六个神奇的数字·读《六个数》

2023-01-23 07:52阅读：

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——读马丁·里斯《六个数》一书有感

六个神奇的数字·读《六个数》

当我们对宇宙的起源、生命的诞生、人类的由来充满好奇的时候，你有没有想过这样一个问题：宇宙之所以能演化到今天、地球上之所有如此丰富多彩的生命、人类之所以能有今天的成就，其实就是一种机缘巧合。
物理学家在对已知的众多观察和研究成果的分析中发现，宇宙有着非常神奇的特点，其中有六个神奇的数字，决定了宇宙的基本特性。如果其中任何一个数字稍微有所不同，就不会产生星体，不会出现生命，更不可能有人类。现代宇宙的一切都取决于这六个数字的精密调协，而这无疑是一个物理世界的惊人巧合。这六个数可以分为三组：第一组中的两个与基本的自然力有关；第二组中的两个确定了宇宙的大小和整体结构，并决定着它是否会永远存在下去；第三组中的两个则确定了空间本身的属性。物理学家马丁·里斯在《六个数》这本书中，对这六个数字进行了详细的剖析，将我们带入到这令人心驰神往的大千世界。
与基本自然力相关的两个数
思考一下两个电荷之间的相互作用：它们之间既因为有质量而存在遵循万有引力定律的相互吸引力，同时又因为有电荷而存在遵循库仑定律的电磁作用力。这其中，电磁作用力要比相互吸引力大很多，它们之间的比值可以用一个数N来表示，其数量级是

10³⁶。
将原子结合在一起的静电力比引力大如此之多，意味着在微观世界里，电磁作用力发挥着主导的作用，即便是像你我这样有着几十千克质量的人，相互之间的引力也是可以忽略不计的。但当我们的研究对象是宇宙中的各类天体时，庞大质量星体之间引力的作用就凸显出来了。像地球这样的行星能够老老实实地围绕着太阳周而复始地旋转，引力在其中发挥着重要的作用。
如果N的数值不是10³⁶，比如说引力比现在要大一些，使得N的值为10³⁰，那将会出现怎样的状况呢？你可能已经想到了，在这种情况下物体的质量不需要像现在的天体那样庞大，它们的质量只要是现在的十亿分之一，相互之间的引力就能够凸显出来，与其他相互作用力势均力敌。宇宙中即便有生命存在，因为引力作用的缘故，各种生物包括人类都不可能长的像现在这样高大，并且需要更加粗壮的腿来支撑身体的平衡。引力使得各种恒星更加密集地集聚在一起，相互碰擦的情况会更加普遍，恒星的寿命要要比现在短很多。一颗恒星的整个演化历程大约只有1万年左右，而不是现在的100亿年，在这样短暂的时间里，是否能有生命演化出来，都很难说。同样地，如果N的数字比现在要小，那整个宇宙演化的进程将更加放慢，到现在可能像人类这样的生命尚未演化出来呢。
接下来，让我们将目光关注到微观粒子上。我们都知道，元素周期表中最靠前的两个元素分别是氢和氦，我们赖以生存的能量，就是太阳中的氢元素通过发生核聚变，转变成氦元素的过程中产生的。如果你仔细计算一下构成氦原子的两个质子和两个种子的质量，就会发现，一个氦原子核的质量是构成它的两个质子和两个中子的总质量的99.3%，根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，可以计算出在核聚变的过程中释放出来的能量。这个事实告诉我们，在氢原子聚变成氦时，将其质量的0.7%，即0.007转化为能量，这个数字就是ε，它决定了恒星的寿命。
如果原子核的“黏合”力较弱，使得则ε的取值为0.006而不是0.007，氢原子就不可能发生核聚变，形成氦原子。我们的这个宇宙将演变成仅由氢原子所组成的简单宇宙，不会存在化学反应，即便宇宙中出现了恒星，但因为没有聚变核反应提供的燃料，也只会收缩和冷却，不会发生大爆炸，更不会将恒星的碎片抛撒到宇宙空间之中。反过来，如果ε等于0.008，那么在宇宙早期，两个质子在核力作用下就可以直接结合在一起，带来的后果是，普通的恒星中没有氢可供燃烧，水也不可能存在。ε的变化还会影响元素周期表的长度。如果核力变弱，原子核结合最紧密的元素（现在是26号元素铁）的排序将会在元素周期表中降低，稳定元素的数目也将减少到92以下。这将导致化学变得比较贫乏。相反，ε若增大，将会提高重元素的稳定性。
确定宇宙大小和结构的两个数
地球为什么会绕着太阳运动？是因为它有远离太阳而去的惯性，又有太阳给它的引力，两者势均力敌，使得地球只能被束缚在特定的轨道上运行。宇宙起源于一次“大爆炸”，然后开始以极高的速度膨胀开来，在不断向外扩散的过程中逐渐形成了各种恒星和星系。在整个星系的宏大尺度上，引力效应和运动的离心效应之间也存在着一种平衡，引力往往会将所有物质都拉向中心，而运动的离心效应会使组成星系的恒星四处飞散（如果引力不起作用的话）。
科学家们研究发现，如果宇宙的密度达到某一特定值，宇宙将停止膨胀，重新坍缩，这个临界密度大约是每立方米有5个原子。宇宙的实际密度和临界密度之间的比率是一个至关重要的数字，宇宙学家用希腊字母Ω来表示。宇宙的命运取决于Ω是否超过1。如果Ω超过1，那么宇宙早就分崩离析了；如果比值太低，就不会形成星系或者恒星。科学家曾对当下宇宙的密度做过这样的估算，假若所有的恒星都被分解，并且其原子均匀地分布在宇宙中，那么每10立方米空间中才会有1个原子，远小于临界密度的值。
计算出来的Ω的值明显偏小，与宇宙的真是状况并不相符。这让科学家们意识到，宇宙中的物质，绝不仅仅是“眼见为实”的那些星云、恒星以及星系之间弥漫着的宇宙气体那样简单，还有更重要的成分——暗物质和暗能量，因为我们所观测到的天体的运动速度快得惊人，仅靠所看到的恒星和气体的引力是无法平衡的。不过，虽然我们已经可以确切地说明暗物质和暗能量在宇宙中是真实存在的，但暂时还没有办法把它们测量出来。作为宇宙中占主导成分的物质和能量，也就是数字Ω的主要贡献者，它们既不发光，也不会发射红外线、无线电波或任何类型的辐射，因此很难被探测到。
科学家们越来越真切地意识到，Ω是影响宇宙演化的关键数字，它在早期宇宙的形成过程中的值必定非常接近均衡值1，在宇宙“大爆炸”后的一秒钟，Ω与均衡值1的差别不会超过10^-15，只有这样，在100亿年以后的今天，宇宙才能仍然处于膨胀之中，并且Ω的值肯定从未与均衡值1相差太远。如果膨胀太快，引力就永远无法将零散的物质拉到一起形成恒星或星系；如果初始动力不足，一场过早的大危机将在宇宙演化刚刚开始时就将其扼杀。
第四个数字λ，它测量的是1998年最大的科学发现：一种从未预料到的新作用力——宇宙的“反引力”。“反引力”控制着宇宙的膨胀，在小于10亿光年的尺度上，我们很难分辨出它的影响。当宇宙变得越来越暗、越来越空时，λ注定将取代引力和其他力，占据统治地位。
我们都知道“反物质”的概念，不过可能没有思考过“反物质”与物质之间发生相互作用时，会发生怎样的现象。此前的数字ε告诉我们，在核聚变的情况下，可以有0.07的物质转化成能量。即便如此，它们能够给我们带来的能量已经非常可观了。如果是反物质和物质相遇，会发生物质“湮灭”的现象，物质和反物质的所有质量都消失，全部转化成光能。这是非常可怕的能量，如果在宇宙开始之初，反物质和物质的数量是一样多的，那么它们相互作用将会阻止星系和恒星的形成，目前可见宇宙中的10⁷⁸个原子可能就不会幸存下来，宇宙的演化甚至在未开始之前就会被遏制。
幸运的是，λ非常小，小到几乎接近于零，这样小的数字让理论物理学家感到非常惊讶。为什么在宇宙诞生之初物质和反物质并非成对出现的，而且还有如此大的差距？在宇宙不断演化的过程中，λ对宇宙的微观结构产生了怎样的影响，它又是如何“跟踪”宇宙密度的变化，并做出相应的响应的？真空在宇宙中是否与普通的物质同等重要？……由此而引发的一系列问题，让人们对宇宙的结构又有了新的渴求。
描述空间本身性质的两个数
要研究宇宙，它最初的状态就不能回避，不过这也是理论物理学家遇到的最大难题之一。科学家们发现，当宇宙的尺寸小于一个高尔夫球时，就会产生微观的“振动”，从而使它们膨胀得如此之大，以至于在整个宇宙中伸展开来，形成涟漪，最终会演变成星系和星系团。数字Q描述了这种不规则性或“涟漪”的幅度，表示两种基本能量的比值，它的大小约为10^-5。
不过，为什么Q的值碰巧为10^-5，而不是更大或更小，目前仍然是个谜，但这个数值的大小至关重要。如果Q的值小于10^-5，而其他宇宙常数保持不变，那么暗物质聚集的过程就需要花更长的时间，恒星的形成也会变得缓慢、效率低下，“加工”出的物质会被吹出星系之外；如果Q的值小于10^-6，气体就永远不会收缩成由引力束缚在一起的结构，就不会有星系、恒星等出现，这样的宇宙将永远是黑暗的。如果Q的值比10^-5大太多，即最初的“涟漪”被大幅度的波动代替，那么宇宙中将充满动荡和暴力。宇宙在早期就会收缩，坍缩成巨大的黑洞，恒星或者太阳系根本无法存在。
数字Q的数值到底是如何被确定的，至今仍然令人困惑，就像地球上第一个生命是如何起源的问题一样。不过，宇宙学在一个方面是比较简单的，那就是一旦确定了起点，其结果在很大程度上是可以预测的。
第六个关键数字在多个世纪前已经被证明了，现在我们正用一种新的视角研究它。它就是当前可见宇宙的空间维数D，其值为3。如果D为2或者4，生命将不复存在。时间虽然是第四维，但与其他维度截然不同，因为它有一个与生俱来的方向：只能“迈向”未来。在黑洞附近，空间极度扭曲，以至于光线沿着圆圈传播，时间也停滞不前。此外，在接近“大爆炸”的时间和微观尺度上，空间将在10维向度上显现出其终极的基本结构：被称为“超弦”的物质的振动与和谐。
目前，理论物理学家还无法从其中一个数字的值中推导出另一个数字的值，也不知道是否存在一个包罗万象的理论可以推导出一个公式，将这六个数联系起来，或者能使它们被唯一确定。这六个数字都在宇宙中起着至关重要又各不相同的作用，它们共同决定了宇宙的演化方向及其内部潜在的一切。只有在这六个数组合“正确”的宇宙里，人类才得以出现；一个起点如此简单、仅用几个数字就可以决定的宇宙，经过不断变化，就可以演化成当前结构如此复杂的宇宙，实在令人惊讶。
科学有三大前沿：非常大的、非常小的和非常复杂的。宇宙学包括了它们的全部。在几年之内，我们或许就可以对宇宙常数λ、Ω和Q进行测量，就像自18世纪以来我们开始测量地球的大小和形状一样。不过，理解宇宙的开端仍然是一个根本性的挑战，这也许必须等待一个“最终”理论，也许它就是某种超弦理论的变体。
这样一个“最终”理论也将标志着一个理性探索过程的结束：这个过程由牛顿开始，并通过麦克斯韦、爱因斯坦和其他继任者得到延续。该理论不仅将加深我们对空间、时间和基本力的理解，还将阐明极早期宇宙和黑洞中心的情况。

《六个数：物理学家马丁·里斯讲述塑造宇宙命运的六个神奇数字》，[英]马丁·里斯著，高晓鹰译，天津科学技术出版社2020年版

六个神奇的数字·读《六个数》

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