寻找外星人应该去平行宇宙

本文选自《环球科学》杂志

外星人可能生活在拥有不同物理学定律的其他宇宙，所以我们寻找外星人应该去平行宇宙。我们的宇宙诞生自一片原初真空。许多其他的宇宙可能也已经从同一片原初真空中诞生，并各自拥有一套不同的物理学定律。假设其他宇宙真的存在，其中一些或许包含有复杂的结构，甚至可能存在某种形式的生命。最新发现暗示，我们这个宇宙或许不像以前认为的那样，专门对生命的产生进行过“微调”。

由于宇宙学常数很小，我们的宇宙没有在大爆炸后不到一秒的时间里重新坍缩回虚无，也没有在某种以指数方式加速的膨胀中被撕成碎片。尽管如此，有可能适宜生命生存的其他宇宙样品的发现，仍然提出了许多有趣的问题，并激励我们进一步研究我们自己的宇宙到底有多么独特。

在典型的好莱坞动作大片里，主角总能死里逃生：一次又一次，成群结队的坏蛋把他围在中间，从多个角度向他射击，但总是会偏那么一点儿；汽车爆炸也总是会慢上半拍，让他在被火球吞没之前能找好掩护；终于，坏蛋的刀架上了他的脖子，就要割断喉管，他的朋友们又在千钧一发之际出现。如果以上情节中有任何一环出了差错，这位英勇无比的主角就只能跟观众“拜拜”了。不过，就算以前没看过这类电影，我们也一定知道，主角总是能够活到最后一刻。
从某些角度上来讲，我们这个宇宙的演化过程就是一部好莱坞动作大片。





到宇宙之外寻找外星生命

一些物理学家主张：物理学定律中的任何一条如果稍有不同，都会造成某种灾难，中断宇宙的正常演化过程，我们人类也就根本不可能出现和存在。如果强核力（strong nuclear force，令原子核结合在一起的那种作用力）稍强或者稍弱一些，恒星就合成不出碳和其他构成行星所需的元素，生命就更不用说了。如果质子（proton）的质量比现在只多0.2%，大爆炸后形成的所有原初氢原子都会在几乎一瞬间衰变成中子（neutron），不会有任何原子在宇宙中形成。这样的例子还有很多。
如此看来，物理学定律——特别是这些定律涉及的自然常数，比如基本作用力强度等，似乎经过了某种精细的“微调”，恰到好处地使我们有可能存在于这个宇宙当中。20世纪70年代，一些物理学家和宇宙学家试图着手解答这一难题，为了不求助于某种超自然解释（这里的“超自然”是指按照定义不属于科学范畴以内的事物），他们假设我们的宇宙只是许许多多现存宇宙中的一个，每个宇宙都各自拥有一套不同的物理学定律。根据这种“人择”（anthropic）式的推理，我们或许只是恰好处在这么一个罕见的宇宙当中——在这里，适宜的条件碰巧组合在一起，让生命有可能存在。





多重宇宙


令人惊奇的是，20世纪80年代开始浮现的现代宇宙学主流理论暗示，这样的“平行宇宙”或许真的存在——确切地说，许多宇宙可以不断地从原初真空中突然出现，过程就像我们的宇宙从大爆炸中诞生一样。我们的宇宙应该只是一个被称为“多重宇宙”（multiverse）的更广阔区域中许多个孤立宇宙中的一个。在绝大多数孤立宇宙当中，物理学定律或许连物质都不允许形成，更不用说星系、恒星、行星和生命了。不过，考虑到“小”宇宙庞大的数量，大自然应该有机会拼凑出这套“正确”的宇宙学定律——至少蒙对过一次。
不过，我们的最新研究暗示，假设其他孤立宇宙果真存在的话，其中一些宇宙或许并不会如此毫无生机。值得注意的是，我们已经找到了几组不同的基本常数取值，因而也就找到了几套不同的物理学定律，它们或许仍然能够产生出非常有趣的世界，甚至生命。我们的基本想法是，改变现在这套自然规律中的某一方面，然后再改变其他方面加以补偿。
我们的研究并没有解决理论物理学中最重要的“微调”问题：“宇宙学常数”（cosmological constant）为何如此之小——正是由于宇宙学常数很小，我们的宇宙才没有在大爆炸后不到一秒的时间里重新坍缩回虚无，也没有在某种以指数方式加速的膨胀中被撕成碎片。尽管如此，有可能适宜生命生存的其他宇宙样品的发现，仍然提出了许多有趣的问题，并激励我们进一步研究我们自己的宇宙到底有多么独特。





剔除弱核力


我们宇宙中的4种基本作用力并非缺一不可：就算剔除了弱核力，一些宇宙中或许仍然可以形成能够发光发热的恒星。


要确定自然界中某一特定常数是否经过微调，科学家采用的常规方法是，把这个“常数”变成一个可调的参数，在其他常数不变的情况下改变它的取值。接下来，根据这套经过修正的物理学新定律，科学家会展开计算，进行假设情景分析，或者运行计算机模拟程序，来“播放”宇宙演化这部“好莱坞大片”，看看什么样的灾难会最先发生。但是，没有任何理由规定，科学家一次只能调整一个参数。这种情景就像只允许你改变经度或纬度、而不能同时改变两者来驾驶一辆汽车一样：除非你是在东西或南北方向延伸的公路上开车，否则肯定会一头冲出路边。实际上，我们完全可以一次调整多个参数。

为了寻找仍然能够形成复杂结构以维持生命生存的其他物理学定律，本文作者之一佩雷斯及其同事并没有在已知物理学定律的基础上“小打小闹”，而是直接在自然界已知的4种基本作用力中剔除了一种。
从名称中的“基本”二字来看，对于任何有存在意义的宇宙，基本作用力似乎都是必不可少的特征。没有强核力把夸克 （quark）“捆绑”成质子和中子，再把质子和中子“捆绑”成原子核，我们所知的物质就不会存在。没有电磁力（electromagnetic force），宇宙中就不会有光，也不会再有任何原子和化学键（chemical bond）。没有引力，物质就不会聚集形成星系、恒星和行星。
第4种基本作用力是弱核力（weak nuclear force）。在如今的日常生活中，它的存在已经变得可有可无，但在我们宇宙的演化历史上，它曾经扮演过一个重要角色。弱核力的作用有很多，其中之一就是使中子转变成质子、质子转变成中子的反应得以发生。在大爆炸的最初一刹那，先是夸克（最早出现的物质形式之一）3个一组结合成质子和中子［两者被统称为重子（baryon）］，而后质子4个一组再聚变成由2个质子和2个中子构成的氦4原子核。这个过程被称为“大爆炸核合成”（big bang nucleosynthesis），发生在我们这个宇宙诞生之初的几秒钟内——当时的宇宙已经冷却到了重子能够形成的地步，但仍然炽热得足以让重子发生核聚变反应。大爆炸核合成产生了氢和氦，这些气体后来聚集形成恒星，恒星内部的核反应及其他过程“锻造”出了自然界中天然存在的几乎所有其他元素。直到今天，4个质子聚变成氦4的核反应仍在太阳内部发生着，我们从太阳上接收到的绝大多数能量都是这种核反应产生的。

剔除弱核力，要求对所谓的粒子物理学“标准模型”（Standard Model，一种描述除引力外所有作用力的理论模型）进行若干修正。这个研究团队证明，经过这样的修正之后，其他3种作用力的性质，以及夸克质量之类的其他关键参数，都与我们这个宇宙完全一样。我们必须强调，这种做法是一种保守的选择，是为了方便计算这个宇宙会如何演化。其他各式各样的无弱核力宇宙也很可能适宜生命生存，只不过看上去会跟我们的宇宙完全不同。
在这个无弱核力的宇宙当中，质子聚变成氦这种常见核反应将不可能发生，因为该反应要求有2个质子转变成中子。但是，创造元素还可以通过其他途径。比方说，在我们的宇宙中，物质的数量远远超过了反物质，但只要对控制正反物质对称性的参数稍加改动，就足以确保大爆炸核合成能够产生出大量的氘核。氘（deuterium），又被称为重氢或氢2，是氢的一种同位素，原子核中除了通常的一个质子以外，还多出一个中子。这样一来，通过一个质子加一个氘核聚变成一个氦3（由2个质子和一个中子构成）的核反应，恒星仍然能够发光发热。

跟我们宇宙中的同类恒星相比，这种无弱核力恒星的温度会低一些，尺寸也要小一点。根据美国普林斯顿大学天体物理学家亚当·伯罗斯（Adam Burrows）的计算机模拟，这种恒星可以持续“燃烧”大约70亿年（与太阳目前的年龄相当），能量辐射率只比太阳低几个百分点。







从恒星到生命

没有了弱核力，超新星依然可以将恒星合成的新元素撒播到星际空间，形成新一代恒星和行星，再通过类似于我们宇宙中化学反应的过程，创造出类似的生命。
就像我们宇宙里的恒星一样，无弱核力的恒星也能通过一步接一步的核聚变反应，合成越来越重的元素，一直到铁（原子核中含有26个质子）。不过，在我们的宇宙里，能够合成比铁更重元素的典型核反应不会在恒星内部发生，主要原因在于，基本上已经没有多余的中子能够被原子核俘获，使它变成更重的同位素了——而这恰恰是形成更重元素的第一个步骤。在无弱核力恒星的内部，其他机制或许可以形成比铁更重的元素，一直到锶（原子核中含有38个质子），但数量极少。

在我们这个宇宙里，超新星爆炸会把新合成的元素散入太空，同时爆炸本身也会合成更多元素。超新星可以分为以下几类：一类由超大质量恒星的引力坍缩引起，另一类则是恒星吸积了太多物质触发热核爆炸（thermonuclear explosion）所致。在前一类超新星中，大量向外辐射的中微子（neutrino）把能量从恒星核心处传递出来，“驱动”激波（shock wave）把整颗恒星炸个粉身碎骨。这些中微子正是通过弱核力相互作用产生的，所以很明显，在没有弱核力的宇宙里，这类超新星会变成“哑弹”。但后一类超新星仍然能够爆发。因此，元素可以被分散到星际空间，在那里聚集形成新的恒星和行星。


考虑到无弱核力的恒星相对较冷，如果一颗无弱核力的类地天体像地球一样温暖，它到主星的距离就只能是日地距离的1/6左右。对于生活在这样一颗行星上的居民来说，他们的“太阳”看上去要大得多。无弱核力的“地球”在其他一些方面也和我们的地球有着天壤之别。在我们的地球上，板块构造和火山活动都是由地球内部铀和钍的放射性衰变驱动的。没有了这些重元素，一颗典型的无弱核力“地球”的地质结构应该会相当无趣，不存在任何特征——除非引力过程能够提供其他热源，就像木星和土星通过潮汐作用加热它们的许多颗卫星一样。

相反，这个无弱核力宇宙中的化学过程应该跟我们的宇宙非常相似。有一点不同：那里的元素周期表上最后一号元素应该是铁，其他更重的元素含量极少，几乎可以忽略。不过，这一限制应该不会阻碍与我们已知生命形式类似的生命在这个宇宙里诞生。如此看来，就算一个宇宙只有3种基本作用力，也可以成为适宜生命生存的地方。

本文另一位作者詹金斯和同事也在寻找其他适合生命生存的物理学定律。他们采用了另一种方法：没有去考虑无弱核力的宇宙，而是对标准模型进行细微改动，只不过他们每一次改动的参数都不止一个。2008年，这个团队研究了这样一个问题：在保证有机化学过程仍然能够发生的前提下，6味夸克中的3味轻夸克［分别是上夸克（up）、下夸克（down）和奇异夸克（strange）］的质量可以在什么样的范围内变动？夸克质量的改变将不可避免地影响有哪些重子和原子核能够稳定存在而不会迅速衰变。反过来，原子核的不同 “混搭”方式又将影响化学过程。










夸克化学



在夸克质量与我们不同的一些宇宙里，原子核甚至都不由质子和中子构成，但有机化学过程依然能够发生，有可能形成与我们类似的生命。
要想进化出智慧生命（如果跟我们不是相差特别大的话），某种形式的有机化学过程就必不可少，这样的说法似乎是有道理的。根据定义，所谓的“有机”化学是指，这些化学过程中涉及碳元素。碳的化学性质源于这样一个事实：碳原子核拥有6个正电荷，因此一个中性碳原子里有6个电子围绕在原子核周围。这些性质让碳能够形成种类极其繁多的复杂分子。此外，为了让复杂的有机分子能够形成，化学性质类似氢（1个正电荷）和氧（8个正电荷）的元素也必须存在。接下来，为了确定这些元素能否维持有机化学过程，这个研究团队必须计算，拥有1个、6个或8个正电荷的原子核是否会在它们有机会参与化学反应之前就发生放射性衰变。



原子核是否稳定，部分取决于它的质量，而原子核质量又取决于构成它的重子的质量。哪怕是在我们自己的宇宙里，根据夸克的质量来计算重子和原子的质量也是一项极其艰巨的挑战。不过，对夸克之间相互作用的强度进行微调之后，科学家可以利用我们宇宙中测量得到的重子质量，来估算夸克质量的微小改变会如何影响原子核的质量。
在我们这个宇宙里，中子比质子重了大约0.1%。如果改变夸克的质量，让中子比质子重2%以上，碳和氧的所有同位素都将不可能长时间稳定存在。








如果微调夸克的质量，让质子变得比中子还重，氢原子核中的那个质子就会俘获周围的电子并转变成中子，这样一来，氢原子就没办法长期存在。不过，氘或氚（氢3）或许仍可保持稳定，氧和碳的某些同位素应该也能稳定存在。事实上我们发现，只有当质子比中子重1%以上时，氢的稳定同位素才会不复存在。
如果用氘（或氚）替代氢1，海洋就将由重水构成。跟普通的水相比，重水的物理和化学性质存在细微的差别。不过看起来，在这些宇宙中进化出某种形式的有机生命，应该不会遇到什么根本性障碍。

在我们这个宇宙里，质量由轻到重排在第三位的夸克——奇异夸克，因为过于“沉重”而无法参与核物理过程。不过，如果把它的质量减到现有质量的1/10以下，原子核可能就不光是由质子和中子构成，或许还会有一些包含奇异夸克的其他重子。


举例来说，这个研究团队分析过这样一个宇宙：上夸克和奇异夸克的质量大致相同，下夸克则要轻得多。这样一来，构成原子核的就不再是质子和中子，而是中子和另外一种重子——所谓的“西格马负超子”（Σ–，sigma minus）。值得注意的是，即便是这样一个完全不同的宇宙，也可以存在氢、碳和氧的稳定同位素，因而可以发生有机化学过程。至于这些元素能否在这些宇宙里大量形成，足以让生命在某个地方诞生并开始进化，仍是一个需要解答的问题。
不过，如果生命能够诞生，它将又一次十分巧合地跟我们宇宙里的生命非常类似。这样一个宇宙里的物理学家或许会困惑于一个事实——为什么上夸克和奇异夸克的质量几乎一模一样。他们甚至会猜想：这种令人惊叹的巧合可以用人择原理来解释，因为这是有机化学过程发生的必要条件。然而我们知道，这种解释是错误的，因为在我们这个宇宙里，尽管上夸克和奇异夸克的质量完全不同，有机化学过程一样能够发生。
相反，如果一个宇宙中的三味轻夸克拥有大致相同的质量，有机化学过程很可能就不会发生了：任何携带多个电荷的原子核都会在几乎一瞬间衰变消失。可惜的是，对于一个物理参数与我们不同的宇宙来说，详细描述它的演化过程非常困难。这个问题还需要进一步研究。




弦景观



存在其他适宜生命生存的宇宙，并没有降低多重宇宙存在的可能性。在某种程度上，弦论的一些观点甚至验证了多重宇宙的存在。
一些理论物理学家已经把“微调”问题当成是多重宇宙的间接证据。那么，我们的发现是否对多重宇宙的概念提出了质疑呢？答案是否定的，理由有两条。第一条理由来自观测，还要结合一些理论。天文学数据强有力地支持了这样一个假说：我们的宇宙最初只是一块极小的时空区域，大小或许只有一个质子的十亿分之一，随即经历了一个指数式高速膨胀阶段，被称为“暴涨”（inflation）。

宇宙学中目前还找不到一个明确的暴涨理论模型，但理论暗示，时空中的不同区域都能以不同的速率发生暴涨，每个区域都可以膨胀成一个“口袋”，成为一个真正意义上的宇宙，由于各自不同的自然常数而变得各具特色。这种“口袋”宇宙之间的空间应该会持续膨胀，速度快得惊人，以至于就算用光速传播，信息也不可能从一个“口袋”传递到另一个“口袋”。
猜测多重宇宙应该存在的第二条理由是，有一个参数似乎被“微调”到了令人发指的程度。这个参数就是宇宙学常数（cosmological constant），代表着真空中所蕴藏的能量总量。量子物理学预言：就算空间中空无一物，里面也必定包含有能量。爱因斯坦的广义相对论要求，所有形式的能量都必须施加引力。如果这种能量是正的，它就会驱动时空以指数方式加速膨胀。如果它是负的，宇宙就会在一场所谓的“大反冲”（big crunch）中重新坍缩。量子论似乎暗示：宇宙学常数不论正负都应该非常巨大，以至于宇宙应该只有两条出路可选——要么空间膨胀过于迅速，连星系之类的结构都没有机会形成；要么宇宙在形成之后不到一秒的时间内重新坍缩。



为什么我们的宇宙避开了这两种灾难性结局？一种解释是，宇宙学方程中还有另外一项，恰好抵消了宇宙学常数的作用。问题在于，这一项必须经过异常精准的“微调”——哪怕是小数点后第100位上的数字出现一丝偏差，都会致使宇宙中形成不了任何有意义的结构。1987年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的理论学家、1979年诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）提出了一种“人择式”的解释。他计算出了适宜生命生存的宇宙学常数取值的上限。超过这一上限，空间膨胀速度就会过快，导致这个宇宙形成不了生命所需的结构。这样一来，从某种程度上讲，我们自身的存在就预言了宇宙学常数不会太大。

到了20世纪90年代末，天文学家发现宇宙确实在加速膨胀，推动力来自于神秘的“暗能量”（dark energy）。观测得到的加速度暗示，宇宙学常数是正的，而且很小，处在温伯格预言的取值范围以内——这意味着暗能量极为稀薄。
由此可见，宇宙学常数似乎被“微调”到了令人发指的程度。不仅如此，我们的研究团队在分析弱核力和夸克质量时采用的那些方法，在分析宇宙学常数的取值时似乎无法奏效，因为要找到一个宇宙学常数远远大于我们的观测值、并且适宜生命生存的宇宙似乎是不可能的。在一个多重宇宙当中，绝大多数的宇宙可能都拥有一个导致任何结构都无法形成的的宇宙学常数。

打一个跟好莱坞动作大片相反、却更加现实（或许还有一丝残酷）的比方——有成千上万人艰难地跋涉在一片巨大沙漠之中，少数活着逃出沙漠的幸运儿或许会讲述他们扣人心弦的传奇故事，包括与毒蛇遭遇时的殊死搏斗，还有其他与死神擦肩而过、危险到似乎不太真实的遇险经历。这些故事的惊险程度丝毫不亚于好莱坞动作大片，并不是因为讲述者像电影主角一样拥有不死之身，而是因为那些不幸的人根本不可能走出沙漠讲述他们的经历。

源自于弦论（string theory）的一些理论观点，似乎验证了上述情景。这些观点提出，在暴涨期间，宇宙学常数及其他一些参数实际上可以在无限多个不同的范围内取值，这些取值范围被称为“弦景观”（string theory landscape）。

不过，我们的研究确实对人择原理（至少是对除宇宙学常数以外的人择原理）的有效性提出了质疑。这些研究还提出了一些重要的问题。比方说，如果生命真的可以在无弱核力的宇宙中存在，那我们这个宇宙中又为什么会有弱核力？事实上，粒子物理学家认为，从某种程度上来讲，我们宇宙中的弱核力还不够弱。在粒子物理学标准模型看来，弱核力的测量值似乎强得有些“离谱”。

因此，一些理论学家预期，大多数宇宙中的弱核力应该都非常微弱，以至于几乎不产生任何效果。如此看来，真正的挑战或许是要解释，为什么我们没有生活在一个无弱核力的宇宙当中。
最终，只有在更加深入地了解这些宇宙如何诞生之后，我们才能回答诸如此类的问题。确切地说，我们或许会发现一些更加基本的物理学原理，暗示大自然对某几套物理学定律的偏爱远胜于其他。
我们或许永远也找不到其他宇宙存在的直接证据，当然也永远不可能去造访另一个宇宙。但是，不论多重宇宙到底存在与否，只要我们想理解自己在多重宇宙中所处的真正位置，了解更多有关其他宇宙的信息或许都是有必要的。



本文作者

亚历杭德罗·詹金斯是哥斯达黎加人，在美国佛罗里达州立大学的高能物理组工作，先后毕业于美国的哈佛大学和加州理工学院，曾在美国麻省理工学院与鲍勃·贾菲（Bob Jaffe）和伊塔马尔·金奇（Itamar Kimchi）一起研究其他的宇宙。


吉拉德·佩雷斯是以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的理论学家，于2003年在该研究所获得博士学位。在美国劳伦斯伯克利国家实验室工作期间，他与美国斯坦福大学的罗尼·豪尔尼克（Roni Harnik）和俄勒冈大学的格雷厄姆·D·克里布斯（Graham D. Kribs）一起探索过多重宇宙。他还在美国石溪大学、波士顿大学和哈佛大学担任过访问学者。

本文译者
虞骏博士，曾在中国科学技术大学和南京紫金山天文台研究宇宙学及大尺度结构，《环球科学》资深编辑。