专家文章:生命是时空的意外产物吗?

美国《大西洋》月刊网站近日刊登题为《生命是空间与时间的意外产物》的一篇文章,作者是麻省理工学院物理学教授艾伦·莱特曼。文章摘编如下:

和地球上的许多人一样,詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄的第一批照片让我感到着迷:花边状的星系旋臂、星云的杏色细丝、爆炸恒星的残余物。韦布空间望远镜的任务之一是寻找宇宙中其他地方存在生命的迹象。这一任务带给人们的视觉冲击也许没那么大,但仍具有革命性。韦布空间望远镜通过分析穿过遥远行星大气层的星光来执行这项重大探索任务。每一种分子都会在穿过光线时留下自己的特殊印记,而一些分子——比如氧、二氧化碳和甲烷——表明下方这颗星球或许存在着生命形式。事实上,韦布空间望远镜已经在太阳系外的至少一颗行星上发现了二氧化碳存在的证据。

生命极其罕见

鉴于我们的星系中有着数十亿行星,而人类可观测到的宇宙中有着数十亿星系,很少有科学家认为,地球是唯一存在生命的星球。尽管如此,找到宇宙中其他地方存在生命的确切证据将具有深刻的情感、心理、哲学和神学意义。这样的发现将促使人类重新思考我们的一些基本信念:我们如何定义“生命”?生命可能以哪些形式存在?生命来自何处?是否存在某种宇宙群落?

事实上,最近的科学研究表明,宇宙中的生命非常罕见。几年前,我利用开普勒卫星的观测结果估算了可能存在宜居行星的恒星比例。计算得出的结果是,即使所有宜居行星上都存在生命,宇宙中以生命形式存在的物质占比也非常小:大约是10的18次方分之一。这就像戈壁滩上的几粒沙子。很显然,生命源于原子和分子的一种非常特殊的排列。

生命也许比这更罕见。20世纪70年代中期,澳大利亚物理学家布兰登·卡特指出,我们所在的宇宙似乎特别适合生命的出现。举例来说,假如把原子中心连接起来的核力稍微再弱一点,那么生命所需的复杂原子就永远不会形成。如果它更强一点,那么新生宇宙中的所有氢都会融合成氦。没有氢,水就不会存在,而大多数生物学家认为水是生命出现所必需的。另一个例子是:如果我们观测到的充满宇宙的“暗能量”(这是1998年发现的)更多一些,那么宇宙就会迅速膨胀,以致于物质永远无法聚集到一起形成恒星,而所有对生命来说必不可少的复杂原子要在恒星内部形成。但如果暗能量值稍小一些,宇宙就会以极快的速度膨胀和再坍缩,以至于恒星来不及形成。

卡特认为,我们的宇宙为生命的出现进行了完美微调,这被称为人择原理。该原理提出的一个深刻问题是:为什么?为什么宇宙要关心它是否含有生命物质?这个问题的一个答案是:宇宙是由智慧设计产生的,即我们的宇宙是由一个无所不能、目标明确的存在创造出来的,他希望宇宙中有生命存在。另一种更科学的解释是:我们的宇宙只是众多宇宙中的一个(即多元宇宙论),它们各自有着不同的核力强度、暗能量值以及其他许多基本参数。在大多数宇宙中,这些数值没有落在允许生命出现的狭窄范围内。而我们生活在一个对生命友好的宇宙中,否则人类就不会出现。我们的存在——以及我们所处的宇宙本身——仅仅是个意外,是宇宙骰子的一次投掷。

遵循自然法则

类似的思路可以解释地球为何拥有如此有利于生命存在的条件:液态水、适宜的温度(就目前而言)、充足的氧气以供较高水平的新陈代谢。显而易见的解释是,有许多行星——即便是在我们自己的太阳系内——没有液态水、宜人的温度或富含氧气的大气,那些行星上没有生命。我们能在这里盖房子、写小说并询问关于我们自身存在的问题,是因为我们生活在一个适宜生命存在的行星上,而这样的行星是极少的。总而言之,有生命的物质不仅在我们的宇宙中非常少见,在大多数可能的宇宙中似乎都不存在。

在卡特发表他的论文时,我正在康奈尔大学从事天体物理学研究。在康奈尔大学,我遇到了许多科技领域的巨匠,比如埃德温·萨尔彼得、托马斯·戈尔德和汉斯·贝特。戈尔德1920年出生于维也纳,是一位理论天体物理学家和生物物理学家。他并不特别擅长数学计算,却是一位聪明和大胆的直觉主义者。

1948年,戈尔德与其他天体物理学家合作,用一种叫作宇宙学“稳态”的理论来挑战大爆炸理论。这一理论认为,宇宙没有开始也没有结束。即使在扩张过程中(因为假定新物质不断被创造),它似乎也不会改变,稳态理论最终被证明是错误的。戈尔德在1968年正确地假设,新发现的来自太空的脉冲无线电波是由快速旋转的中子星产生的。物理学家——尤其是戈尔德这样的理论物理学家——愿意相信,可能只有一个符合自然法则的宇宙,就像填字游戏只有唯一的解。如果那样的话,我们就能推算出为什么我们的宇宙是现在这个样子。

但同时也存在这样的可能:还有其他许多拥有不同特性的宇宙,同样的自然法则存在许多不同的解。这种可能性深深困扰着许多科学家。这有点像你走进一家鞋店,发现3码适合你,但6和11码竟然也适合你。

存在多少宇宙

现代物理学家以他们能够根据“第一原理”来计算一切而感到自豪。比如说,物理学家可以利用“能量守恒”原理,计算出球从3英尺(约合91厘米)高处落下时撞击地面的速度。能量守恒原理认为,封闭系统中的总能量是恒定的,尽管能量的形式可能发生改变。同样,能量守恒原理遵循一个更深层的原理,即“时间不变性”:自然法则不随时间而变化。

物理学家利用这些基本原理计算出天空的颜色、行星的详细轨道、电子中的磁性强度以及其他许多现象。但如果有许多不同的宇宙符合相同的起始原理和规律,那么我们所处宇宙的特性就变得无法估算。我们宇宙的一些基本特征必然带有随机性,但物理学家痛恨随机性。如果存在太多随机性,一切将变得无法预测。手推车可能会突然漂浮到空中;太阳可能有时升起,有时不升起;世界将变成一个可怕的地方。

多元宇宙概念还有一个更令人困扰的方面。即使其他宇宙是真实存在的,我们可能也无法证明或反驳它们的存在。从定义上讲,宇宙是一个独立的时空区域,我们无法向另一个独立的时空区域发送信号,即使是在无限的未来。因此,一个宇宙不能与另一个宇宙通信。

多元宇宙的假设只能是一种信念,它无法被证实。正如科学家不喜欢意外一样,他们也不喜欢被迫接受他们无法证明的事情。但此时此刻,多元宇宙和我们所处的这个奇异宇宙的其他方面对于人类来讲可能不光是未知的,而且很大程度上是不可知的。尽管这样的观念违背了长期以来的科学传统,但它确实让我们看到自身的渺小,这对任何职业来说都是一剂良药。

并非所有科学家都接受多元宇宙假设。但有一点几乎是肯定的:我们宇宙中的生命是极其罕见的。我已经解释过,生命在空间领域是罕见的——只有一小部分物质以生命的形式存在。在漫长的宇宙发展史中,生命在时间领域也是罕见的。未来的某个时刻,也许在几千亿年后,当所有的恒星燃烧殆尽、所有的能源被耗尽后,我们宇宙中的生命将会走向终结——不仅仅是与地球上相似的生命,还包括其他形式的生命。“生命的时代”将成为过去式。

我们该如何看待这种观点?对我来说,它提供了一种与所有生命体的亲近感。生命是宇宙用以进行自我观察的唯一机制。生命就像沙漠上的几粒沙子,它是原子和分子的一种特殊排列,它试图理解并记录这种令人耀眼的存在。从有限但真实的意义上说,生命帮助赋予了宇宙意义。没有我们,宇宙将黯然失色。

来源:参考消息网

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