一個(gè)關(guān)乎宇宙和生命的常數(shù)

物理學(xué)中有一個(gè)著名的常數(shù)，來(lái)自自然界中三個(gè)最基本的物理量——光速c、電子電荷e和普朗克常數(shù)h——的組合，如果計(jì)算hc/2πe2，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)三個(gè)常量的單位恰好抵消，只剩下一個(gè)純數(shù)字：137.03599913。換句話說(shuō)，如果瓦肯星（《星球大戰(zhàn)》系列中一個(gè)存在智慧生命的外星）上的科學(xué)家使用瓦肯星的單位計(jì)算這個(gè)量，他們?nèi)詴?huì)得到137.03599913。因此，這個(gè)奇妙的數(shù)字就被看作是自然界的普適常數(shù)。

這個(gè)數(shù)是如此重要，以至于有它自己的名字和符號(hào)。出于歷史原因，人們使用了它的倒數(shù)：2πe2/hc= 1/137.03599913=0.00729735，稱其為“精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)”，并用希臘字母α來(lái)表示。

你知道這個(gè)數(shù)有多重要嗎？可以這么說(shuō)，它改變了，整個(gè)宇宙也就改變了。如果讓它變大，質(zhì)子之間的互相排斥就會(huì)變得強(qiáng)烈，它們呆在同一個(gè)原子核里就變得困難起來(lái)。這樣，元素周期表中穩(wěn)定的元素就要減少。當(dāng)α大到超過(guò)0.1時(shí)，恒星內(nèi)部的核聚變就“停工”了，不能再制造碳，而碳恰恰是生命賴以存在的元素。讓?duì)磷冃。肿又g的化學(xué)鍵只要溫度稍低一點(diǎn)就斷裂，許多對(duì)于生命活動(dòng)至關(guān)重要的化學(xué)反應(yīng)都得改變。到那時(shí)，所有的生物都將面臨毀滅。

此外，α也與宇宙的一個(gè)深?yuàn)W謎團(tuán)有關(guān)。20世紀(jì)30年代，英國(guó)物理學(xué)家狄拉克注意到，由電子電荷e、電子質(zhì)量m、質(zhì)子質(zhì)量M和萬(wàn)有引力常數(shù)G組成的無(wú)單位常數(shù)e2/GmM的數(shù)值是1040，而以原子尺度為單位的宇宙半徑也是1040。此外，還有其他一些無(wú)單位的大數(shù)。它們之間也有著簡(jiǎn)單的關(guān)系。如宇宙中的粒子數(shù)約1080，宇宙膨脹到極大時(shí)的半徑與基本粒子的大小之比值約1040，基本粒子大小與普朗克長(zhǎng)度之比值約1020，宇宙中的光子數(shù)與重子數(shù)之比約1010……等等。狄拉克認(rèn)為這一事實(shí)不是偶然的巧合，而是反映了宇宙的內(nèi)在聯(lián)系，并稱之為“大數(shù)假設(shè)”。

所以，這些大數(shù)和像α那樣的常數(shù)到底是從哪里來(lái)的，這是物理學(xué)家很關(guān)心的問題。

自然界的常數(shù)未必恒久不變

物理學(xué)家們還沒來(lái)得及搞清楚“上帝之手”是如何寫下了α=1/137.03599913這個(gè)數(shù)字的，現(xiàn)在它的奧秘又進(jìn)一步加深了。有跡象表明，這個(gè)數(shù)可能不像我們?cè)仍O(shè)想的是一個(gè)常數(shù)，它會(huì)隨著時(shí)間和空間而發(fā)生微妙的變化。當(dāng)然，這一現(xiàn)象目前還存在爭(zhēng)議。如果得到證實(shí)，那將對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

其實(shí)，自然界中的常數(shù)——包括光速、基本粒子質(zhì)量等這些有單位的常數(shù)——可能并不是恒常不變的。這一想法由來(lái)已久，開創(chuàng)者還是狄拉克。1937年，當(dāng)愛丁頓還在玩各種數(shù)學(xué)游戲，要從理論上推導(dǎo)出各種常數(shù)數(shù)值的時(shí)候，狄拉克就嘲笑他：“您這樣瞎折騰干嘛？它們雖然現(xiàn)在看起來(lái)似乎是常數(shù)，但我們?cè)趺茨艽_定它們?cè)谟钪娴臅r(shí)間和空間尺度上沒有變化呢？”

狄拉克的觀點(diǎn)后來(lái)又得到弦理論的支持。超弦理論提出，現(xiàn)實(shí)的空間可能不只有3個(gè)維度，還有其余9或10個(gè)維度。只是其他維度非常微小，蜷曲起來(lái)不讓我們看到而已，我們能看到的，只是大的那三個(gè)維度。為了理解這一點(diǎn)，你可以想象一個(gè)毛線球，你從很遠(yuǎn)的地方看，很可能只看到一個(gè)點(diǎn)，長(zhǎng)寬高三個(gè)維度都隱而不見了。當(dāng)你移近看，這些維度才“展開”來(lái)，讓你知道原來(lái)它是三維物體。要是再移近，你會(huì)發(fā)現(xiàn)事情變得更復(fù)雜了：毛線球不像乒乓球是一個(gè)簡(jiǎn)單的球，它是由一根三維的長(zhǎng)毛線卷成的，而這根毛線自身又是毛茸茸的，絕不像一條光滑的尼龍繩。這些細(xì)節(jié)，在你從遠(yuǎn)處看時(shí)，似乎都“蜷曲”、隱藏起來(lái)了。弦理論中的維度“蜷曲”也就是這個(gè)意思。

如果現(xiàn)實(shí)空間有著更高的維度，我們這個(gè)三維世界不過(guò)是它的投影，那么自然常數(shù)“恒常不變”這個(gè)事實(shí)就只能適用于高維空間，而不適用于低維空間——因?yàn)榈途S空間并不代表真實(shí)的現(xiàn)實(shí)。

這個(gè)道理也是顯然的。不妨拿光速來(lái)說(shuō)。我們說(shuō)光在三維空間中傳播速度是不變的。但是，從生活在更低維度世界的生物看來(lái)，它們可不認(rèn)同這一點(diǎn)。舉個(gè)例子。在二維平面有一個(gè)正三角形ABC。頂點(diǎn)A在左邊，C在右邊，B在中間。從A同時(shí)向C、B點(diǎn)各射一束光。它們將同時(shí)到達(dá)C、B點(diǎn)?，F(xiàn)在，把正三角形ABC投影到AC這條線上，成了AB*C，假如AC線上的一維世界里生活著一個(gè)生物，在它看來(lái)，光同時(shí)到達(dá)B*點(diǎn)和C點(diǎn)，但顯然AC比AB*長(zhǎng)，于是它就得出結(jié)論：光速不是不變的，距離越長(zhǎng)，光跑得越快。

但如果物理學(xué)常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，這又意味著什么呢？意味著物理學(xué)規(guī)律也要變化了。“規(guī)律”的原意是指不會(huì)隨著時(shí)間和地點(diǎn)而改變的東西。如果規(guī)律也會(huì)變化，那還算什么規(guī)律！那整個(gè)宇宙就沒有任何規(guī)律可言了——科學(xué)家以探索自然規(guī)律為使命，他們的飯碗就要砸了。這可是很嚴(yán)重的事情。尤其，我們前面已經(jīng)提到，對(duì)于當(dāng)前的宇宙，α值的變化可謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。

不過(guò)幸好，可以讓我們暫時(shí)松口氣的是，長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤測(cè)量表明，至少在地球上，α的值一直保持恒定（要知道，我們對(duì)它的測(cè)量，精度已提高到百億分之幾）。

不過(guò)，對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這個(gè)問題依然懸而未決。因?yàn)榈依说牟聹y(cè)是，在宇宙的時(shí)間和空間尺度上，自然常數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化。但正可謂“夏蟲不可語(yǔ)于冰，井蛙不可語(yǔ)于海”，人類的歷史比起宇宙的年齡，比白駒過(guò)隙還短暫;此外，我們也像井蛙一樣，沒到過(guò)宇宙中其他遙遠(yuǎn)的地方進(jìn)行測(cè)量。所以，在地球上測(cè)量是恒常不變的東西，絲毫不能說(shuō)明在宇宙的年齡和范圍內(nèi)依然是恒常不變的。

終于發(fā)現(xiàn)常數(shù)在變化啦！

很多物理學(xué)家在研究自然常數(shù)變不變的問題。澳大利亞物理學(xué)家約翰·韋伯就是其中之一。從1996年起，他就開始從事研究α?xí)粫?huì)發(fā)生變化這項(xiàng)工作了。他認(rèn)為，我們最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡所收集到的星光或許能解決這一問題。

其中一些星光在宇宙空間已經(jīng)傳播了很長(zhǎng)時(shí)間。比如，位于夏威夷莫納基亞山上的凱克望遠(yuǎn)鏡，可以捕捉到大約120億年前由極其明亮的星系核或類星體發(fā)出的光。某些特定波長(zhǎng)的光波在到達(dá)地球的旅途中，會(huì)被星際空間的氣體云吸收，因此在光譜上留下一條條像條形碼似的暗線。因?yàn)榘稻€的產(chǎn)生涉及電子和原子核之間的相互作用，而這個(gè)相互作用的強(qiáng)弱又涉及α的數(shù)值。所以，α數(shù)值的任何變化都可以在含有暗線的光譜中體現(xiàn)出來(lái)。比如，α數(shù)值變化，這些“條形碼”就整體往左或右移動(dòng)，等等。

因?yàn)椤肮獗粴怏w云吸收”這件事發(fā)生在很久之前，又是在遙遠(yuǎn)的星際空間，這樣我們就可以在宇宙的時(shí)間和空間尺度上檢驗(yàn)α的數(shù)值是否會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)然，做這種實(shí)驗(yàn)是非常不容易的。首先，也許α的數(shù)值雖然在變化，但變化非常微小，不易覺察;其次，我們還要排除各種因素的干擾。

韋伯和他的同事開發(fā)了一系列的軟件來(lái)分析這些復(fù)雜的吸收光譜。到1998年，他們?nèi)〉昧说谝粋€(gè)成果：在120億至60億年前，α的數(shù)值平均增加了百萬(wàn)分之六——雖然變化非常微小，但畢竟說(shuō)明它在變化。

這個(gè)結(jié)果當(dāng)時(shí)在理論物理學(xué)界引起軒然大波。很少有人相信這一結(jié)果。因?yàn)轫f伯分析的23個(gè)光譜，都來(lái)自凱克望遠(yuǎn)鏡，所以很多人懷疑，這是儀器的系統(tǒng)誤差造成的。

為了排除儀器造成誤差的可能性，他們又用位于智利安第斯山的甚大望遠(yuǎn)鏡得來(lái)的光譜進(jìn)行分析。分析結(jié)果公布于2018年9月。他們關(guān)于α的最新說(shuō)法是，它在宇宙中隨著離開我們的距離，近似地以與距離成正比的規(guī)律在變化。所以，在地球附近α值的變化可能非常微小，但延伸到遙遠(yuǎn)宇宙中的其他地方，那里的α值跟我們這里的會(huì)有很大的不同，足以使那里的宇宙看起來(lái)也非常不同。

這個(gè)結(jié)果甚至可以用來(lái)解釋“我們?yōu)槭裁粗两駴]有找到外星人”這一世紀(jì)難題。因?yàn)樯拇嬖诟叨纫蕾囉讦恋臄?shù)值。如果宇宙中大多數(shù)地方的α值跟我們這里的不一樣，那里的生命壓根兒無(wú)法誕生，自然也就排除了存在生命的可能。

上帝擲骰子決定

不過(guò)，就目前來(lái)說(shuō)，韋伯等人得出的結(jié)論依然存在很大的爭(zhēng)議。韋伯也承認(rèn)，數(shù)據(jù)的誤差幅度很大，并不能對(duì)這個(gè)問題一錘定音。關(guān)鍵是分析中有些地方還涉及人為的主觀判斷。比如根據(jù)類星體光譜得出α值，需要主觀地決定光譜的哪些部分可以包括進(jìn)來(lái)，哪些部分可以舍棄。這些都可能會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生偏差。韋伯和他的學(xué)生目前正在開發(fā)一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該算法對(duì)原始數(shù)據(jù)的查看會(huì)更加全面、客觀。以后，分析就可以全部交給超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)完成。

另外，2018年11月，智利“甚大望遠(yuǎn)鏡”上的一種新儀器ESPRESSO將上線。它是測(cè)量類星體光譜的理想儀器，能夠搜索α值在過(guò)去100億年——甚至追溯更久之前——的變化，探測(cè)范圍也將擴(kuò)大到整個(gè)可觀測(cè)的宇宙。

那么，α值在宇宙的時(shí)間和空間尺度上到底變不變，我們就把這個(gè)問題留給未來(lái)吧。下面來(lái)看看另外一個(gè)問題。

萬(wàn)一更精確的測(cè)量證實(shí)這些常數(shù)確實(shí)是恒常不變的，該如何解釋大自然為什么非要讓這個(gè)常數(shù)是這個(gè)值而不是另一個(gè)值呢？

物理學(xué)家對(duì)這個(gè)問題也不是毫無(wú)準(zhǔn)備的。有一種理論說(shuō)，我們這個(gè)自138億年前從大爆炸中誕生的宇宙其實(shí)不是唯一的宇宙。還存在著無(wú)數(shù)的宇宙，它們像飄在空中的氣泡一樣，彼此分離，不相干。當(dāng)然，偶爾也會(huì)碰撞，合并，形成一個(gè)更大的宇宙泡泡。這些宇宙泡泡，每一個(gè)都有自己的一套自然常數(shù)。比如在這個(gè)泡泡里，α值是1/134，在另一個(gè)泡泡里，α值是1/156……等等。前面說(shuō)過(guò)，α值決定了元素周期表中穩(wěn)定元素的多寡。所以，在我們的宇宙中，穩(wěn)定元素只有130多種，但在有的宇宙中，穩(wěn)定元素可能達(dá)上千種，而在另一些宇宙中，穩(wěn)定元素可能一種都沒有……總之，在一個(gè)宇宙泡泡中，某個(gè)自然常數(shù)取這個(gè)數(shù)值而不是另一個(gè)數(shù)值，完全是隨機(jī)的。

愛因斯坦曾經(jīng)說(shuō)：“上帝不會(huì)擲骰子。”但是在自然常數(shù)的選擇問題上，我們除了假設(shè)上帝確實(shí)擲了骰子，似乎沒有更好的解釋。