天文太空

多重宇宙也會有生命嗎?

在多重宇宙裡,每個宇宙都有自己的物理定律,其中有些或許也可以孕育出生命。

撰文/簡金斯 ( Alejandro Jenkins ) 、培瑞斯 ( Gilad Perez )
翻譯/李沃龍

天文太空

多重宇宙也會有生命嗎?

在多重宇宙裡,每個宇宙都有自己的物理定律,其中有些或許也可以孕育出生命。

撰文/簡金斯 ( Alejandro Jenkins ) 、培瑞斯 ( Gilad Perez )
翻譯/李沃龍


好萊塢動作片裡的英雄總是能夠九死一生地躲過致命的威脅。一次又一次,一堆壞蛋從四面八方朝他射擊,而子彈總是擦身而過。汽車也總在他躲好後的萬分之一秒才爆炸,使他不至於慘遭火海吞噬。每當惡棍的利刃即將劃開他的喉嚨時,他的夥伴總是能在千鈞一髮之際趕來解圍。如果在那些驚險萬分的過程中有任何一丁點兒的閃失,我們的英雄就只能不情願地嘆道:「再會啦,寶貝。」不過就算是我們沒看過的電影,好萊塢的經驗也告訴我們,英雄總會苦盡甘來地撐到最終的美滿結局。

從某些角度來說,我們宇宙的故事很類似好萊塢的動作鉅獻。曾有物理學家指出,有些物理定律如果發生輕微的變化,將引發某些足以打斷我們宇宙正常演化的災難,使得我們根本無法存在。例如,倘若束縛原子核的強核力稍強或稍弱,恆星便無法製造出建構行星所需的碳等元素,遑論生命的存在。如果質子的質量再多個0.2%,則太初所生成的氫全都會立即蛻變成中子,也就不會有原子形成。諸如此類,繁不及載。

因此,物理定律──特別是其中涉及的自然常數,例如基本作用力的強度──似乎被精準調節到讓我們能夠存在。從1970年代開始,有些物理學家及宇宙學家試著解答這個問題,但他們不想用超出科學範疇之外的超自然現象來解釋,因此假設我們的宇宙僅是眾多各自擁有不同物理定律的宇宙之一。根據這種「人本原理」的推論,我們只是在眾多宇宙中,恰巧住在其中一個適合生命發展的宇宙而已。

令人訝異的是,出現於1980年代的現代宇宙學流行理論,認為這種「平行宇宙」可能真的存在,也就是說,許多宇宙會依循和我們宇宙相同的發展歷程,從大霹靂的太初真空裡,如雨後春筍般冒出。我們的宇宙只是那更廣闊的多重宇宙中的一個。在絕大多數的宇宙中,物理定律可能並不允許形成我們所知的物質或星系、恆星、行星以及生命。但由於有非常多的宇宙,因此大自然仍有極佳的機會,至少一次地把所有「恰當」的定律湊在一起。

不過我們最近的研究顯示,假設其他宇宙真的存在,它們或許並非全然不適宜居住。值得注意的是,我們發現了基本常數具有其他數值的例子,因此可能出現另一套物理定律,當然也可能產生非常有趣的世界,甚至生命。我們的基本概念是,在改變某一面向的自然定律後,必須對其他面向進行相應的改變。

不過,「宇宙常數」卻無法微調,它是個極小的常數,多虧它,我們的宇宙才不會在大霹靂後極短暫的時間內塌縮於無形,也不會被過快的加速膨脹撕裂。雖然如此,這些可能適合居住的另類宇宙引出了一些有趣的問題,也激勵了進一步的研究,以了解我們的宇宙為何如此獨特。


缺乏弱核力的生存之道

科學家認定某一常數是否被精準調節的傳統方法,是將該「常數」轉化成可調參數,然後在固定其他常數的狀況下調整它。接下來,科學家便根據新修正的物理定律來放映「宇宙的一生」──他們做計算,從不同的假設探討理論模型,或者用電腦模擬來觀察會發生什麼災難。但其實並沒有理由限制一次只能調整一個參數,就像開車時我們也不會只改變南北向或東西向,因為除非你剛好開在網格上,否則這樣開一定會偏離道路。因此,我們可以一次調整多個參數。

為了尋找其他可形成足以維持生命之複雜結構的物理定律,培瑞斯(作者之一)的團隊不是只些微調整已知的物理定律,而是整個去除了自然界已知的四種基本作用力之一。

從「基本作用力」這個名字聽起來,它們就像是任何自重的宇宙不可或缺的特性:若少了強核力來束縛夸克,就無法形成質子與中子,也就不會有原子核與我們所熟知的物質存在;缺少電磁力就不會有光存在,也不會有原子及化學鍵了;若沒有重力,就缺少了可合併物質以形成星系、恆星與行星的作用力。

第四種基本力,也就是弱核力,比較微妙地存在我們的日常生活中,但仍在我們宇宙的歷史裡扮演重要的角色,尤其特別的是弱核力可促成中子與質子間互相轉換的反應。在大霹靂的第一個瞬間,當夸克(宇宙所出現的第一種物質形態之一)已經以三個為一組形成質子與中子(統稱為重子)後,四顆質子才能夠熔合在一起,而以兩顆質子與兩顆中子的形式組成氦4的原子核。這個所謂的大霹靂核合成作用,發生於宇宙誕生後幾秒內,當時它已夠冷而能夠形成重子,溫度卻仍高得足以讓重子進行核熔合反應。大霹靂核合成作用生成了氫與氦,它們在日後形成恆星,而恆星內的核熔合等程序則鍛造出幾乎所有的自然元素。直到今日,四個質子熔合成氦的反應仍在我們太陽內持續進行,產生了我們從太陽接收到的大部份能量。

因此,假如缺乏弱核力,宇宙似乎不大可能包含類似由複雜化學所生成的任何東西,更別提生命了。但在2006年,培瑞斯的團隊發現了一組只和自然界的另外三種作用力相關的物理定律,而且仍能造就出適合生命存在的宇宙。

要去除弱核力,就必須對粒子物理標準模型(即描述除了重力外所有作用力的理論)做一些修正。該研究團隊顯示了只要其他三種力的行為,還有諸如夸克質量等重要的參數,能夠與我們宇宙裡的保持一樣,則這樣的調整是可行的。我們必須強調這選擇是非常保守的,旨在幫助我們計算宇宙如何展開,其他各式各樣適合生命但看起來與我們宇宙大異其趣的「無弱核力」宇宙,非常有可能存在。

在無弱核力的宇宙裡,一般質子熔合成氦的反應是不可能進行的,因為那需要有兩個質子轉化成中子,但是仍有其他途徑可創造出元素來。例如,我們宇宙裡的物質比反物質多出許多,但是只要稍微調整一下控制此不對稱性的參數,便能保證大霹靂核合成作用能留下大量的氘原子核。氘又名重氫,是氫的同位素,它的原子核除了質子外,還包含了一顆中子。因此,恆星能夠透過一顆質子與一個氘核而熔合成氦3原子核(兩顆質子加一顆中子)的反應來發光。

比起我們宇宙裡的恆星,這種無弱核力的恆星比較小也比較冷。根據美國普林斯頓大學的天文物理學家柏羅斯(Adam Burrows)做的電腦模擬,它們可以燃燒約70億年,約為太陽目前的年齡,並以只有太陽百分之幾的速率輻射出能量。


兩種宇宙比一比

正如同我們宇宙裡的恆星一樣,無弱核力恆星可持續藉由核熔合製造出最重到鐵以下的各種元素,但在我們的恆星裡衍生出超鐵元素的典型反應卻會受到影響,主要由於欠缺足夠的中子可讓原子核捕獲以變成較重的同位素,而這是形成較重元素的關鍵第一步。不過,在無弱核力恆星的內部,仍能透過其他機制,合成少數重元素,最高到鍶為止。

在我們宇宙裡,超新星爆炸時可製造出更多的元素,並將這些新合成的元素灑入太空中。超新星有許多類型:在無弱核力的宇宙裡,超大質量恆星不會塌縮產生超新星爆發,因為這種爆發是藉由弱核力產生的微中子輻射把能量從恆星核心裡傳送出來,進而生成導致爆炸的震波。但另一種不同類型的超新星的確會出現,那並非由重力塌縮,而是由吸積作用引發的恆星熱核爆炸。因此,元素仍然會被灑入星際空間,成為製造新恆星與行星的種子。

由於無弱核力的恆星比較冷,類似地球的無弱核力天體如果想維持如我們地球表面般溫暖,和其太陽的距離必須是我們地–日距離的1/6。對於這種行星上的居民而言,太陽看起來要大上許多。無弱核力地球與我們地球間,還有其他非常不同的性質。在我們的世界裡,板塊運動與火山活動是由地底深處的鈾與釷輻射衰變來驅動,但是無弱核力地球缺少這些重元素,因此地質作用將變得比較無聊,也沒什麼特色──除非重力作用可提供另類熱源,就像土星與木星的某些衛星上所發生的事情一樣。

另一方面,無弱核力的化學反應將非常類似於我們的宇宙。有一項差異是,除了極微量的其他元素外,週期表只到鐵就停止了,但這應該不至於阻礙我們所知的生命型態演化。因此,即使只包含三種基本作用力的宇宙,也可能適合生命的發展。


微調夸克後的化學

簡金斯(另一位作者)的團隊則採用不同於無弱核力宇宙的研究方式,利用同時微調基本模型裡的多個參數,來搜尋另外的物理定律。2008年,該團隊研究在有機化學反應仍能進行的情況下,六種夸克中質量最輕的三種,也就是上夸克、下夸克與奇夸克的質量可變動範圍有多大。改變夸克質量勢必影響到哪些重子與原子核可避免迅速衰變而留存下來,然後造成的結果是,不同的原子核組成將會改變物質的化學特性。

智慧生物(假如與我們的差異不太大)的存在,似乎需要某種形式的有機化學,也就是牽涉到碳元素的化學。碳的化學性質源自於其原子核帶有6個電荷,因此中性碳原子有6顆電子環繞。這些性質使得碳能夠形成種類繁多的複雜分子。(科幻小說的作者常想像生命或許能奠基於矽──週期表裡碳族的下一個元素,這是很有問題的,因為目前仍沒有任何已知的複雜矽基分子。)另外,有機分子的形成還需要有氫(1個電荷)與氧(8個電荷)化學性質的配合。為了解它們是否能維持有機化學反應,該團隊必須計算擁有1、6與8個電荷的原子核,是否會在能夠參與化學反應前就已經輻射衰變了(參見48頁〈找尋生命的關鍵元素〉)。

原子核的穩定性,部份取決於其質量,也就是由組成重子的質量來決定的。即使是要探討我們宇宙裡的現象,從夸克的質量來計算重子與原子核的質量都可說是一件極艱難的事。但在調整了夸克間交互作用的強度後,便可利用我們宇宙測得的重子質量,去估計在輕微變動夸克質量時,原子核的質量將如何改變。

在我們的世界裡,中子大約比質子重0.1%。假如因夸克質量變動而使中子比質子重2%,則碳與氫都無法長時間存在。若調整夸克質量而使質子比中子還重,那麼氫核裡的質子會捕捉周圍的電子而變成中子,以至於氫原子無法長久存在。但由於氘與氚(氫3)可能仍舊穩定,因此仍會有某種形式的碳與氧存在。的確,我們發現只要質子變得比中子重1%以上,氫就無法穩定存在。

如果氘(或氚)取代了氫1,海洋將由重水組成,它的物理與化學性質都與普通的水不大相同。雖然如此,在那種世界裡,似乎也沒有其他基本的障礙可阻撓某種形式的有機生命演化。

在我們的世界裡,第三輕的夸克:奇夸克因太重而不參與核物理反應。但假如它的質量減少成原本的1/10以下,原子核的組成就不僅有質子與中子,還將包括其他含有奇夸克的重子。

例如簡金斯的團隊找到一種宇宙,其中的上夸克與奇夸克質量大約相等,而下夸克則輕許多。如此一來,原子核將不再由質子與中子組成,而是由中子與另一種稱為"Σ-"的重子所組成。值得注意的是,即使在如此迥異的宇宙裡,仍有穩定的氫、碳與氧存在,因此可能可以進行有機化學反應。至於那些元素是否能夠產生足夠豐富的其他元素,使得該宇宙中的生命得以演化,則是尚待解答的問題。

如果生命可以興起,必將重演類似我們世界裡的事情。生存在這種宇宙裡的物理學家,可能會對於上夸克與奇夸克的質量竟然如此接近感到非常困惑。基於有機化學的需求,他們可能會對此驚人的巧合,想出一個人本解釋。然而我們知道,這種解釋是錯誤的,因為我們的世界也會發生有機化學反應,即使上夸克與奇夸克的質量有著天壤之別。

另一方面,擁有三個質量相當的輕夸克的宇宙,可能缺少有機化學反應:任何具有兩單位電荷以上的原子核,都會立即衰變。不幸的是,我們很難描繪出物理參數值迥異於我們之宇宙的詳細歷史。


多重宇宙真的存在嗎?


某些理論物理學家以物理參數的精準調節現象,來做為多重宇宙的間接證據。因此,我們的發現是否與多重宇宙的概念相互牴觸呢?基於兩個原因,我們不認為這是必然的情況。第一個原因來自於觀測的結果,以及相容的理論:天文數據強烈支持一項假說,認為我們宇宙起源於一塊極微小的時空區域,可能只有質子的10億分之一大小,然後經歷一段稱為暴脹的疾速成長階段。宇宙學仍缺乏確切的暴脹理論模型,但理論上不同的區塊,可以用不同的速率膨脹,各區塊因而形成「口袋」,每個口袋都可長成一個宇宙,具有自己的自然常數。口袋宇宙間的空間仍持續快速膨脹,以至於彼此無法互通訊息,甚至以光速旅行都到不了別的宇宙。

第二項質疑有多重宇宙存在的原因是,有個物理量似乎被精準地微調到不可思議的程度。這個量就是宇宙常數,它代表了虛無空間所包含的能量。量子物理預測,即便是空無一物的空間也必定含有能量。愛因斯坦的廣義相對論則認為任何型式的能量都會產生重力。假如此能量是正的,它將導致時空呈現指數型的加速膨脹;假如它是負的,那麼宇宙將再塌縮而形成「大崩墜」。量子理論暗示宇宙常數的值應該很大(不論正或負),因此宇宙不是膨脹太快以至於星系等結構無法形成,就是只存在於塌縮前的幾分之一秒內。

對於我們宇宙為何能免於此災難,有一種解釋是方程式中的某項消除了宇宙常數的效應。麻煩的是此項必須微調到非常精準的地步,即使只有小數點後100位的偏差,都會阻礙宇宙形成任何結構。

1987年,美國德州大學奧斯丁分校的溫伯格(Steven Weinberg)對此提出了一項人本解釋。他計算了能夠容許生命存在之宇宙常數值的上限,只要此數值稍微大一些,宇宙將迅速膨脹而無法形成生命賴以維繫的結構。他據此發現,人類本身的存在即預言了宇宙常數應當很微小。

然後,在1990年代末,天文學家發現了由神秘「暗能量」推動的宇宙,的確正在加速膨脹。觀測到的膨脹速率暗示了宇宙常數應是正的,但數值極小,就在溫伯格預測的範圍內,因此一般認為暗能量非常稀薄。

所以,宇宙常數似乎被微調到一個極致的程度。此外,我們運用在無弱核力與夸克質量的方法,似乎無法應用在這個情況,因為如此所產生的宇宙常數值遠大於我們觀測到的數據,因而無法找到適宜生命的宇宙。在多重宇宙之內,絕大多數宇宙的宇宙常數值,可能使它們根本無法形成任何結構。

如果以現實世界做類比,這就好像數千人一起橫跨多山的沙漠,而且這不是好萊塢電影,因此只有少數通過考驗的成功者倖存下來。在言談之間,他們可能會說出多次遭遇毒蛇、如何與死神擦身而過,高潮迭起又扣人心弦的超現實故事。

根植於弦論的理論論據似乎證實了這種情況。弦論是標準模型壯觀驚人的擴展,它試圖以微觀弦的振盪來描述所有的力,並認為在暴脹階段,宇宙常數與其他參數可以取得幾乎不限範圍的不同數值,此現象稱為弦論地景(見延伸閱讀1)。

不論如何,我們的工作至少在超出宇宙常數的狀況中,多少質疑了人本推理的用處,也提出了一些重要的問題。例如,若生命真有可能存在於無弱核力的宇宙,為何我們的宇宙竟需要有弱核力呢?事實上,粒子物理學家認為我們宇宙裡的弱核力,在某種意義上並不夠微弱。在標準模型裡,它的觀測值似乎不自然的強勁。目前,關於這個謎的最佳解釋,需利用新的粒子與作用力,而這些正是物理學家希望用歐洲核子研究組織剛開張的大型強子對撞機(LHC)發掘的目標。

結果是,許多理論家預測大多數宇宙應具有微弱得幾乎不存在的弱核力。所以,真正的挑戰可能是如何解釋我們為何沒住在一個無弱核力的宇宙裡。

最終,只有當我們更了解宇宙是如何誕生時,才能夠回答這類問題。特別是,我們可能會發現更基本的物理原理,這意味著大自然偏好某些特定的定律。

我們可能永遠無法找到其他宇宙存在的直接證據,而且非常確定我們絕對無法去拜訪其中任何一個宇宙。但假如我們真想了解我們在宇宙裡的真實地位,或不管在哪裡佔據著什麼樣的位置,我們都需要學習更多關於它們的知識。

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