典型的好萊塢動作英雄以與死神擦肩而過為生。一次又一次，成群的壞人從四面八方向他射擊，但都毫釐之差地錯過了。汽車爆炸，但僅僅晚了一瞬間，火球沒有在他找到掩護之前抓住他。朋友們及時趕來救援，就在壞人的刀子要割斷他的喉嚨之前。如果其中任何一件事情稍微有所不同，這位英雄就會後會無期，寶貝。然而，即使我們以前沒有看過這部電影，某種感覺告訴我們，他會完整無缺地活到最後。
在某些方面，我們宇宙的故事類似於好萊塢動作片。一些物理學家認為，對物理定律稍作修改就會導致災難，從而擾亂宇宙的正常演化，使我們的存在成為不可能。例如，如果將原子核結合在一起的強核力稍微強一些或弱一些，恆星就會產生非常少的碳和其他似乎是形成行星，更不用說生命所必需的元素。如果質子僅比現在重 0.2%，所有原始氫幾乎會立即衰變為中子，並且不會形成原子。這樣的例子不勝列舉。
因此，物理定律——特別是自然常數，例如基本力的強度——可能看起來經過了精細的調整，才使我們的存在成為可能。在缺乏超自然解釋的情況下（根據定義，這將超出科學的範疇），從 20 世紀 70 年代開始，許多物理學家和宇宙學家試圖透過假設我們的宇宙只是眾多現有宇宙之一來解決這個難題，每個宇宙都有其自身的定律。根據這種“人擇”推理，我們可能只是恰好居住在罕見的宇宙中，那裡恰好彙集了合適的條件來創造生命的可能性。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們今天世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
令人驚訝的是，現代宇宙學中盛行的理論（該理論在 20 世紀 80 年代興起）表明，這種“平行宇宙”可能真的存在——事實上，大量的宇宙會像我們宇宙在大爆炸中那樣，不斷地從原始真空中湧現出來。我們的宇宙可能只是一個更大的廣闊空間（稱為多元宇宙）中的眾多口袋宇宙之一。在絕大多數這些宇宙中，物理定律可能不允許形成我們所知的物質或星系、恆星、行星和生命。但是，鑑於可能性的數量龐大，自然界有很好的機會至少一次獲得“正確”的定律組合。
然而，我們最近的研究表明，其中一些其他宇宙（假設它們存在）可能並非如此不適宜居住。值得注意的是，我們已經找到了基本常數的替代值示例，因此也找到了物理定律的替代集合示例，這些示例可能仍然會產生非常有趣的世界，甚至可能產生生命。基本思想是改變自然定律的一個方面，然後對其他方面進行補償性改變。
我們的工作沒有解決理論物理學中最嚴重的精細調整問題： “宇宙常數”的微小性，正是由於這個常數，我們的宇宙才沒有在大爆炸後不到一秒的時間內重新坍縮為虛無，也沒有被指數級加速膨脹撕裂。儘管如此，替代的、潛在可居住的宇宙的例子提出了有趣的問題，並激發了對我們自身宇宙的獨特性進行進一步研究的動力。
無弱力生命之道
科學家用來確定某個特定自然常數是否經過精細調整的傳統方法是將該“常數”變成可調引數，並在保持所有其他常數不變的情況下對其進行調整。根據他們新修改的物理定律，科學家們隨後“播放宇宙電影”——他們進行計算、假設情景或計算機模擬——以檢視首先發生什麼災難。但是，沒有理由一次只調整一個引數。這種情況類似於嘗試透過僅改變緯度或僅改變經度來駕駛汽車，但兩者都不改變：除非您在網格上行駛，否則您註定要衝出道路。相反，可以一次調整多個引數。
為了尋找仍然產生能夠維持生命的複雜結構的其他定律集合，我們中的一位（佩雷斯）及其合作者並沒有對已知的物理定律進行小的調整：他們完全消除了四種已知基本力中的一種。
顧名思義，基本力聽起來像是任何像樣的宇宙不可或缺的特徵。如果沒有強核力將夸克結合成質子和中子，並將它們結合成原子核，我們所知的物質就不會存在。如果沒有電磁力，就不會有光；也不會有原子和化學鍵。如果沒有引力，就不會有將物質聚結成星系、恆星和行星的力量。
第四種力，弱核力，在我們日常生活中表現得不太明顯，但仍然在我們宇宙的歷史中發揮了重要作用。除其他外，弱力使中子變成質子的反應成為可能，反之亦然。在大爆炸的最初瞬間，在夸克（最早出現的物質形式之一）結合成三組形成質子和中子（統稱為重子）之後，四個質子組隨後能夠融合在一起並變成氦 4 核，氦 4 核由兩個質子和兩個中子組成。這種所謂的太初核合成發生在我們宇宙誕生後的幾秒鐘內，當時宇宙已經足夠冷，可以形成重子，但仍然足夠熱，可以使重子發生核聚變。太初核合成產生了氫和氦，它們後來形成了恆星，在恆星中，核聚變和其他過程將產生幾乎所有其他天然存在的元素。直到今天，四個質子融合形成氦 4 的過程仍在我們的太陽內部繼續進行，它產生了我們從太陽接收到的大部分能量。
那麼，如果沒有弱核力，宇宙似乎不太可能包含任何類似於複雜化學物質的東西，更不用說生命了。然而，在 2006 年，佩雷斯的團隊發現了一組物理定律，該定律僅依賴於自然界的其他三種力，並且仍然導致了一個宜人的宇宙。
消除弱核力需要對粒子物理學的所謂標準模型進行多項修改，標準模型是描述除引力之外的所有力的理論。該團隊表明，可以進行調整，使得其他三種力的行為以及其他關鍵引數（例如夸克的質量）將與我們世界中的相同。我們應該強調，這種選擇是保守的選擇，旨在方便計算宇宙將如何展開。很可能存在範圍廣泛的其他“無弱力”宇宙，這些宇宙適合居住，但看起來與我們自己的宇宙截然不同。
在無弱力宇宙中，質子通常融合形成氦是不可能的，因為它需要兩個質子轉化為中子。但是，可能存在其他創造元素的途徑。例如，我們的宇宙包含的物質比反物質多得多，但是對控制這種不對稱性的引數進行微小調整就足以確保太初核合成會留下大量的氘核。氘，也稱為氫 2，是氫的同位素，其原子核除了通常的質子外還包含一箇中子。然後，恆星可以透過融合質子和氘核來製造氦 3（兩個質子和一箇中子）核來發光。
這種無弱力恆星比我們宇宙中的恆星更冷更小。根據普林斯頓大學天體物理學家亞當·伯rows的計算機模擬，它們可以燃燒約 70 億年——大約是我們太陽的當前年齡——並且以太陽能量的百分之幾的比率輻射能量。
下一代
就像我們宇宙中的恆星一樣，無弱力恆星可以透過進一步的核聚變合成重達鐵的元素。但是，在我們恆星中導致鐵以外元素的典型反應將會受到損害，這主要是因為很少有中子可供原子核捕獲以變成更重的同位素，這是形成更重元素的第一步。少量重元素（最多到鍶）可能仍然可以透過其他機制在無弱力恆星內部合成。
在我們的宇宙中，超新星爆炸將新合成的元素擴散到太空，併合成更多的元素本身。超新星可以是多種型別的：在無弱力宇宙中，超大質量恆星坍縮引起的超新星爆炸將失敗，因為正是透過弱力相互作用產生的neutrinos的發射將能量從恆星核心傳輸出來，從而維持引起爆炸的衝擊波。但是，另一種型別的超新星——由吸積而不是引力坍縮觸發的恆星的熱核爆炸——仍然會發生。因此，元素可以擴散到星際空間，在那裡它們可以為新的恆星和行星播種。
鑑於無弱力恆星相對較冷，一個無弱力類地天體必須比我們自己的地球靠近其太陽約六倍才能保持與我們自己的地球一樣溫暖。對於這樣一個星球的居民來說，太陽看起來會大得多。無弱力地球在其他方面與我們自己的地球顯著不同。在我們的世界中，板塊構造和火山活動是由地球深處鈾和釷的放射性衰變驅動的。如果沒有這些重元素，典型的無弱力地球可能具有相對單調乏味的地質特徵——除非引力過程提供了另一種熱源，就像土星和木星的一些衛星上發生的那樣。
另一方面，化學性質將與我們世界的化學性質非常相似。一個不同之處在於，元素週期表將在鐵處停止，除了極少量的其他元素。但是，這種限制不應阻止類似於我們已知的生命形式進化。因此，即使是隻有三種基本力的宇宙也可能適合生命存在。
我們中的另一位（詹金斯）及其合作者追求的另一種方法是透過對標準模型進行比無弱力宇宙情況更小的調整來尋找替代的定律集合，儘管仍然一次涉及多個引數。2008 年，該小組研究了六個夸克中最輕的三個夸克（稱為上夸克、下夸克和奇異夸克）的質量可以在多大程度上變化而不會使有機化學成為不可能。改變夸克質量將不可避免地影響哪些重子和哪些原子核可以在不快速衰變的情況下存在。反過來，原子核的不同分類將影響化學性質。
夸克化學
似乎合理的推測是，智慧生命（如果它與我們沒有太大不同）需要某種形式的有機化學，根據定義，有機化學是涉及碳的化學。碳的化學性質源於其原子核具有 6 個電荷，因此中性碳原子中有 6 個電子在軌道上執行。這些特性使碳能夠形成種類繁多的複雜分子。（科幻小說作家經常提出的生命可能基於矽——元素週期表中碳組中的下一個元素——的建議值得懷疑：已知不存在任何具有顯著複雜程度的矽基分子。）此外，為了形成複雜的有機分子，需要存在具有氫（電荷 1）和氧（電荷 8）化學性質的元素。為了檢視它們是否可以維持有機化學，該團隊必須計算電荷為 1、6 或 8 的原子核是否會在參與化學反應之前發生放射性衰變。
原子核的穩定性部分取決於其質量，而其質量又取決於構成它的重子的質量。即使在我們宇宙中，從夸克的質量開始計算重子和原子核的質量也極具挑戰性。但是，在調整夸克之間相互作用的強度之後，可以使用在我們宇宙中測量的重子質量來估計夸克質量的微小變化將如何影響原子核的質量。
在我們的世界中，中子大約比質子重 0.1%。如果夸克的質量發生變化，以至於中子比質子重 2%，那麼就不會存在長壽命形式的碳或氧。如果調整夸克質量以使質子比中子重，那麼氫原子核中的質子將捕獲周圍的電子並變成中子，因此氫原子不能長時間存在。但是氘或氚（氫 3）可能仍然穩定，並且某些形式的氧和碳也是如此。實際上，我們發現，只有當質子比中子重超過約 1% 時，才會不再存在某種穩定的氫形式。
用氘（或氚）代替氫 1，海洋將由重水組成，重水與普通水相比具有細微不同的物理和化學性質。儘管如此，在這些世界中，某種形式的有機生命進化似乎沒有根本的障礙。
在我們的世界中，第三輕的夸克——奇異夸克——太重而無法參與核物理。但是，如果將其質量降低十分之一以上，則原子核不僅可以由質子和中子製成，還可以由包含奇異夸克的其他重子製成。
例如，該團隊確定了一個宇宙，其中上夸克和奇異夸克的質量大致相同，而下夸克的質量要輕得多。那麼原子核將不是由質子和中子組成，而是由中子和另一種重子組成，稱為 Σ–（“西格瑪負”）。值得注意的是，即使是這樣一個截然不同的宇宙也將具有穩定的氫、碳和氧形式，因此可能具有有機化學。這些元素是否會大量產生，足以讓生命在其中某個地方進化，這是一個懸而未決的問題。
但是，如果生命能夠出現，它的發生方式將再次與在我們世界中發生的方式非常相似。這樣一個宇宙中的物理學家可能會對上夸克和奇異夸克具有幾乎相同的質量這一事實感到困惑。他們甚至可能想象，這種驚人的巧合具有人擇解釋，這是基於對有機化學的需求。然而，我們知道，這種解釋是錯誤的，因為即使下夸克和奇異夸克的質量差異很大，我們的世界也具有有機化學。
另一方面，三個輕夸克的質量大致相同的宇宙可能沒有有機化學：任何電荷超過幾個單位的原子核幾乎會立即衰變消失。不幸的是，詳細繪製物理引數與我們自身不同的宇宙的歷史非常困難。這個問題需要進一步研究。
弦理論景觀
一些理論物理學家將精細調整作為多元宇宙的間接證據而引用。那麼，我們的發現是否因此質疑多元宇宙的概念？我們認為不一定如此，原因有二。第一個原因來自觀察，並結合了理論。天文資料有力地支援了以下假設：我們的宇宙最初是一個微小的時空區域，可能小到質子的十億分之一，然後經歷了一個快速的指數級增長階段，稱為暴脹。宇宙學仍然缺乏關於暴脹的明確理論模型，但理論表明，不同的區域可能以不同的速率膨脹，並且每個區域都可能形成一個“口袋”，該口袋可以成為一個獨立的宇宙，其特徵在於其自身的自然常數值 [參見安德烈·林德撰寫的“自我複製的暴脹宇宙”；《大眾科學》，1994 年 11 月]。口袋宇宙之間的空間將保持快速膨脹，以至於即使以光速也無法從一個口袋宇宙旅行或傳送訊息到下一個口袋宇宙。
懷疑多元宇宙存在的第二個原因是，一個量似乎仍然被精細調整到非常高的程度：宇宙常數，它代表了空虛空間中蘊含的能量量。量子物理學預測，即使是原本空虛的空間也必須包含能量。愛因斯坦的廣義相對論要求所有形式的能量都施加引力。如果這種能量是正的，它會導致時空以指數級加速的速度膨脹。如果它是負的，宇宙將重新坍縮成“大擠壓”。量子理論似乎暗示，宇宙常數應該非常大——無論是正方向還是負方向——以至於空間會膨脹得太快，以至於星系等結構沒有機會形成，否則宇宙將在重新坍縮之前存在不到一秒的時間。
解釋為什麼我們的宇宙避免了這種災難的一種方法可能是方程中的其他項抵消了宇宙常數的影響。問題在於，該項必須經過極其精確的精細調整。即使在小數點後第 100 位出現偏差，也會導致宇宙沒有任何重要的結構。
1987 年，德克薩斯大學奧斯汀分校的諾貝爾獎獲得者理論家史蒂文·溫伯格提出了人擇解釋。他計算了宇宙常數值的上限，該上限仍然與生命相容。如果該值再大一些，空間就會膨脹得太快，以至於宇宙將缺乏生命所需的結構。從某種意義上說，我們自身的存在預示了該常數的低值。
然後，在 20 世紀 90 年代後期，天文學家發現宇宙確實在加速膨脹，這是由一種神秘形式的“暗能量”推動的。觀測到的速率暗示宇宙常數是正的且微小的——在溫伯格預測的範圍內——這意味著暗能量非常稀薄。
因此，宇宙常數似乎被精細調整到了異常高的程度。此外，我們的團隊應用於弱核力和夸克質量的方法似乎在這種情況下失敗了，因為似乎不可能找到宇宙常數明顯大於我們觀察到的值的宜人宇宙。在多元宇宙中，絕大多數宇宙可能具有與任何結構的形成都不相容的宇宙常數。
與動作片類比相反，一個真實世界的類比是派遣數千人徒步穿越多山沙漠。少數倖存下來的人可能會講述充滿懸念、與毒蛇相遇以及其他與死神擦肩而過的故事，這些故事似乎太離奇而不真實。
植根於弦理論（標準模型的投機性擴充套件，試圖將所有力描述為微觀弦的振動）的理論論證似乎證實了這種情況。這些論證表明，在暴脹期間，宇宙常數和其他引數可能已經採用了幾乎無限範圍的不同值，稱為弦理論景觀 [參見拉斐爾·布索和約瑟夫·波爾欽斯基撰寫的“弦理論景觀”；《大眾科學》，2004 年 9 月]。
然而，我們自己的工作確實對人擇推理的有用性提出了一些疑問，至少在宇宙常數的情況之外是這樣。它也提出了重要的問題。例如，如果生命真的有可能在無弱力宇宙中存在，那麼為什麼我們自己的宇宙根本就存在弱力呢？事實上，粒子物理學家認為我們宇宙中的弱力在某種意義上來說不夠弱。在標準模型中，其觀測值似乎異常強。（對這個謎團的主要解釋需要存在新的粒子和力，物理學家希望在日內瓦附近的歐洲核子研究中心新開放的大型強子對撞機上發現它們。）
因此，許多理論家預計，大多數宇宙的弱相互作用將非常微弱，以至於實際上不存在。那麼，真正的挑戰可能是解釋為什麼我們沒有生活在無弱力宇宙中。
最終，只有對宇宙如何誕生的更深入的瞭解才能回答這些問題。特別是，我們可能會發現更基本層面的物理原理，這些原理暗示自然界更喜歡某些定律組合而不是其他定律組合。
我們可能永遠找不到任何其他宇宙存在的直接證據，而且我們肯定永遠無法訪問其中一個宇宙。但是，如果我們想了解我們在多元宇宙中的真實位置——或者說，在那裡的任何東西，我們可能需要更多地瞭解它們。