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第十三章 黑洞與宇宙混沌

混沌是無處不在的。

約翰·巴羅

我們的宇宙在創生之初就處於一種非常特殊的狀態嗎?它是經過精心塑造,以便在一定的時間之後先讓生命、最後再讓精神繁盛起來驚歎宇宙的奇妙嗎?若不是這樣的話,那麼,我們是生活在荒唐至極毫無意義的偶然事物之中嗎?我們的宇宙真是從虛無中爆發出來的嗎?宇宙的創生真是純粹的偶然事件嗎?的確,現今的宇宙學家所要對付的最為迫切的中心問題,莫過於這個有關存在的問題了。

在上一章裡所講的諸種論點表明,儘管熱力學第二定律具有不可抗拒的規定,但宇宙秩序在很大程度上能夠自然地毫不奇怪地從完全是混沌的原初宇宙中產生出來,而原初宇宙完全是偶然的,代表著物質世界的偶然起源。然而,假如把引力考慮進來的話,宇宙秩序的起源的圖景就大大不同了。

引力是大自然的各種力當中最弱的,但其力量具有累加性,所以在大尺度上引力佔了優勢。要解釋星團、星系的結構以及膨脹的宇宙的總體運動,我們就得仰仗引力。儘管愛因斯坦的廣義相對論中的空間彎曲和時間彎曲使人們相當理解引力的性質了,但說到引力秩序,物理學就亂了套。關於受引力作用的系統的熱動力學,目前尚沒有一致的看法或理解,諸如引力場的熵之類的概念現在仍是模模糊糊,沒有清晰的表達。

在第四章裡說過,引力熵的一個具有悖論性質的方面是,那種在我們看來更有結構的狀態,實際上其熵比不那麼有結構的狀態的熵要高。例如,起初均勻分佈的恆星會鬆弛為一種更為複雜的組織,運行速度快的恆星密集在引力的中心附近,而運行速度較慢的恆星則散佈在外圍(見圖7)。受引力作用的系統會自發地生出結構這種傾向,就是自組織的一個好例子。應該把這個例子與在引力可忽略不計的情況下的氣體行為作一番對比。在引力極微,可以忽略不計的情況下,氣體便傾向進入一種均勻狀態,各處的溫度和密度相似。然而,受引力作用的系統則會集結,變得不相似。

在其他的各種力不在的時候,所有的受引力作用的系統都會完全崩潰。例如地球之所以沒有被其重量壓垮,完全是倚仗構成地球的物質的硬度(這硬度的根源是電磁力)。同樣,太陽之所以沒有坍縮,也只是因為太陽核中的核反應產生了巨大的外向壓力。假如除去地球和太陽內部的這些力,地球和太陽便會在短短的幾分鐘之內收縮,越縮越快。隨著收縮的進行,它們的引力就會上升,收縮的速度也就加快。很快地,它們會被吞沒在逐步上升的時間彎曲裡,變成黑洞。從外面看上去,時間就好像是停止了,不會看到進一步的變化了。黑洞所代表的,就是受引力作用的系統的最終平衡狀態,這狀態相當於最大的熵。儘管一般的受引力作用的系統的熵尚不明瞭,然而,雅各布·貝肯斯坦和史蒂芬·霍金利用量子論對黑洞進行的研究工作卻得出了有關這些系統的熵的一個公式。正如所預料的那樣,黑洞的熵要比同質量的一個恆星的熵大得多。假定熵與概率的關係可用於受引力作用的系統,便可以用一種很有意思的方式來表達根據該公式得出的結果。設有些隨機分佈的(受引力作用的)物質,可能性極大的情況是,這些物質將會形成一個黑洞,而不會形成一個恆星或一塊由離散的氣體構成的雲。因而,考慮到這種情況,我們對宇宙是創生於有序還是無序狀態這一問題就會有一種觀點。假如宇宙的初始狀態是隨機選擇的,那麼,大爆炸生出黑洞而不是生出離散氣體的可能性就極大。現在的物質和能量的排列是,物質以恆星和氣雲的形態相對稀薄地分佈,這顯然只能是由對宇宙初始狀態的非常特殊的選擇造成的。羅傑·彭羅斯曾計算過我們所觀察到的宇宙出現於偶然的可能性,得出的結論是,從演繹的角度來看,偶然事件造成一個黑洞宇宙的可能性比造成現有的宇宙的可能性要大得多。他估計的數字是101030:11。

我們所觀察到的宇宙不是黑洞(至少不是以黑洞為主),這暗示著宇宙的初始不是偶發事件造成的。不僅如此,宇宙大尺度的結構和運動也同樣不同尋常。宇宙的累積引力使宇宙的膨脹受到抑制,使膨脹隨著時間減速。在初始階段,宇宙膨脹的速度要比今天大得多。大爆炸造成了向外的衝力,而引力又使勁要把爆炸的碎片向後再拉到一起去,於是,這兩種力量的較量就造成了宇宙。近年來,天文物理學家們才意識到這較量是多麼微妙地保持了平衡。假如當初大爆炸的力量不那麼強,宇宙便會很快在一場大崩塌中縮回去。然而,假如當初大爆炸的力量更強一些的話,宇宙物質便會如此迅速地離散開去,星系就不會形成了。無論怎樣說,宇宙現今的結構似乎非常微妙,全繫於大爆炸造成的外衝力和向內的引力的精確平衡。

這平衡到底有多麼微妙已由計算揭示了出來。在所謂的普朗克時間(即10-43秒,這是時空概念具有意義的最初的時刻),這平衡精確到了。這就是說,假如初始時的爆炸力有的差異,我們現在所觀察到的宇宙便不會存在。為了玩味一下這個數字的意義,你可以設想你要從可見宇宙的另一端,也就是從200億光年以外的地方,射中一個1英吋的靶。你若想真的射中,瞄準的精度就得要精確到1/

除了這總體的精確性之外,還有一個未解之謎,就是為什麼現今的宇宙無論在物質分佈上還是在膨脹速度上這麼均勻。大部分爆炸都是沒有秩序的,人們理應預期大爆炸的衝擊力會處處不同。但事實並非如此。我們這邊宇宙的膨脹速度與另一頭的速度沒有分別。

當我們考慮到所謂光視界時,整個宇宙行為的這種一致性似乎就更加不同尋常了。當光在宇宙中散佈開去時,它必須追趕因宇宙膨脹而向後退去的星系。一個星系的退行速度要視該星系與觀察者的距離多大而定。遙遠的星系退行得要快一些。現在,我們設想在宇宙創生的那個時刻,一束光從某處射了出來。到現在為止,這束光行程大約已200億光年了。200億光年以外的那些宇宙區域現在尚未接收到這束光。在那些區域的觀察者將看不到該光的光源。反過來說,靠近光源的觀察者也看不見這些區域。於是,宇宙之中沒有哪個觀察者現在能夠看到200億光年以外去。空間之中有一種視界,它把在它之外的一切都掩藏了起來。因為沒有哪種信號或影響傳播得比光還快,於是,宇宙間各處於彼此的視界之外的那些區域之間就不可能存在任何的物理聯繫。

當我們把望遠鏡指向可見宇宙的外圍區域時,我們所探測的顯然就是彼此間從未有過因果聯繫的宇宙區域。這是因為,那些從地球上看去是天各一方的區域相距是如此遙遠,以至彼此都在對方的視界之外了。這種情況很類似於日常生活中的地平線的情況。海上的一隻船上的瞭望員可能正好剛能夠看到一前一後的兩隻船在靠近地平線的地方,但這兩隻船卻彼此看不見,因為它們相距過遠。同樣,天各一方相距遙遠的星系也這樣彼此處於對方的視界之外。因為一切物理影響或通訊都是受光速限制的,所以,這些星系是不可能協調它們的行為的。

我們剛才說到的未解之謎是,為什麼宇宙這些沒有因果聯繫的區域在結構和行為上這麼相似?為什麼它們的星系平均大小以及形狀都相同?而且為什麼它們以同樣的速度彼此相離而去?這種協調行為在星系最初形成的時候就有了,當我們意識到這一點時,上述的未解之謎就更意味深長了。但是在過去,自宇宙創生以後,光的行程不是那麼遠,因而各視界也不那麼大。宇宙創生100萬年以後,各視界就是100萬光年,宇宙創生100年以後,各視界就是100光年,依此類推。假如我們再回到普朗克時間,各視界的大小就只有10-43厘米了。即使把宇宙的膨脹考慮進去,按照標準理論來看,這些如此之小的區域到現在也膨脹不到可以看到的尺度。現在看來,當時整個可觀察到的宇宙似乎是分成至少1080個彼此沒有因果聯繫的區域。怎樣才能解釋這種沒有聯繫的協調呢?

與此相關的另一個難題是,宇宙具有極高的各向同性的性質,即方向上的均勻性。從地球上向外看,宇宙在大尺度上是一樣的,不管我們朝什麼方向看都是一樣。仔細測量殘留的宇宙背景熱輻射之後,人們發現從各個方向來的輻射通量具有精確的均衡,相差僅千分之一多一點。假如大爆炸是一個隨機事件,這種異乎尋常的均勻性幾乎是絕對不可能的。

考慮過這些情況之後,人們得出的結論是,宇宙的引力排列之規則、均勻是令人迷惑不解的。似乎不存在任何明顯的理由能夠說明,為什麼宇宙沒有亂了套,沒有以無秩序無協調的方式膨脹開去產生眾多的黑洞。把大爆炸的巨大威力導入這樣一種有規則有組織的運動模式,這似乎是個奇跡。難道真是奇跡嗎?我們現在來仔細探討一下對這未解之謎的各種反應。

一、隱藏的原理

當某個量被發現具有一個非常接近零的值時,物理學家們就傾向於猜想,因為某種深刻的原因,其值就是零。他們就會去尋找某種基本原理,好據以確認該量肯定恰好為零。例如,不同的電子所攜帶的電荷沒有可辨別得出來的差別。於是,物理學家們就得出結論說,那些電荷是恰好相同的,即它們之間的差別為零。這就是由電子的不可分辨性的基本原理導出的推論。另一個例子是,一切一同下落的物體都一同觸地(在沒有阻力的情況下)。它們到達地面的時間差別被看作正好為零,這就是所謂相等原理的推論。這個引力的基本原理規定,一個物體對引力做出的反應與該物體自身的性質無關。

我們可以設想有一原理(或一套原理)規定,大爆炸的衝擊力正好處處與其引力相稱,於是退行的各個星系正好擺脫了它們自己的引力。這就意味著,宇宙的膨脹方式恰好處於那個分界線上,一方面是宇宙物質的徹底離散,另一方面是宇宙停止膨脹,接著崩潰。這樣的一個原理也可以保證,宇宙從大爆炸中降生時就具有分佈均勻的物質,而不是爆炸出些黑洞。同樣,這樣的一個原理能夠保證,宇宙的膨脹在所有的方向上都是恰好均勻的。儘管我們一點也不知道這些原理會是什麼樣子,然而,當我們知道宇宙在其各個不同區域及方向上的膨脹速度的差異非常接近於零時,我們就難免這樣認為:有一個大自然的原理使得這些差異必定恰好為零。

不幸的是,事情不可能這麼簡單。假如宇宙果真是完全均勻的,那也就不會形成任何星系了。照人們現在的理解來看,星系從原初的星雲中形成似乎只能形成在自宇宙創生到現在的這段時間裡,假如星系的雛形一開始就有的話。星系從其周圍的宇宙環境中積累物質積累得很慢,而宇宙膨脹的速度卻相對很快。星系只有早一點起始,才能克服宇宙膨脹帶來的離散傾向。假如真有一個基本原理,那麼,似乎該原理必定允許恰好充足的偏離均勻狀態的情況發生,使星系得以生長起來,同時卻不產生出黑洞。這確實是個微妙而複雜的平衡行為!

二、耗散

宇宙的均勻膨脹也可能這樣解釋:宇宙起始時具有高度非均勻的運動,但不知何故,宇宙把這種非均勻的運動耗散掉了。理論研究確實表明,假如一個宇宙在一個方向上的膨脹比在其他方向上快得多,那麼,它就會因多種機制而被剎車。例如,從膨脹的能量中創造物質(見第三章)就會耗盡膨脹速度快的那一方向上的運動力量,使之逐漸與其他方向一致起來。人們還知道有其他的剎車過程。

對這一觀點,有人提出了兩個反駁。第一個是,不管對原初非均勻運動的耗散是多麼有效,總是可以發現宇宙的起始狀態的,因為其起始狀態是那麼不均勻,即便是有衰減,也還會留下殘跡的。人們充其量只能證明,宇宙肯定起源於一群不同尋常的起始狀態。

第二個反駁是,一切消耗都產生熵。宇宙原初劇烈的非均勻運動會轉化為極大量的熱,大大多於我們所觀察到的原初熱輻射的量。然而,這一反駁有一個漏洞。因為它所說的宇宙中的熱量是一個無意義的概念。要想使之有意義,就必須用某種尺度或標準來測量它。而唯一能夠找得到的比較標準是物質。於是,宇宙學家們就採用了每原子熱量,或更精確地說是每質子熱量這一概念。這就是說,他們計算出在某塊大體積的空間內的熱量,然後,再估計在這塊空間體積之中的物質質量,計算出相應的質子數,從而得出單位質子的熱量是多少。結果發現,單位質子的熱量很小。要想使之與平衡的熱量輸出相符,就得將它擴大幾乎1015倍。我們在這裡所講的對耗散說的第二個反駁認為,單位質子的熱量之所以小了這麼多,是因原初宇宙的沉寂性質所致。假如原初宇宙當初確實騷動不安,具有高度的非均勻運動,那麼,現在的空間就會充滿了把人烤出油來的熱輻射。但是,漏洞就出在用質子來測量熱值上。質子是可以破壞的,這樣的粒子不能夠充當固定的比較標準。根據所謂的基本力的大統一理論,質子是可以衰變的。而且,質子也可以(通過與衰變逆向的過程)被創造出來。我們在第三章裡說過,質子如何被從原初能量中創造出來,也說過大統一理論用其參數預測(實際上這預測是正確的)出單位質子的熱量。因為大統一理論會自動地調節質子丰度,使之與實存的熱量相合,所以,不管宇宙原初的非均勻運動消耗了多少原初熱量,大統一理論最後得出的單位質子的熱量也是相同的。因而,宇宙究竟起始於沉寂的、高度均勻的狀態,還是起始於極端非規則、非均勻的狀態,這一問題的答案要由將來是否能夠證實大統一理論(可能是通過證實質子衰變的方式)來定。

三、人存原理

假如一個宇宙充斥著黑洞,或充斥著大尺度的非均勻運動,那麼,這樣的宇宙是不可能有助於生命形成的。於是,現今的宇宙的均勻性就顯然給人存原理留出了地盤。假如用弱人存原理解釋宇宙的均勻性,我們就可以設想有一個由無數個宇宙構成的集合,包含了宇宙起始膨脹運動以及物質分佈的所有的可能選擇。生命和觀察者只能形成於極少數的宇宙中,這些宇宙的排列接近於我們現在所觀察的宇宙。各向異性的或高度非均勻的宇宙是不可認識的。

要使這一解釋成為一種成功的解釋,就得證明宇宙的非規則性增加哪怕一丁點也會對生命有害。很可能,原初狀態發生微小的變化,都會使宇宙現在的物理環境面目全非。例如,假如質子不會衰變,那麼,原初的宇宙一點點各向異性也能產生大量的熱,使生命不可能存在。宇宙的背景溫度僅增加100倍,也會造成我們所知的生命的毀滅。然而,現在尚未有人對此進行詳細的計算,因而人存說就容易受到我們在前面一章裡所說過的批評。

四、暴漲

有人在最近對宇宙的均勻性提出了一種全新的解釋。這種解釋源自大統一理論,然而,其至關重要的立論基礎卻是若干有待商榷的關於超高能物質的假設。這些假設在任何情況下都是難以證實的。不過,這一解釋生動地說明,基本物理學的進展可以改變我們對宇宙秩序起源的整個看法。

我們還記得,當宇宙從大爆炸冷卻下來的時候,大自然的三種基本力——電磁力、弱核力和強核力——由當初沒有分別的狀態被「凍結」成現在的不同形式。這個從一種狀態變到另一種狀態的轉換近似於水蒸氣變成水或水變成冰。兩種狀態不僅有力的性質的差別,而且它們的引力作用也有所不同。把那大統一力分裂為不同的電磁力和核力的機制,也產生了巨大的推斥性引力。

某種宇宙斥力存在的可能性,實際上是愛因斯坦在1917年提出的,儘管愛因斯坦本人實際上一直不喜歡這一概念,而且現在在天文學上也沒有任何證據顯示有這樣一種力存在。不過,大統一理論認為,在灼熱的宇宙原初階段,宇宙斥力的存在必然是不可避免的。那是約在宇宙年齡為10-35秒之前,當時,宇宙溫度高得不可想像,為1028K。麻省理工學院的艾倫·古斯指出,宇宙斥力的存在會對原初宇宙的結構產生巨大而深遠的影響。

當宇宙膨脹並冷卻下來的時候,斥力似乎很可能壓過通常的具有吸引性的引力,致使宇宙開始進入無法控制的劇烈暴漲狀態。在極短極短的時間裡,一塊極小極小的空間區域會以指數的方式膨脹至宇宙大小,大約每10-35秒體積就增加1倍。這種勢不可擋的膨脹會一直持續到某一時刻,那時,宇宙就會突然進入另一個「凍結」狀態,在這種狀態中,大統一力分成不同的力,斥力不復存在。在沒有斥力這一股強大的力存在的情況下,空間的指數增長就會在劇烈的放熱中停下來,宇宙就會進入更為正常的緩慢減速膨脹,而今天,這種減速膨脹活動的殘跡仍然存在。

暴漲宇宙理論一舉解決了好幾個主要的宇宙學難題。例如,它說明了為什麼宇宙如此均勻。任何起始的不規則都會因這種巨大的暴漲而被大大地「沖淡」。一塊體積不過質子大小的空間可能會暴漲至現在可以觀察到的宇宙體積的很多倍。因而,宇宙中的質子尺度或質子尺度以上的不規則性就會在我們可以觀察到的宇宙中被拉長至微不足道的程度。

暴漲理論也能解釋大爆炸的外衝力與宇宙物質的引力之間奇跡般的平衡。古斯認為,來了指數暴漲時,宇宙膨脹速度的過量或不足就被消滅了,這同時阻止了可怕的黑洞在宇宙原初階段形成。到了宇宙從那指數暴漲裡退出的時候,宇宙膨脹速度的過量或不足就會被降至非常接近於零。(儘管顯然不恰好為零,因為星系現在仍能形成。)

最後,暴漲也解決了視界問題。天各一方的宇宙區域,通常被看作是沒有因果聯繫的,然而,它們實際上在暴漲階段之前有過短暫的因果聯繫。我們所觀察的一切(還有很多我們觀察不到的東西)在暴漲開始時,都擠在狹小的空間區域裡。視界並不存在(至少不存在於我們以前所想的地方)。預言視界的存在,是基於假設宇宙創生以來的膨脹一直是平穩地減速,而沒有考慮到指數增長的時期。

暴漲說乾淨利落地說明了宇宙學的幾個由來已久的問題,然而,這一學說也不是沒有滯礙難通之處。其主要滯礙是所謂的「優雅退場」問題。暴漲若要現出其魔術,那麼,指數增長的時間就必須足夠長,以使宇宙膨脹10的很多次冪。宇宙突然大規模地膨脹,使溫度幾乎立刻降至很接近於絕對零度。在我們看來,似乎沒有什麼能來阻止「凍結」即時發生,這樣一來,暴漲還沒有正式開始就被阻擋住了。

古斯在早期的暴漲理論中提出,宇宙很可能經歷過一個所謂過冷的時期。物理學家們知道在日常生活中有這種過冷現象。例如,假如水是純淨的,便可以仔細小心地把它冷卻到冰點以下而不結冰。然而,假如稍有擾動,過冷的水就會突然變成冰。而宇宙的過冷能夠使宇宙在高溫(統一力)階段停留足夠長的時間,使暴漲得以進行。但凍結髮生時便來了問題。新的(「凍結的」)狀態的「小泡泡」似乎可能會隨機地出現,而且會開始以光速生長。在這些小泡泡裡面沒有暴漲,因為暴漲式生長的能量被轉移到泡壁上了。最後,這些小泡泡會大到相互交叉的程度。具有高能的泡壁相互碰撞便會引發大規模的非均勻和非規則的東西,而這些非均勻、非規則的東西恰恰是暴漲說本來要解釋的東西。

物理學家們仍在繼續進行研究,以避開這亂麻一樣的難題,使之不再困擾暴漲理論。有人提出一個見解,認為凍結狀態的小泡泡會在暴漲中變得如此之大,足以包容整個的宇宙和很多其他的東西,因而,儘管在很大的尺度上,宇宙是不規則的、騷動不安的,但我們所觀察到的宇宙則是其中的一塊相對均勻、靜止的區域。還有人提出,過冷階段過去之後不是隨即出現凍結狀態的小泡泡,凍結過程很可能是慢吞吞的,這樣,就能趕在宇宙從過冷狀態轉入凍結狀態之前,留出相對長的時間使暴漲得以發生。這一理論的很多細節是高度依賴模型的。現在尚不能說,優雅退場的問題是否會得到滿意的解答。

儘管有些技術性的滯礙難通之處,暴漲說所取得的廣泛成功贏得了很多物理學家和宇宙學家的喜愛。假如這一學說是正確的,那就是說宇宙不必以一種非常特殊而有序的狀態被創造出來。起始的引力不規則被暴漲消滅了,而隨後而來的宇宙膨脹又使起始時無結構的宇宙物質演化出複雜的組織和結構。因而,複雜的宇宙秩序的起源完全可以被解釋作純自然過程的結果。

五、上帝

假如大統一理論不能說明問題,假如人存原理不被人接受,那麼,宇宙大尺度的高度均勻的性質可被提出來作為一個具有創造力的設計者存在的證明。然而,這證明只能是消極的。誰也不敢保證,隨著我們對早期宇宙的物理規律的認識進步,我們不會發現一種完滿的解釋來說明宇宙的有序。早先,太陽系複雜而有序的結構曾被認為是神造的,但後來被歸入標準的天體物理學的領域,同樣,大尺度宇宙秩序的那些未解之謎也可能有一天會得到自然的而非超自然的解釋。

我們的結論必定是,現在沒有肯定性的科學證據,證明有一個宇宙秩序(即負熵)的設計者和創造者存在。實際上,人們有把握地預期,現有的物理學理論將會為那些未解之謎提供完全令人滿意的解釋。

然而,大自然除了數學規律和複雜的秩序二者之外,還有更多的東西。大自然的第三個成分也需要解釋。這第三個成分就是所謂的大自然的「基本常量」。我們正是在基本常量這一領域裡,發現了一個宏偉設計的最為令人震驚的證明。

物理學家們所說的基本常量,是指一些在物理規律中扮演著基本角色的量,這些量在宇宙中所有的地方,在時間的所有的時刻裡,都有相同的數值。用幾個例子就足以說明這一點。在一遙遠的恆星上的一個氫原子與地球上的一個氫原子是完全一樣的。那裡和這裡的氫原子,其大小、質量以及內部的電荷都是相同的。但是,這些量的值在我們看來完全是一個謎。為什麼氫原子裡的質子重量是電子的1836倍?為什麼會有這個數字?為什麼它們的電荷是現在這個值,而不是某個其他的值?

大自然的各種基本力都包含著這種決定它們的強度和範圍的數值。或許在將來的某一天我們將會有一個理論,可以以一種更基本的概念來解釋這一切數字。不管怎樣,反正人們發現這些常量的值對物質世界的結構具有關鍵性的意義。

我們且來看一看弗裡曼·戴森所提出的一個簡單的例子吧。強核力將原子核膠結起來不致散開,而強核力來自我們在第十一章裡所講的夸克和膠子。假如強核力不像現在這麼強,原子核就會變得不穩定,就會蛻變。最簡單的復合原子核是氘(重氫),是由一個質子附在一個中子上構成的。這中子和質子被強核力膠粘起來,但粘的並不牢固。假如核力弱百分之幾,質子和中子的結合就會被量子分裂所破壞,結果就會是戲劇性的。太陽以及大部分恆星都把氘用作連續核反應的一個環節,以便持續不斷地放光。假如除去氘,所有的恆星則要麼熄滅,要麼就再找一條進行核反應的途徑來繼續產生熱。熄滅也好,再來一條新途徑也好,都會大大地改變恆星的結構。

假如核力比現在稍強一點點,也會發生同樣糟糕的後果。核力若是再稍微強一點,兩個質子便有可能克服它們共有的電斥力而粘在一起。在大爆炸期間,質子要比中子多得多。當原初物質冷卻下來時,中子就尋找質子以與之粘合起來。質子與中子的結合構成了氘,氘很快又經過進一步的結合,形成了氦元素。但是,剩餘的質子完好如初,構成了製造恆星的原料。假如這些質子可以成對地粘合在一起,那麼,每一質子對當中的一個質子就會衰變為中子,使質子對變為氘,然後再變為氦。這樣,在一個核子力強出百分之幾的世界裡,幾乎就不會有氫從大爆炸時留下來。類似太陽的穩定的恆星就不會存在,液態的水也不會存在。儘管我們不知道為什麼核力具有現在的強度,然而,我們卻知道,假如核力不是現在這樣的,宇宙就會面目全非。生命是否能夠存在也就成了問題。

使很多科學家覺得非同尋常的,倒不是基本常量值的改變會改變物質世界的結構,而是人類所觀察到的物質世界的結構對常量的改變很敏感。基本力的強度稍微有一點差異,就會造成物質世界結構的劇烈變化。

還可以再考慮另外一個例子,是有關物質的電磁力和引力的相對強度的。電磁力和引力在形成恆星的結構的過程中,扮演的角色十分重要。恆星是由引力粘結起來的,引力的強度輔助決定了諸如恆星內部的壓強之類的事情。另一方面,能量又以電磁輻射的形式從恆星中逸出。引力和電磁力這兩種力的相互作用是複雜的,但箇中的道理還是能被人很好地理解。一般說,重的恆星較亮,較熱,可以毫無阻礙地將星核發生的能量以光和熱輻射的形式輸送到星的表面。輕的恆星則較涼,其內部僅以輻射的方式不能夠足夠快地放出其能量,因而必須輔之以對流,這就使它們的表層發生沸騰。

這兩類星——熱的、輻射的和涼的、對流的——分別被稱作藍巨星和紅矮星。這兩類星為恆星的質量劃定了一個很窄的範圍。而實際情況是,恆星內部電磁力和引力的平衡竟然確實使幾乎所有的恆星都處於藍巨星和紅矮星之間的狹窄範圍之內。然而,正如布蘭東·卡特所指出的,2之所以會有這樣幸運的事,完全是因為大自然基本常量之間具有奇妙的數值巧合。比如說,假如引力的強度變化哪怕是,也足以破壞掉這種數值巧合,於是,所有的恆星便只能不是藍巨星就是紅矮星。像太陽這樣的恆星就不會存在,而且我們還可以說,依存於太陽一類的恆星的生命也不會存在。

我們所觀察到的世界的結構之所以存在,完全是因為有這樣一些數值巧合,但這些數值巧合的數目太多,在這裡不能一一評論。(讀者若想瞭解有關的完整討論,請看我的一本書《偶然的宇宙》。)對於這些數值巧合,物理學家們見解不一。宇宙的初始條件好像是經過設計,於是,為了解釋這一點,有人就可以求助於人存理論,假設存在著很多宇宙,在這些宇宙中,基本常量因某種原因具有不同的值。只有在那些基本常量恰好合適的宇宙中,才會形成生命和觀察者。

基本常量的數值巧合也可被看作是設計的證據。常量的數值十分微妙,沒有它們,物理學的各個不同的分支就不會接合得如此巧妙。這可被看作是上帝的所為。宇宙現今的結構顯然對基本常量數值的微小變更十分敏感,因而,人們很難不這樣想,宇宙的結構是經過精心設計的。當然,這樣的一個結論只能是主觀的,最終要歸結為一個信仰問題。相信有一個宇宙的設計者來得容易一些呢,還是相信存在著弱人存原理所要求的多宇宙容易?很難設想,這兩種假說能得到嚴格的科學驗證。正如前一章所指出的,假如我們不能探訪其他的宇宙或不能直接地感受它們,那麼,相信它們存在就同相信上帝存在一樣,必定仍是一個信仰問題。或許,將來的科學發展會使人們找到其他宇宙存在的更直接的證據,但是,在那天到來之前,大自然賦予基本常量的奇跡般的數值巧合就必定仍然是宇宙經過設計的最不可抗拒的證明。