感謝幸運常數的 5 個理由,歡度感恩節

當您盡情享用土豆泥時,請心懷感激,宇宙的物理常數是如此精確,以至於任何一個常數發生輕微變化都會使雞腿——甚至您的存在——成為不可能

本週四,我們都有個人理由表達感激之情,但其中之一應該是我們首先存在這一事實——畢竟,情況很容易就變得不同。大爆炸之後,如果僅僅是少數事情有所不同,宇宙就可能變成無休止的混亂或單調的簡單。

太陽、地球以及地球上所有物種,尤其是智慧生命的形成,都需要一系列的僥倖。特別是,自然常數——例如c,光速,以及G,表示引力——似乎是為了我們的存在而精確調整的。僅僅其中一個值的輕微變化就會使星系、恆星、行星、生命,甚至像構成您的南瓜餅那樣的複雜原子成為不可能。不同的常數可能會導致宇宙只閃現片刻就消失,或者宇宙在其誕生後迅速膨脹,以至於無法形成除最簡單的氫以外的任何元素。

因此,當您思考在感恩節要感謝什麼時,這裡有一些值得思考的


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  1. 宇宙的膨脹速度:宇宙不僅在膨脹,而且由於科學家稱之為“暗能量”的某種未知實體,宇宙在每時每刻都在加速膨脹。最流行的解釋是,暗能量來自空曠空間中固有的能量,其強度由所謂的“宇宙常數”決定。問題是,大多數計算表明,宇宙常數應該比現在大 120 多個數量級。不知何故,它最終變得非常小——這對我們來說很幸運。如果常數更大,空間會在大爆炸後迅速膨脹,以至於質量永遠沒有時間凝聚成星系和恆星。如果宇宙常數更小,宇宙早就坍縮了,同樣會阻止星系和恆星的形成。事實上,這個常數非常精確地位於理想值,以至於只要改變十萬分之 1,就足以確保那些沒有感恩節的替代場景之一成為現實。

  2. 穩定的質子:中子的質量是質子的 1.00138 倍。這種額外的重量是導致中子衰變為質子、電子和中微子的原因,並阻止了較輕的質子發生任何衰變。事實上,儘管進行了廣泛的搜尋,但許多實驗努力都未能觀察到質子衰變。這種穩定性對我們來說是幸運的,因為如果質子和中子質量的比率被改變甚至顛倒,質子就會衰變成中子,從而導致宇宙中沒有原子。

  3. 恆星核聚變:當我們的宇宙處於嬰兒期時,它主要包含氫和氦。直到這些元素聚結形成恆星,恆星核心內部的核聚變鍊金術才產生了創造生命所需的更復雜元素。從氫到更重元素的每一步都對所涉及的物理學非常敏感,特別是強力和電磁力。結合原子核的強力必須克服原子核中帶正電荷的質子之間的電磁斥力,才能產生穩定的原子。強力強度降低超過 0.5%,或電磁力強度變化超過 4%,都會破壞碳(生命的基石)在恆星內部產生的機會。

  4. 金髮姑娘恆星:如果引力稍強一些——也就是說,如果常數G稍大一些——所有恆星都會坍縮成較小的紅矮星(寒冷、低質量的恆星),這些恆星太冷,無法支援可能孕育類似地球生命的行星。如果G稍弱一些,所有恆星都會膨脹成藍巨星(熾熱、高質量的恆星),這些恆星燃燒的時間太短,生命無法發展。引力僅改變十萬分之 1 就會對像太陽這樣的恆星造成悲劇。

  5. 定律的平衡:科學家還觀察到物理定律本身也存在微調——規則,例如引力定律和熱力學定律,它們 регулируют 宇宙。比我們的定律更復雜的定律可能會導致宇宙如此混亂,以至於每個恆星和星系似乎都遵守不同的標準。智慧生命永遠無法在如此宇宙混亂中生存。而更簡單的定律可能會導致宇宙如此直接和統一,以至於純粹的偶然性——例如兩個簡單的單細胞生物的合併,科學家認為這在 20 億年前產生了複雜的真核生命——永遠不會發生。我們的宇宙微妙地平衡在這兩個極端之間。

如此精細調整的宇宙很容易讓人得出結論,即宇宙是特殊的,是一種特殊的、不太可能的配置,非常適合恆星、行星和人類等複雜性的出現。但這種觀點直接反對哥白尼原則,該原則認為宇宙以及我們在宇宙中的位置遠非特殊——它是平庸的。

為了回應這個困境,一些宇宙學家轉向所謂的人擇原理,該原理認為,表面上為生命進行的微調是一種選擇偏差:如果不是這樣,我們就不會在這裡觀察它。另一些人則轉向多元宇宙——認為我們的宇宙只是眾多宇宙之一,其中無數替代定律是可能的。我們發現自己身處這個宇宙,儘管它不太可能,但這僅僅是因為我們只能在這樣的宇宙中誕生。無論我們選擇如何解釋宇宙明顯的微調,這無疑都是一個值得感恩的理由。

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