必须如此，有些会最终爆炸，此外还要精准地以一种能把重元素分配到太空去的方式爆炸。还有，自然定律必须要求那些残余能凝聚成新一代恒星，而合并新形成的重元素的行星环绕着这些恒星。正如为了允许我们得以发展，在早期地球必须发生某些事件，这个链条的每一环节对于我们之存在也都是必须的。但在宇宙演化引起的事件的情形，这类发展是由自然基本的力的平衡所制约，正是那些交互作用的力必须恰好使我们得以存在。

这也许牵涉到好多意外发现的好运气，弗雷德·霍伊尔是1950年代首先认识到这一点的一位。霍伊尔相信，所有化学元素最初都是由氢形成的，他觉得氢是真正的太初物质。氢具有最简单的原子核，该核只包含一个质子，它要么单独，要么和一至两个中子结合。(氢的或任何核的具有相同数目的质子数，但不同数目的中子的不同形式称为同位素。)氦和锂的原子的核包含两个和三个质子。我们今天知道，氦和锂元素也是太初合成的，那时宇宙年龄大约为200秒，合成的数量要少得多。另一方面，生命依赖于更复杂的元素。其中碳最重要，它是整个有机化学的基础。

虽然人们也许将诸如从其它元素比如硅生产的智慧电脑当作“活”的生物，在缺乏碳时，生命能自发地演化过却是令人怀疑的。其原因是技术性的，但必须与碳和其它元素结合的唯一方式有关。例如：二氧化碳在室温下呈气态，并在生物学上非常有用。由于硅是在周期表上在碳的正下面的元素，它具有类似的化学性质。然而，二氧化硅即石英在岩石收集上比在生物的肺中远远有用得多，尽管如此，也许生命形式可以在靠吃硅存活并且在液氨池子里有节奏地扭动尾巴之际演化。甚至那种独特的生命不能仅从太初元素演化，因为那些元素只能形成两种稳定的化合物，氢化锂，这是无色的结晶固体，还有氢气，它们没有一种是可能复制或者甚至恋爱的化合物。还有，事实依然是我们是碳的生命形式，碳的核包含六个质子，而这引起了碳和我们身体中的其它重元素如何被创造的问题。

第一步发生于较老的恒星开始积聚氦时，氦是当两个氢核碰撞并相互融合而产生的。这种聚变正是恒星何以制造使我们温热的能量。两个氦原子可依着顺序碰撞形成铍，这是核包含四个质子的原子。一旦铍形成了，在原则上它可能和第三个氦核融合而形成碳。然而并未发生，因为形成的铍的同位素几乎立即衰变回氦核。

当一个恒星的氢开始被用尽时情况改变。当那发生时，恒星的核塌缩直至其中心温度升至大约1亿度开尔文。在那些条件下，核相互间如此频繁遭遇，使得一些铍核在有机会衰变之前即和一个氦核碰撞。那时铍可和氦融合形成碳的一种稳定的同位素。可是那个碳到形成能享受一杯波尔多葡萄酒，抛耍燃烧的保龄球木瓶，或者诘问有关宇宙问题的那类化合物有序结合还有很长的路要走。为了诸如人类的生命能存在，碳必须从恒星内部被移到更友好的邻近。正如我们说过的，那就是，当恒星在它的生命循环的终点作为超新星爆发，抛出碳和其它重元素时完成了这一步，抛出的这些后来凝聚成一个行星。

碳创生的这一过程被称为三阿尔发过程，因为“阿尔法粒子”是涉及的氦同位素的核的另一个名字，而且这个过程需要它们中的三者(最终)融合在一起。通常的物理预言，通过三阿尔法过程产生碳的速率应该是非常小的。注意到这一点，1952年霍伊尔预言一个铍核和一个氦核的能量之和必须与要形成的碳的同位素的某一量子态的能量几乎精确相等，这种情景称为共振，它极大地提高了核反应的速率。那时还不知道有这种能级，然而在霍伊尔建议的的基础上，加州理工学院的威廉否勒探索并找到了它，为霍伊尔关于复合核如何被创生的观点提供了重要支持。

霍伊尔写道：“我不相信任何考察此证据的科学家会得不出推论，核物理定律是顾及到它们在恒星内部产生的后果而被有意设计的。”在那个时候，无人有足够的核物理知识，得以理解由这些精确物理定律导致的何等的意外运气。可是，近年物理学家在研究强人存原理的有效性时，开始询问如果自然定律不同的话，宇宙会变得什么模样。我们今天可以创造电脑模型，它能告诉我们三阿尔法反应率如何依赖于自然的基本力的强度。这种计算显示，只要在强核力的强度上哪怕改变百分之0.5，或者电力改变百分之四，就会在每个恒星中要么几乎毁灭全部碳，要么毁灭全部氧，因而毁灭了我们所知的生命的可能性。只要改变我们宇宙的那些规则一点，我们存在的条件就消失了！

人们检查在一定的方式改变了理论物理时产生的模型宇宙，能够系统地研究物理定律这些改变的效应。结果发现不仅是强作力和电磁力的强度是为我们的存在而量身定做的。在我们理论中的大多数基本常数显得在以下意义上都被仔细微调，如果它们哪怕被适量改变，宇宙就会是定性上不同，在许多情况下不适合于生命发展。如果其它核力，例如弱力弱得更多，那么在早期宇宙所有的氢都会转变为氦，因而不存在正常恒星；如果它强大得多，爆发的超新星就不会喷出外壳，因而就不能在星际空间撒下行星抚育生命所需的重元素的种子。如果质子只要更重百分之0.2，它们就会衰变成中子，使原子不稳定。如果构成质子的夸克种类的质量总和只要改变小到百分之十，那么我们由之组成的稳定的原子核就要少得多；事实上，夸克的质量和似乎对于大量稳定核的存在似乎大致是最佳的。

如果人们假定对于行星生命之演化几亿年的稳定轨道是必须的，那么空间维度的数目也被我们的存在所固定。那是因为，根据引力定律，只有在三维时，稳定椭圆轨道才有可能。在其它维中，圆周轨道是可能的，但正如牛顿担心的，那些是不稳定的，除了三维的任意维甚至一个小干扰，诸如那些由其它行星的拉力产生的会迫使行星脱离其圆周轨道，并使之要么旋入或旋离太阳，这样我们要么被烤死要么被冻死。还有在多于三维时，两体间的引力会减弱得比在三维时更快。在三维时，当距离加倍时引力下降到1/4。在四维时，下降至1/8，在五维时，下降到1/16，等等。因而，在多于三维时，太阳不能在一种稳定的状态存在，即其内部压力平衡引力的吸引。它要么会分裂，要么会塌缩形成一个黑洞，任何一种后果都不会让你开心。在原子的尺度，电力的行为和引力一样。那意味着原子中的电子要么会逃离，要么旋进核去。在任一种情形下，如我们所知的原子是不可能的。

能够支持智慧观察者的复杂结构的出现似乎是非常脆弱的。自然定律形成了一个极端仔细微调的系统，在不毁灭我们所知道的生命发展的可能性下，物理定律能被改变的是非常小的。若非在物理定律的精确细节上的一系列令人吃惊的巧合，人类和类似的生命形式似乎永远不可能形成。

最令人印象深刻的微调巧合牵涉到在广义相对论的爱因斯坦方程中的所谓的宇宙常数。正如我们说过的，当他于1915年表述该理论时，爱因斯坦相信宇宙是静态，也就是既不膨胀也不收缩。由于所有物质都吸引其它物质，他将一个新的反引力的力引进他的理论，以对抗宇宙向自身收缩的倾向。这个力，不象其它力并非来自任何特殊的源，而是植入时空的结构本身。宇宙常数描述那个力的强度。

当发现宇宙不是静态时，爱因斯坦从他的理论中除去宇宙常数，并声称将其纳入是他一生最大的错误。然而，1998年对非常遥远的超新星的观测指示，宇宙正在加速膨胀，若无某种作用穿透空间的排斥力不可能有这个效应。宇宙常数被复活了。由于我们现在知道它的值不为零，余下的问题便成为，为何它具有现有的值？物理学家创造了论证，解释它如何可能因量子力学效应而出现，但他们计算的数值大约比由超新星观测得到的实际数值强120个数量级(或者1后面跟120个零)。这就意味着，要么在计算中使用的推理错了，要不然就是存在着另外某种效应神奇地对消了计算值的一切，只剩下一个无法想象的小的微量。有一件事可以肯定，如果宇宙常数的值比现值大得多，我们的宇宙就会在星系形成之前自己爆炸开来——再次——就我们所知的生命是不可能的。

我们从这些巧合得出什么结论？在物理基本定律的精确形式和性质中的运气和我们在环境因素中发现的幸运是不同类型的。它不可能被轻而易举地解释，而具有深刻得多的物理和哲学含义。我们的宇宙和它的定律显得是一种设计，这两者都为支持我们而量体裁制的，如果我们必须存在，改变的余地就很小。这不容易被解释的，而且自然地引起了为何它是这样的问题。

很多人愿意我们利用这些巧合作为上帝工作的证据。宇宙是上帝设计来供人类居住的观念出现在几千年以来直至现代的神学和神话之中。在玛雅人波波武经把神话当作历史的故事中的神正式宣布：“直到具有认识才能的人类存在，我们才为我们创生和形成的一切接受名誉和尊敬。”公元前二千年的典型的埃及文字陈述：“人，上帝的畜牲，已经被很好地供养。他(太阳神)为他们创造了天地。”在中国道教哲学家列御寇(约公元前400年)通过一个故事中人物的嘴说道，“天之于民厚矣！殖五谷，生鱼鸟以为之用。”

在西方文化中，旧约圣经在其创生故事中包含神意设计的思想，然而亚里士多德也极大地影响了传统基督教的观点，他深信根据某种深思熟虑设计而运行的智慧的自然世界。中世纪基督教神学家托马斯·阿奎那利用亚里士多德关于自然秩序的思想论证上帝之存在。在十八世纪另一位基督教神学家甚至走到这么远，说免子之所以有尾巴是让我们容易射中它们。几年前维也纳的总主教克里斯托弗·舍本恩红衣主教对基督教观点给出更现代的诠释，他写道：“现在，在二十一世纪之初，面临着诸如新达尔文主义和宇宙学中的多宇宙假设新的科学宣告，这些是发明来避免在现代科学中发现目的和设计的压倒性的证据，天主教会将正式宣布自然的内在设计是真实的，以再次捍卫人性。”这位红衣主教在宇宙学中所指的目的和设计的压倒性证据是我们上面描述的物理定律的微调。

哥白尼的太阳系模型是科学拒绝人类中心宇宙的转折点，地球在该模型中不再占据中心位置。具有讽剌意味的是，哥白尼自己的世界观却是神人同形的，甚至到了这种程度，为了安慰我们，他指出尽管他的日心模型，地球几乎处于宇宙的中心：“虽然[地球]不处于世界的中心，尽管如此，其[离开中心的]距离尤其在和固定恒星间的距离相比较时算不了什么。”随着发明望远镜，在十七世纪的观测，诸如我们的并非被一个月亮环绕公转的仅有的行星的事实，强烈支持我们在宇宙中不居优越位置的原理。在随后的几世纪里，我们对宇宙发现得越多，似乎越显得地球可能只不过是平凡的行星。然而，现代发现了这么多自然定律的极端微调，至少可使我们中的某些人有点回到这个大设计是某一伟大设计者的作品的旧观念。因为在美国不准在学校里教宗教，所以这类思想被称为智慧设计，不明说但隐含的意义是该设计者为上帝。

那不是现代科学的答案。我们在第五章看到，我们的宇宙似乎是许多中的一个，每一个拥有不同的定律。多宇宙思想不是发明用来解释微调的奇迹的。它是无边界条件还有现代宇宙学中其它许多理论的一个结论。然而如果它是正确的，那么强人存原理可被认为有效地等同于弱的版本，将物理定律的微调放在和环境因素同样的立足点上，由于它意味着我们宇宙栖息处——现在是整个可观测的宇宙——只是许多个中的一个，正如我们的太阳系是许多中的一个一样。这意味着，多宇宙的存在可能解释自然定律的微调，其方法和意识到存在类似太阳系的亿万个系统，使得我们太阳系的环境巧合变得寻常一样。长期以来，许多人将自然的美和复杂归功于上帝，这在他们的时代似乎得不到科学的解释。然而，正如达尔夫和华莱士不用一个至高存在的干涉解释生命形式的表观奇迹设计能够出现，多宇宙概念可以解释自然定律的微调，而不需要为我们制造宇宙的仁慈的造物主。

有一次爱因斯坦诘问助手恩斯特·斯特劳斯：“上帝在创生宇宙时有任何选择吗？”在十六世纪末开普勒坚信，上帝根据某种完美的数学原则创造了宇宙。牛顿证明，适用于天穹的同样定律也适用于地球，并发展了表达那些定律的数学方程，这些方程是如此优雅，甚至几乎激起了十八世纪的许多科学家的宗教热诚，他们似乎想用它们来证明上帝是一名数学家。

自从牛顿，特别是爱因斯坦以来，物理学的目标已是去发现开普勒摹想的那种简单的数学原则，并利用它创造一个万物的统一理论，该理论会解释我们在自然中观察的物质和力的所有细节。在十九世纪末和二十世纪初麦克斯韦和爱因斯坦统一了电磁和光的理论。1970年代标准模型被创造出来，这是一个强和弱核力以及电磁力的单独理论。后来弦理论和m理论出现，试图去包括余下的力，即引力。其目标不仅是找到能解释所有力的单独理论，而且能解释我们一直谈论的诸如力的强度和基本粒子的质量和荷的基本的数。正如爱因斯坦所说，希望在于能够说“自然是这样构成的，可能逻辑地设计这么彻底地确定的定律，以至于在这些定律之中只有合理地完全被确定的常数存在(因此，不是那些在不毁灭理论前提下数值可被改变的常数)。”一个唯一的理论不大可能被微调以致允许我们的存在。但是鉴于目前的进步，我们如果将爱因斯坦之梦解释为找到唯一的理论，该理论解释这个和其它宇宙以及其不同定律的整个谱系，那么m理论可能就是那个理论。然而m理论上是唯一的吗？或者它是由任何简单的逻辑原则所要求的吗？我们能回答这个问题吗，为什么是m理论而不是别的理论？