第15章 表觀奇跡 (1)

中國人談及夏朝(約公元前2205年——約公元前1782年)的時候，我們的宇宙環境忽然改變。在天空出現了十個太陽。其灼熱使地球上的人們痛苦不堪，皇帝命令名弓箭手後羿射落額外的太陽。後羿得到一個藥丸作為獎賞，這藥丸是長生不老藥，但他的妻子嫦娥偷走藥丸。由於這個罪過她被驅逐到月亮上去。

中國人認為擁有十日的太陽係對人類生活不友善，這點是正確的。我們今天知道，除了讓皮膚曬黑之外，具有多個太陽的太陽係也許永不允許生命發展。其原因不象中國神話想象的灼熱那麽簡單。事實上，一個圍繞多個恒星公轉的行星至少一會兒能感受到舒適的溫度。但長期一致的取熱，這對於生命似乎必要的情景，則是不太可能的。為了理解其原因，讓我們看在最簡單的多恒星係統，一種具有兩個太陽的稱作雙星係統。在天空中大約有一半的恒星是這種係統的成員。然而甚至簡單的雙星係統也隻能維持顯示在下圖的那種類型的某種穩定軌道，這些軌道中的每一個都可能有這樣的時候，這時行星要麽太熱要麽太冷，以致於不能維係生命。對於多恒星團的情形甚至更壞。

我們太陽係還具有其它“幸運”的性質，若無這些性質複雜的生命形式也許永遠不能演化。例如，牛頓定律允許行星軌道要麽是圓要麽是橢圓(橢圓是擠扁的圓，在一個軸上較寬，而沿著另一軸較窄)。橢圓被擠扁的程度用所謂的偏心率來描述，這是一個在零和一之間的數。偏心率接近零表示圖形類似於圓周，而偏心率接近一表示它非常扁。恒星不進行完美的圓周運動使開普勒非常不安，然而地球軌道具有僅僅大約百分之二的偏心率，這表明它幾乎是圓形的。後來發現，這真是個好運氣。

地球上的季節天氣模式主要是由地球旋轉軸相對於圍繞太陽軌道麵的傾角確定。例如，在北半球冬季之際，北極向離開太陽方向傾斜。事實上在那時，地球離太陽最近——隻有0.915億英哩那麽遠，而相對於7月初離開太陽大約有0.945億英哩，這個事實和它的傾斜相比較對於溫度隻有可忽略的效應。然而，在具有大軌道偏心率的行星上，離日距離的變化起的作用大多了。例如，在具有偏心率百分之二十的水星上，在它處於近日點時的溫度超過其處於遠日點時200華氏度。事實上，如果地球軌道的偏心率接近於1，我們到達近日點時海洋沸騰，而到達遠日點時冰凍，無論是寒假還是暑假都不宜人。大軌道偏心率無助於生命，因此我們很幸運地擁有其軌道偏心率接近於零的一個行星。

在我們太陽質量和我們離開它的距離的關係上，我們也很幸運。這是因為恒星質量確定其放出的能量數量。最大的恒星擁有的質量大約為我們太陽的一百倍，而最小大約小一百倍。而且還有，假如日地距離給定，如果我們的太陽隻要百分之二十更輕或更重，地球就會比現在的火星更涼，或比現在的金星更熱。

在傳統上，給定任何恒星，科學家將可棲息區域定義為圍繞著恒星的狹窄地區，該處溫度使得液態水能存在。可棲息區域有時稱為“金鳳花區域”，這是因為要求液態水存在意味著，正如金鳳花，智慧生命的發展要求行星溫度“剛好合適”。上麵畫裏的我們太陽係中的可棲居區域很微小。幸運的是，對於我們之中的那些智慧生命形式，地球剛好落在其中！

牛頓相信，我們奇異的可棲息區域並非“僅由自然定律從混濁中產生”。他反而主張，宇宙中的秩序“最初是由上帝創造的，並由他將同樣的狀態和條件保存至今。”很容易理解為何人們會這麽想。如果我們的太陽係是宇宙中唯一的，那麽許多似不可信的事件協同發生使我們得以存在，以及我們世界的善待人類的設計，確是令人困惑。然而這被1992年一顆繞著有別於我們太陽的恒星公轉的行星觀測首次確認。我們現在知道幾百顆這樣的行星，而在我們宇宙中的億萬顆恒星之中存在無數其它的行星，很少人對此會有疑問。這使得我們行星條件——單獨太陽，日地距離和太陽質量的幸運組合——作為地球是僅僅為了取好我們人類而精心設計的證據，遠非那麽不尋常，那麽引人注目。所有種類的行星存在。有些——至少一個——支持生命。顯然，當在一個支持生命的行星上的生命研究圍繞著他們的世界，他們一定發現其環境滿足他們要求存在的條件。

上麵最後陳述可能被變成一個科學原理：正是我們的存在賦予確定我們從何處在何時可能觀測宇宙的規則。也就是說，我們存在的事實限製了我們發現自己處於其中的一類環境的特征。這個原則稱為弱人存原理。(我們很快就要看到為什麽附加了形容詞“弱”。)比人存原理更好的術語可以是“選擇原理”，因為這原理是指對我們存在的自我了解如何強加規則，這規則從所有可能的環境中隻挑出那些具有允許生命的特征的環境。

雖然它也許聽起來象哲學，弱人存原理可用來進行科學預言。例如，宇宙有多老了？正如我們很快就要看到的，為了我們的存在宇宙必須包含諸如碳的元素，碳是在恒星之中由加熱更輕的元素而產生的。然後碳必須在一次超新星爆發中通過太空散射，而最終在新一代的太陽係中凝聚成行星的部分。1961年物理學家羅伯特迪克論證道，這個過程大約要花100億年，這樣我們在此存在意味著宇宙應至少那麽老。另一方麵，宇宙也不能比100億年老太多，由於在遙遠的將來恒星用的所有燃料會被用光，而我們需要熱的恒星來維持我們。因此宇宙必須是大約100億年那麽老。那不是極端精密的預言，但它是真的——根據現有資料，大爆炸大約發生於大約137億年之前。

正如宇宙年齡的情形，人存預言對於給定物理參量通常產生一個值的範圍而非精確地描準它。那是因為我們的存在可能不需要某些物理參量的特殊值，它經常依賴於其值不偏離我們實際發現的太遠的這類參數。此外，我們預料我們世界中的實際條件通常在人存允許的界限之內。例如，如果隻有適度軌道偏心率，譬如講在0和0.5之間允許生命，那麽0.1的偏心率就不應該使我們驚訝，因為在宇宙的所有行星之中，也許一個相當百分比擁有偏心率那麽小的軌道。但倘若結果是地球在一個接近完美的，具有比如說0.00000000001偏心率的園周上運行，那就的確會使地球變成非常特殊的行星，並且促使我們試圖解釋為何我們發現自己生活在如此反常的家園。這個思想有時被稱作平庸原理。

與行星軌道形狀、太陽質量等等有關的幸運的巧合被稱作環境的，這是因為它們是從我們周圍意外的好運而非從自然基本定律中的僥幸的機會產生。宇宙的年齡也是一個環境因素，在宇宙的曆史中存在更早或更晚的時間，但因為這個時代是僅有的有助於生命的，因而我們必須生活在此時代。因為我們的棲息地隻是在宇宙中存在的許多中的一個，而顯然我們必須在一個支持生命的棲息地存在，所以很容易理解環境的巧合。

弱人存原理沒有多少可爭議的。但是存在一種較強的形式，我們將在這裏論證，盡管一些物理學家很輕視它。強人存原理提議，我們存在的事實不僅對我們的環境而且對自然定律的可能形式和內容本身都加以限製。產生這種思想的原因是，似乎奇妙地有助於人類生命發展的不僅是太陽係罕有的特征，而且是我們整個宇宙的特征，解釋後者要困難得多。

具有氫、氦和一點鋰的太初宇宙如何演化成一個庇護至少一個擁有象我們這樣的智慧生命的世界的故事可寫成長篇巨作。正如我們早些提到的，自然力必須如此，使較重的元素——尤其是碳——能從太初元素產生，並且至少在幾十億年期間保持穩定。那些重元素是在我們叫做恒星的火爐裏形成，這樣力首先必須允許恒星和星係形成。那些是從早期宇宙的細微不均勻性的耔長成的，早期宇宙除了令人感恩地包含大約十萬分之一的密度變化幾乎是完全均勻的。然而，恒星的存在，我們由之構成的在那些恒星之中的元素的存在是不夠的。恒星的動力學必須如此，有些會最終爆炸，此外還要精準地以一種能把重元素分配到太空去的方式爆炸。還有，自然定律必須要求那些殘餘能凝聚成新一代恒星，而合並新形成的重元素的行星環繞著這些恒星。正如為了允許我們得以發展，在早期地球必須發生某些事件，這個鏈條的每一環節對於我們之存在也都是必須的。但在宇宙演化引起的事件的情形，這類發展是由自然基本的力的平衡所製約，正是那些交互作用的力必須恰好使我們得以存在。

這也許牽涉到好多意外發現的好運氣，弗雷德·霍伊爾是1950年代首先認識到這一點的一位。霍伊爾相信，所有化學元素最初都是由氫形成的，他覺得氫是真正的太初物質。氫具有最簡單的原子核，該核隻包含一個質子，它要麽單獨，要麽和一至兩個中子結合。(氫的或任何核的具有相同數目的質子數，但不同數目的中子的不同形式稱為同位素。)氦和鋰的原子的核包含兩個和三個質子。我們今天知道，氦和鋰元素也是太初合成的，那時宇宙年齡大約為200秒，合成的數量要少得多。另一方麵，生命依賴於更複雜的元素。其中碳最重要，它是整個有機化學的基礎。

雖然人們也許將諸如從其它元素比如矽生產的智慧電腦當作“活”的生物，在缺乏碳時，生命能自發地演化過卻是令人懷疑的。其原因是技術性的，但必須與碳和其它元素結合的唯一方式有關。例如：二氧化碳在室溫下呈氣態，並在生物學上非常有用。由於矽是在周期表上在碳的正下麵的元素，它具有類似的化學性質。然而，二氧化矽即石英在岩石收集上比在生物的肺中遠遠有用得多，盡管如此，也許生命形式可以在靠吃矽存活並且在液氨池子裏有節奏地扭動尾巴之際演化。甚至那種獨特的生命不能僅從太初元素演化，因為那些元素隻能形成兩種穩定的化合物，氫化鋰，這是無色的結晶固體，還有氫氣，它們沒有一種是可能複製或者甚至戀愛的化合物。還有，事實依然是我們是碳的生命形式，碳的核包含六個質子，而這引起了碳和我們身體中的其它重元素如何被創造的問題。

第一步發生於較老的恒星開始積聚氦時，氦是當兩個氫核碰撞並相互融合而產生的。這種聚變正是恒星何以製造使我們溫熱的能量。兩個氦原子可依著順序碰撞形成鈹，這是核包含四個質子的原子。一旦鈹形成了，在原則上它可能和第三個氦核融合而形成碳。然而並未發生，因為形成的鈹的同位素幾乎立即衰變回氦核。