宇宙是否经过“微调”

苗千

宇宙到底为什么存在？这个问题似乎太过空洞。宇宙为什么是现在这样的状态？这样的问题似乎也毫无意义。人类意识到可以把宇宙作为一个对象来研究才不过几十年的时间，在这几十年的时间里人类发现宇宙必然会有一个开端，这个开端大约是在140亿年以前。

在宇宙诞生初期的一些过程，宇宙的年龄，乃至目前宇宙中大多数星系与天体的分类和分布已经成为宇宙学研究的共识。而随着对宇宙本质认识的不断深入，更多的问题也随之出现，例如我们所观测到的宇宙状态是否算是非常特殊？宇宙中的规律，一些常数，为什么会是某些特定的数值？这些问题并非全无来由，因为它们与生命的存在的可能性息息相关。

生命因何而存在

人类在地球上生生不息，早已经对周围的环境习以为常。但实际上，作为目前宇宙中唯一一个拥有生命的行星，地球是宇宙中一个极其特殊的天体，它以适当的距离围绕着一颗稳定的恒星运转，表面平均温度恰好可以允许液态水的存在，它处于银河系的边缘，因此不必担心受到超新星爆发或是其他天体的威胁……正是在这一系列偶然条件的共同作用之下，地球上才出现了生命——人类只有放眼整个宇宙，才会真正明白生命的偶然与可贵。

另一方面，人类对于宇宙的理解越深刻，就越明白生命的出现要依赖于宇宙中的各种“初始条件”。宇宙作为时间和空间的总和，在其间不仅有各种物质，还有制约物质运动的物理规律和各种常数。物理学家们发现，这些规律和常数似乎是经过某种“设定”一样，搭配得非常精确，才使生命的出现在最根本的意义上成为可能。

物理学家们意识到，宇宙中存在着四种最基本的相互作用：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。这些相互作用的强度各不相同，而如果缺少了其中任何一种相互作用，或者强度与人们所观测到的强度不同，整个宇宙的形态都会发生极大变化，生命可能压根儿就不会出现。如果引力作用不存在，或者其强度大大弱于其真实强度，那么宇宙间的天体和星系自然也就都没有机会因为引力作用而聚合形成;如果引力作用稍稍弱于目前的强度，那么恒星的温度就会比真实温度更低，从而无法形成超新星爆发——也就无从在宇宙中产生出重元素，生命自然也就无从出现和演化。另一方面，如果重力的强度高于其真实的强度，那么理论上只需要更少的材料就可以形成恒星，恒星的体积就会更小，寿命也会更短。

除了引力作用之外，强相互作用用以维持原子核内部的稳定性。如果强相互作用的强度比它的真实强度高出50%，那么宇宙中几乎所有的氢元素都会在宇宙的早期燃烧掉，在恒星内部进行的恒星核合成也会比真实情况少得多。而且强相互作用强度的任何变化都会对宇宙中碳元素和氧元素的合成影响巨大，而这两种元素都是构成地球上的有机生命最重要的元素。与之类似的，支配核辐射效应的弱相互作用如果远小于它的真实强度，那么在宇宙早期就会出现更多的中子，恒星可能根本就无法形成。

除了这几种基本相互作用的强度之外，还有其他更微妙的数值对于宇宙的状态和生命的产生影响巨大。例如在总共六种夸克中最轻的两种，上夸克与下夸克之间的质量差别大约是电子质量的10倍，这个数字发生任何变动都有可能影响到构成原子核的粒子：质子和中子的稳定性。质子和中子都可以看作夸克的某种束缚态，如果上夸克和下夸克之间的质量差发生变化，那么夸克就有可能形成新的束缚态而非质子和中子，整个宇宙中的物质形态可能会更加简单，无法发生复杂的化学反应。另外，一些宇宙常数，能量密度等数值，如果发生变化，都可能极大影响宇宙的形态以及时空的性质，无论发生任何变化，可能生命的产生都无从谈起。

这样来看，似乎整个宇宙状态，从各种常数，到相互作用的强度，乃至物理定律的形式，全都“配合”的恰到好处，仿佛经过精心的“微调”（Fine-Tuning）以确保生命形式可以在宇宙中产生，这难免让人感到迷惑。根据人类的研究，从最简单的形式开始，地球上的生命形式也只有几十亿年的历史，而宇宙已经有了大约140亿年的历史，而且经过了不同的演化过程。为什么从刚刚诞生开始，各种宇宙常数和定律就都“恰到好处”地允许生命出现？这种“巧合”会让一些人认为宇宙的状态是被一位万能的造物主所设计好的，而让生命可以出现，正是宇宙存在的意义之一。除了宗教情感之外，对于这种堪称特殊的宇宙状态，很多相信多重宇宙学说的宇宙学家也认为，这正是在宇宙中存在着无穷多个充满各种可能性的宇宙的最好的证据。

如何理解多重宇宙？

如果任何一个宇宙常数都可以是任何数值的话，那么这些数值恰好是落在生命可以存在的区间的可能性可以说微乎其微。因此，有一类多重宇宙学说认为，正是因为存在着无穷多个宇宙，在不同的宇宙中分布着各种常数的不同数值，因此生命的出现也就不是一个巧合——因为生命只能在允許出现生命的宇宙中出现。

美国理论物理学家、宇宙学家、麻省理工学院教授阿兰·古斯

剑桥大学理论天文学家马丁·里斯

出于这个原因，一些宇宙学家把人类所观测到的宇宙的状态作为多重宇宙存在的证据，剑桥大学著名的理论天文学家马丁·里斯（Martin Rees）正是其中的代表人物。多年来他始终坚信多重宇宙理论，尽管他也承认人类有可能永远都无法发现多重宇宙存在的科学证据，但他仍然坚信其他形式的宇宙确实存在。里斯认为，我们所在的宇宙的状态在大爆炸发生时就已经被决定——这样的状态，以人类的观察来看，是非常特殊的一种。宇宙膨胀的速度、宇宙中各种元素的分配、各种基础相互作用的强度，似乎是专门为了生命的出现所准备的。例如，我们的宇宙中充满了大量的各种各样的原子，这是生命出现的最基本的条件之一：如果要出现有机生命，那么这种生命形式必须远远大于原子的尺度，在时间上，这种生命所存活的时间也有要远大于原子之间相互作用的时间。

如果宇宙中没有大量原子的存在，那么宇宙中主要的存在形式有可能是黑洞，或是不活跃的暗物质，或者是物质全部平均分布的毫无差别而言的宇宙，在这样无聊的宇宙中自然不可能有生命存在。在里斯看来，这种独特的宇宙状态说明生命出现在了一个恰好允许生命存在的宇宙中。这也正是所谓的“人则原理”（Anthropic Principle）：一个被观测的宇宙环境，必然是允许观测者存在的。想要理解宇宙的状态为何如此，似乎只有“神创论”和“多重宇宙”两种选择了。剑桥大学的唐宁学院在2007年甚至举办过一次名为“上帝还是多重宇宙”（God or Multiverse）的研讨会专门探讨这个问题。

我們的宇宙到底是否经过“微调”，或者说宇宙环境是否专门为了生命的出现而设定，尽管对于这些问题以人类目前的科学发展程度还不能够给出明确的解答，但显然还有相当多的科学家对此持完全相反的观点。

正如此前人们曾经认为如此精妙的生命结构的出现只能是上帝精心设计的结果，人类必然是造物主精心设计的“微调”的产物，但达尔文的自然选择理论完全可以从进化的角度来解释生命形式何以从简单发展到如此复杂。在物理学领域，人们认为也有可能会出现某种理论解释宇宙中生命出现的必然性。有人认为这种局面恰好可以催生新物理学的诞生。比如说，目前全世界的物理学家都以构建出足以解释宇宙中一切现象的“大统一理论”作为研究的最高目标——这样的一种理论，应该不仅可以解释宇宙中发生的一切现象，还可以解释其自身。一些宇宙常数究竟为什么必须为一个特定的数值，而不是可以取一个任意的实数，大统一理论理应也可以对此做出解释。在这种情况下，这个无所不包的理论就可以证明，我们所观测到的宇宙并不是偶然的产物，而是其唯一可能具有的形态。

生命究竟是什么

关于宇宙是为了生命的存在而经过“微调”的看法，还有一个原因使其无法得到广泛的认同，那就是人类至今为止都还没有一个关于“生命”，可以被广泛接受的清晰明确的定义。生命到底是什么？生命是否只能在地球上存在？生命到底可以以什么样的状态存在？生命是否可以被定义为宇宙的观测者？在这些问题没有得到明确的解答之前，所谓宇宙的特性是为了生命而微调也就失去了根基。即使以目前人类所认识到的生命状态来说，宇宙常数和物理学规律也不是最适合生命存在的状态，在这个基础上，人们可以幻想在一个完全不同的宇宙之中，在不同的物理学规律的支配之下，可能会出现其他形式的生命——这不仅取决于宇宙的状态，还取决于我们对于生命的理解。

宇宙中的各种常数到底为什么“偏偏”是这样的数值？关于这个问题，加拿大圆周理论物理研究所的物理学家李·斯莫林（Lee Smolin）认为，必须采取一种科学的方式对其进行分析，也就是说它应该可证实、可证伪，并且是独一无二的解答。这个解答必须还可以做出进一步的推论，可以被实验确认或者否定，而且这个解答所给出的结果必须是独特的，没有其他更加简单的解答可以得出同样的预测。从这个立场出发，关于“微调”问题的很多解答都不可取。在斯莫林看来，不仅所谓的造物主创造宇宙的解释不可取，所谓的从多重宇宙学说出发，通过人则原理给出的解释同样不是一个科学解释，因为它不可能给出任何可以被实验验证的预测。

美国物理学家李·斯莫林

关于宇宙的状态是否经过微调的争论，在科学界可能仍然会继续下去，对于这个问题最终会有怎样的解释尚未可知，但答案不会只是二选一的简单选项。例如目前人类观察到宇宙空间的曲率非常接近平直，也就是说我们生活在一个非常平坦的空间之中。在一些宇宙学家们看来，这正是宇宙状态被微调的结果，但是另一方面，根据麻省理工学院的宇宙学家阿兰·古斯（Alan Guth）提出的宇宙暴涨假说，宇宙在刚刚诞生之后就发生了一次暴涨，这次暴涨的结果就是把空间从初始状态拉伸到了平直的程度。也就是说，无论宇宙诞生之初空间的状态是怎么样，暴涨都能够确保把空间拉伸到平直状态。正如一个气球，在没有被吹足气的时候可能呈现出各种各样的状态，但是当它被吹满了空气，气球的表层就会呈现出一种平均且相对平坦的状态了，这与气球的初始状态并无关联。需要注意的是，宇宙暴涨假说目前也还没有得到最终证实，而且这个假说一旦成立，人们也就必须接受它所引发的另一个推论：暴涨从来不会停止。一个暴涨会引发出无穷无尽的暴涨，虽然在我们所生活的区域宇宙暴涨已经结束，但是在我们所无法观测的宇宙其他区域仍然在发生着无穷无尽的暴涨，这也正是多重宇宙学说的另外一个版本。尽管如此，宇宙暴涨假说为科学家们提供了一个可能性：我们可能最终会找到一个科学理论，为宇宙当前适合生命存在的状态提供合理的解释。

我们所居住的宇宙，是否一切常数和规律都被调整到恰到好处，正好适合生命存在？也有科学家认为并非如此。加拿大阿尔伯塔大学的理论物理学家唐·佩奇（Don Page）认为，虽然我们的宇宙允许生命存在，但是显然并非完美。例如整个宇宙正处于加速膨胀之中，这个加速度可以用一个“宇宙常数”来表示。虽然有宇宙学家认为，宇宙常数如果过大、宇宙加速膨胀的速度过快，那么星系就不会形成，生命则不会出现。但在佩奇看来，这一点恰恰也可以用来证明宇宙没有经过微调，因为更小的宇宙常数，甚至稍微呈负值的宇宙常数才最有利于星系的形成，自然也就更有利于生命的产生和进化。宇宙加速膨胀，实际上使生命形式更难获得材料，这并非是生命存在的最佳条件。

我们必须意识到，生命在地球上出现有数十亿年的时间，人类文明的长度与之相比只是短短一瞬，而人类真正意识到宇宙的状态，开始用科学方法研究宇宙，才只有短短几十年的时间，与生命的历程相比连沧海一粟都算不上。在这样的情况下，人们对于自身，或是对于宇宙的认识产生出任何迷惑都属正常，人类绝不能够放弃的是科学精神。对于宇宙学家们来说，遮挡宇宙真实面貌的大幕还没有拉开，还有更多的实际问题需要解答。

〔本文写作参考了《斯坦福大学哲学百科全书》（Stanford Encyclopedia of Philosophy）有关微调的内容以及其他相关报道〕