注定生命出现的物理常数值:宇宙为我们定制?(图)

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注定生命出现的物理常数值:宇宙为我们定制?

文章来源: 物理学家组织网
于 2015-01-19 21:11:15

我们宇宙中的一些基本物理常数的值几乎就像是为了让生命出现而专门定制的。即便是基本物理学参数上发生非常微小的变化也会导致这种多重宇宙中出现完全不同的宇宙，我们所在的宇宙似乎对我们是友好的

北京时间1月20日消息，据物理学家组织网站报道，将近半个世纪以来，理论物理学家们一直在思考一个似乎有些令人困惑的问题，那就是我们宇宙中的一些基本物理常数的值几乎就像是为了让生命出现而专门定制的。 粒子物理标准模型中的那些常数导致了宇宙大爆炸中氢原子核的形成，然后在早期快速诞生的大质量恒星内部合成了碳原子和氧原子，并伴随超新星爆发散布到宇宙 空间中去。这些过程最终为太阳系和行星的出现奠定了基础，让在其中的一颗行星上出现以碳元素为基础，依赖水和氧气生存的生命成为了可能。

最早产生这样一种想法，即认为物理学以及宇宙的演化都遵循人择原理的人是英国剑桥大学的天体物理学家布兰顿·卡特尔(Brandon Carter)，当时他还是一名博士后研究员，随后这一想法得到了剑桥大学的史蒂芬·霍金教授以及全球各地大批物理学家们的广泛探讨。

德国学者沃尔夫冈·梅纳(Ulf-G Mei?ner)是德国波恩大学亥姆霍兹研究所理论核物理首席研究员，他为人择原理提供了更多的证据。

在一篇名为《核物理中的人择思考》的研究论文中，梅纳教授对人择原理在天体物理学以及粒子物理学中的体现进行了论述，这篇文章刊载于北京出版的《科学通报》(Science Bulletin)上。在这篇论文中，梅纳教授写道：“人们可以通过一些具体的机制过程，比如元素的产生过程，来对这种相对抽象的论述进行物理学检验。”

他说：“这就需要利用超级计算机，我们在其中对世界进行模拟，并允许我们采用不同于真实世界中的一些基本物理学参数。具体到某个物理学问题，比如我想知道大爆炸中轻元素的产生对轻夸克的质量变化是否敏感；另外，在3-α过程中谐振状态的稳定性如何？”

布兰顿· 卡特尔最初设想的理论是这样的：“我们的宇宙(同时也包括那些其赖以存在的基本物理常数)必须允许观察者在某一阶段出现。”史蒂芬·霍金教授是宇宙大爆炸 和宇宙膨胀方面的专家，他在一系列的专著和论文中介绍和拓展了这一思想。比如在他的畅销书《时间简史》中，霍金教授总结了一系列看上去支持人择原理的天体 物理学现象和常数，并提问道：“为何宇宙以这样接近于介于坍塌和永远膨胀模型的临界膨胀速率开始并膨胀下去，即便是在今天，在经过100亿年之后，仍然在以几乎临界速率膨胀？假如大爆炸之后一秒钟时的宇宙膨胀速率哪怕小上一亿亿分之一，那么我们的宇宙早在变成今天的大小之前便已经重新陷入塌缩。”

梅纳教授在论证其观点时写道：“我们所生活其中的宇宙是由一些特定的参数定义的，这些参数取得某些特定的值，使其似乎专为生命而定制，其中也可能包括地球上的生命。”

他 指出：“比如说，宇宙的年龄必须足够大，从而可以允许星系，恒星和行星，以及第二代和乃至第三代恒星的形成，这些形成时间较晚的恒星体系吸收了由此前已经 消亡的更早的恒星在太空中散播的碳和氧元素。而从更加微观的角度来说，粒子物理标准模型中轻夸克质量的某些基本参数或电磁精细结构常数的取值也必须允许中 子，质子和原子核的形成。”

宇宙大爆炸核合成机制仅仅产生了氢原子核以及α粒子(氦核)，而那些被普遍认为属于生命必须元素的物质，如碳和氧都是在后来才由亮度和质量巨大，因此寿命也非常短促的早期恒星在其内部经由核合成机制产生，并以超新星爆发的形式散布到宇宙空间当中。

在德国于利希研究中心JUQUUEN超级计算机上进行的一系列计算机模拟中，梅纳教授和同事们将自然界中轻夸克的质量数值进行了更改，以验证这一数值发生多大程度的变化将会导致大质量恒星内部碳和氧元素的合成过程受阻。最终他们得到的结果是，轻夸克质量上2~3%的变化将不会对大质量恒星内部碳和氧元素的合成造成灾难性的影响。

而在宇宙的开端，当大爆炸发生并产生元素周期表上最初开头的两个元素之时情况则有所不同。梅纳教授表示：“从观测到的元素丰度到自由中子的衰变周期大约为882秒这一事实，大部分幸存下来的中子都会被氦核捕获。你会发现这里对轻夸克的质量变动有一个严格的限定。”他说：“这种严格的限定似乎可以被视作是宇宙人择原理的一项支持证据。很显然，我们可以设想存在很多个宇宙，在每一个宇宙中基本参数都有不同的取值，从而导致其中的环境大大不同于我们所在的宇宙。”

史蒂芬·霍金教授指出，即便是基本物理学参数上发生非常微小的变化也会导致这种多重宇宙中出现“完全不同的宇宙，即便它非常美丽，但毫无疑问，我们中的任何人都将无法欣赏这种美”。

梅纳教授对此表示赞同：“那样的话，就说明我们所在的宇宙似乎是对我们友好的，而这正是人择原理的基础。”