宇宙的非微调

B有生命，必有结构。我们的宇宙在早期就合成了原子核。这些原子核俘获电子形成原子。这些原子凝聚成星系、恒星和行星。终于，生物有了称之为家的地方。我们想当然地认为物理定律允许这种结构的形成，但事实并非如此。

在过去的几十年里，许多科学家都认为，即使物理定律稍有不同，宇宙也不会有复杂的结构。与此同时，宇宙学家已经意识到，我们的宇宙可能只是多元宇宙的一个组成部分，多元宇宙是组成更大的时空区域的众多宇宙的集合。其他宇宙的存在为物理定律的表面微调提供了一个吸引人的解释。这些定律因宇宙而异，我们生活在一个允许观察者存在的宇宙中，因为我们不能生活在其他任何地方。

天体物理学家对微调的讨论如此之多，以至于许多人认为我们的宇宙非常适合复杂的结构。即使对多元宇宙持怀疑态度的人也接受微调;他们只是认为这一定有其他的解释。但事实上，微调从来没有被严格地证明过。我们并不真正知道什么物理定律是天体物理结构发展所必需的，而天体物理结构又是生命发展所必需的。最近在恒星演化、核天体物理学和结构形成方面的工作表明，微调并不像以前认为的那么令人信服。各种各样可能存在的宇宙可以支持生命。我们的宇宙并不像看起来那么特别。

T他的第一类微调涉及到工作恒星的基本自然力量的力量。如果电磁力太强，质子的电斥力就会停止恒星核心的核聚变，恒星就不会发光。如果电磁太弱，核反应就会失去控制，恒星就会在壮观的爆炸中爆炸。如果引力太强，恒星要么会坍缩成黑洞，要么永远不会着火。

然而，仔细观察，恒星是非常坚固的。在恒星运行受到影响之前，电的强度可以在任何方向上变化近100倍。重力必须要大10万倍。从另一个方向来看，引力可能会弱十亿倍，但仍然允许存在恒星。引力和电磁力的允许强度取决于核反应速率，而核反应速率又取决于核力的强度。如果反应速度更快，恒星可以在更大的引力和电磁强度范围内发挥作用。更慢的核反应会缩小这个范围。

在银河系的大部分地区，夜空的亮度可能与我们在地球上白天看到的阳光相同。

除了这些最低限度的作战要求外，星星还必须满足一些其他限制条件，这些条件进一步限制了部队的允许兵力。他们一定很热。恒星的表面温度必须高到足以驱动生命所必需的化学反应。在我们的宇宙中，大多数恒星周围都有足够的区域，那里的行星温度足够高，大约300开尔文，足以支持生物的生长。在电磁力较强的宇宙中，恒星温度较低，因此不太适宜居住。

恒星也必须有很长的寿命。复杂生命形式的进化发生在漫长的时间跨度内。由于生命是由一系列复杂的化学反应驱动的，生物进化的基本时钟是由原子的时间尺度设定的。在其他宇宙中，这些原子钟会以不同的速度滴答作响，这取决于电磁的强度，而这种变化必须被考虑在内。当力较弱时，恒星燃烧核燃料的速度就会加快，它们的寿命就会缩短。

最后，恒星必须首先能够形成。为了让星系以及后来的恒星从原始气体中凝结出来，气体必须能够失去能量并冷却下来。冷却速度(又一次)取决于电磁的强度。如果这种力太弱，气体就无法足够快地冷却下来，就会继续扩散而不是凝结成星系。恒星也必须比它们的宿主星系要小，否则恒星的形成就有问题了。这些效应为电磁强度设定了另一个下限。

综合起来，基本力的强度可以变化几个数量级，但仍然允许行星和恒星满足所有的约束条件(如下图所示)。这些力量并不像许多科学家认为的那样精细。

一个第二个可能进行微调的例子出现在碳生产的背景下。在中等大的恒星将其核心的氢聚变成氦之后，氦本身就成为了燃料。通过一系列复杂的反应，氦被燃烧成碳和氧。由于氦核在核物理中的重要作用，它被赋予了一个特殊的名字:粒子。最常见的原子核是由1、3、4和5个阿尔法粒子组成的。带有两个阿尔法粒子——铍-8的原子核显然不存在，这有一个很好的理由:它在我们的宇宙中是不稳定的。

铍的不稳定性给碳的形成造成了严重的瓶颈。当恒星将氦核融合在一起形成铍时，铍核几乎立即衰变回它们的组成部分。在任何给定的时间，恒星核心都保持着少量但转瞬即逝的铍。这些稀有的铍核可以与氦相互作用产生碳。因为这个过程最终涉及到三个氦核，所以被称为三重反应。但反应太慢，无法产生我们宇宙中观测到的碳量。

为了解决这个矛盾，物理学家弗雷德·霍伊尔在1953年预测，碳核必须在特定的能量下有一个共振态，就好像它是一个小铃铛，发出特定的声音。由于这种共振，产生碳的反应速率比正常情况下要大得多——大到足以解释我们宇宙中碳的丰度。共振后来在实验室中测量了预测的能量级。

令人担忧的是，在其他宇宙中，由于力的强度不同，这种共振的能量可能不同，恒星将不会产生足够的碳。如果能源水平的变化超过4%，碳产量就会受到影响。这个问题有时被称为三重alpha微调问题。

幸运的是，这个问题有一个简单的解决方案。核物理学拿走的东西，也给予了它。假设核物理确实发生了足够的变化来中和碳共振。在这个量级的可能变化中，大约有一半会产生使铍稳定的副作用，因此共振的损失将变得无关紧要。在这种交替的宇宙中，碳将以更合理的方式产生，即一次一个的把阿尔法粒子加在一起。氦可以融合成铍，然后铍可以与额外的阿尔法粒子反应生成碳。毕竟没有微调问题。

一个可能进行微调的第三个例子涉及由两个粒子组成的最简单的核:氘核，它包含一个质子和一个中子;二质子，由两个质子组成;还有双中子，由两个中子组成。在我们的宇宙中，只有氘是稳定的。氦的产生首先是两个质子结合成氘。

如果强核力再强一些，二质子就会很稳定。在这种情况下，恒星可能通过最简单和最快的核反应产生能量，在核反应中，质子结合成二质子，最终形成其他氦同位素。有时有人声称，恒星会以灾难性的速度燃烧核燃料，导致其寿命太短，无法维持生物圈。相反，如果强的力较弱，那么氘就会不稳定，也就不可能成为通向重元素的必经之路。许多科学家推测，如果没有稳定的氘，就会导致一个完全没有重元素的宇宙，这样的宇宙将没有复杂性和生命。

事实证明，恒星是非常稳定的实体。它们的结构会自动调整，以精确的速度燃烧核燃料，以支撑自己抵御自身重力的挤压。如果核反应速率较高，恒星就会在较低的中心温度下燃烧核燃料，但除此之外，它们不会有太大不同。事实上，我们的宇宙中就有这种行为的例子。氘核在强力的作用下可以与质子结合形成氦核。这个反应的横截面，量化了它发生的概率，比普通的氢聚变要大上万亿倍。尽管如此，我们宇宙中的恒星以相对平静的方式燃烧它们的氘。恒星核心的工作温度为100万开尔文，而在普通条件下燃烧氢需要1500万开尔文。这些燃烧氘的恒星的中心温度较低，比太阳稍大一些，但在其他方面都不引人注目。

各种各样可能存在的宇宙可以支持生命。我们的宇宙并不像看起来那么特别。

同样，如果强核力降低，恒星可以在没有稳定氘的情况下继续运行。许多不同的过程提供了恒星产生能量和合成重元素的路径。在生命的最初阶段，恒星会慢慢收缩，它们的核心变得越来越热，密度越来越大，它们会因为太阳的能量输出而发光。我们宇宙中的恒星最终会变得足够热和密度来点燃核聚变，但在其他宇宙中，它们可以继续这一收缩阶段，通过失去引力势能来产生能量。寿命最长的恒星可以发出大约相当于太阳的能量输出，长达10亿年，也许足够长到发生生物进化。

对于质量足够大的恒星，收缩会加速，并成为灾难性的坍缩。这些星体会变成超新星。它们的中心温度和密度会上升到如此之大的值，从而引发核反应。在这些恒星垂死挣扎时，会发生多种类型的核反应。尽管缺乏氘，这种爆炸性核合成过程仍可为宇宙提供重核。

一旦这样的宇宙产生了微量的重元素，后代的恒星就有了另一种核燃烧的选择。这个过程被称为碳氮氧循环，不需要氘作为中间状态。相反，碳充当催化剂，促进氦的产生。这个周期在太阳内部运行，提供了太阳总能量的一小部分。在没有稳定氘的情况下，碳-氮-氧循环将主导能源的产生。这并没有用尽核能发电的所有选择。恒星也可以通过三核子过程产生氦，这大致类似于产生碳的三α过程。因此，恒星有许多渠道在交替的宇宙中提供能量和复杂的核。

一个第四个微调的例子涉及星系和其他大型结构的形成。它们是由宇宙时间最早时刻产生的小密度波动播下的种子。当宇宙冷却到一定程度后，这些波动在引力的作用下开始变得更强，密度较大的区域最终会变成星系和星系团。波动开始时有一个小的振幅，表示问，等于0.00001。因此，原始宇宙是令人难以置信的平滑:最密集的区域和最稀薄的区域的密度、温度和压力都相同，在十万分之几。的价值问代表了宇宙中另一个可能的微调实例。

如果问如果密度更低，那么波动变得足够强大成为宇宙结构所需的时间就会更长，星系的密度也会更低。如果星系的密度太低，星系中的气体就无法冷却。它可能永远不会凝结成星系盘或合并成恒星。低密度星系不是适合生命生存的栖息地。更糟糕的是，足够长的延迟可能会阻止星系形成。大约从40亿年前开始，宇宙的膨胀开始加速，物质分离的速度比凝聚的速度要快——这种速度的变化通常被归因于一种神秘的暗能量。如果问如果体积太小，星系可能需要很长时间才能坍塌，以至于在结构形成之前就开始加速，进一步的增长就会受到抑制。宇宙可能会以缺乏复杂性和无生命告终。13、为了避免这种命运，才有价值问不能小于10的倍数。

如果问被大?星系会更早形成，最终密度更大。这也会对未来的宜居性构成威胁。恒星之间的距离会更近，相互作用也会更频繁。这样一来，他们就可以把行星从轨道上剥离出来，并将它们送入深空。此外，由于恒星之间的距离会更近，夜空会更明亮——也许会像白天一样明亮。如果恒星背景过于密集，合并后的恒星光可能会煮沸任何合适行星的海洋。

在这种情况下，微调参数并不是很有约束。星系的中心区域确实会产生如此强烈的背景辐射，以至于所有的行星都将变得不适合居住。但是星系的边缘总是有足够低的密度让宜居行星生存。即使当问比我们的宇宙大几千倍在某些情况下，一个星系可能更宜居。在银河系的大部分地区，夜空的亮度可能与我们在地球上白天看到的阳光相同。行星将从整个背景恒星群中获得生命所需的能量，而不仅仅是它们自己的太阳。它们几乎可以在任何轨道上运行。在一个密度波动比我们大的平行宇宙中，即使是冥王星也能得到和迈阿密一样多的日光。因此，中等密度的星系可能拥有比银河系更多的宜居行星。

我简而言之，我们宇宙的参数可能会因很大的因素而变化，但仍然允许运行中的恒星和潜在的宜居行星存在。引力可以强1000倍或弱10亿倍，而恒星仍将充当长期使用的核燃烧引擎。电磁力可以是强的或弱的100倍。核反应速率可以在许多数量级上发生变化。另一种恒星物理学可能已经产生了构成行星和人类基本原料的重元素。显然，决定恒星结构和演化的参数并没有经过过度微调。

既然我们的宇宙似乎并不特别精确，我们还能说我们的宇宙是最适合生命发展的宇宙吗?根据我们目前的理解，答案是否定的。人们可以很容易地设想出一个对生命更友好、或许更合乎逻辑的宇宙。一个初始密度波动更大的宇宙会形成密度更大的星系，这可能会支持比我们的星球更多的宜居行星。如果宇宙中有稳定的铍，就会有直接的碳生成通道，而不需要复杂的三α过程。尽管这些问题仍在探索中，但我们已经可以说，宇宙的复杂性和生物学发展有许多途径，有些甚至可能比我们自己的更适合生命。根据这些概括，天体物理学家需要重新检查多元宇宙的可能含义，包括我们宇宙的微调程度。

弗雷德·亚当斯(Fred Adams)是密歇根大学安娜堡分校的物理学教授。他是美国天文学会海伦·华纳奖(Helen B. Warner Prize)、美国国家科学基金会青年研究员奖(National Science Foundation Young researcher Award)和密歇根大学(University of Michigan)众多教学奖项的获得者。他是宇宙的五个时代:永恒物理学的内部和《存在的起源:生命如何在宇宙中出现》

这篇文章最初发表于鹦鹉螺的宇宙2017年1月。