宇宙的非微调

B有生命，必有结构。我们的宇宙在早期就合成了原子核。这些原子核俘获电子形成原子。这些原子凝聚成星系、恒星和行星。终于，生物有了称之为家的地方。我们想当然地认为物理定律允许这种结构的形成，但事实并非如此。

在过去的几十年里，许多科学家都认为，即使物理定律稍有不同，宇宙也不会有复杂的结构。与此同时，宇宙学家已经意识到，我们的宇宙可能只是多元宇宙的一个组成部分，多元宇宙是组成更大的时空区域的众多宇宙的集合。其他宇宙的存在为物理定律的表面微调提供了一个吸引人的解释。这些定律因宇宙而异，我们生活在一个允许观察者存在的宇宙中，因为我们不能生活在其他任何地方。

天体物理学家对微调的讨论如此之多，以至于许多人认为我们的宇宙非常适合复杂的结构。即使对多元宇宙持怀疑态度的人也接受微调;他们只是认为这一定有其他的解释。但事实上，微调从来没有被严格地证明过。我们并不真正知道什么物理定律是天体物理结构发展所必需的，而天体物理结构又是生命发展所必需的。最近在恒星演化、核天体物理学和结构形成方面的工作表明，微调并不像以前认为的那么令人信服。各种各样可能存在的宇宙可以支持生命。我们的宇宙并不像看起来那么特别。

T他的第一类微调涉及到工作恒星的基本自然力量的力量。如果电磁力太强，质子的电斥力就会停止恒星核心的核聚变，恒星就不会发光。如果电磁太弱，核反应就会失去控制，恒星就会在壮观的爆炸中爆炸。如果引力太强，恒星要么会坍缩成黑洞，要么永远不会着火。

但是，仔细考试，星星非常强大。在恒星操作损害之前，电力的强度可以在任一方向上近100个近100个倍数。重力的力量必须更强100,000倍。进入另一个方向，重力可能是十亿次疲软，仍然允许工作的恒星。引力和电磁力的允许强度取决于核反应速率，这反过来取决于核动力的优势。如果反应速率更快，恒星可以通过甚至更广泛的引力和电磁的强度作用。较慢的核反应将缩小范围。

在银河系的大部分地区，夜空的亮度可能与我们在地球上白天看到的阳光相同。

除了这些最低限度的作战要求外，星星还必须满足一些其他限制条件，这些条件进一步限制了部队的允许兵力。他们一定很热。恒星的表面温度必须高到足以驱动生命所必需的化学反应。在我们的宇宙中，大多数恒星周围都有足够的区域，那里的行星温度足够高，大约300开尔文，足以支持生物的生长。在电磁力较强的宇宙中，恒星温度较低，因此不太适宜居住。

恒星也必须有很长的寿命。复杂生命形式的进化发生在漫长的时间跨度内。由于生命是由一系列复杂的化学反应驱动的，生物进化的基本时钟是由原子的时间尺度设定的。在其他宇宙中，这些原子钟会以不同的速度滴答作响，这取决于电磁的强度，而这种变化必须被考虑在内。当力较弱时，恒星燃烧核燃料的速度就会加快，它们的寿命就会缩短。

最后，恒星必须首先能够形成。为了让星系以及后来的恒星从原始气体中凝结出来，气体必须能够失去能量并冷却下来。冷却速度(又一次)取决于电磁的强度。如果这种力太弱，气体就无法足够快地冷却下来，就会继续扩散而不是凝结成星系。恒星也必须比它们的宿主星系要小，否则恒星的形成就有问题了。这些效应为电磁强度设定了另一个下限。

综合起来，基本力的强度可以变化几个数量级，但仍然允许行星和恒星满足所有的约束条件(如下图所示)。这些力量并不像许多科学家认为的那样精细。

一个第二个可能进行微调的例子出现在碳生产的背景下。在中等大的恒星将其核心的氢聚变成氦之后，氦本身就成为了燃料。通过一系列复杂的反应，氦被燃烧成碳和氧。由于氦核在核物理中的重要作用，它被赋予了一个特殊的名字:粒子。最常见的原子核是由1、3、4和5个阿尔法粒子组成的。带有两个阿尔法粒子——铍-8的原子核显然不存在，这有一个很好的理由:它在我们的宇宙中是不稳定的。

铍的不稳定性给碳的形成造成了严重的瓶颈。当恒星将氦核融合在一起形成铍时，铍核几乎立即衰变回它们的组成部分。在任何给定的时间，恒星核心都保持着少量但转瞬即逝的铍。这些稀有的铍核可以与氦相互作用产生碳。因为这个过程最终涉及到三个氦核，所以被称为三重反应。但反应太慢，无法产生我们宇宙中观测到的碳量。

为了解决这种差异，物理学家Fred Hoyle于1953年预测，碳核必须在特定能量处具有共振状态，好像它是一个具有一定的基调的小钟声。由于这种共振，碳生产的反应速率远大于它们的反应速率，以其他方式足以解释我们宇宙中发现的丰富碳。后来在预测能级的实验室中测量共振。

令人担忧的是，在其他宇宙中，由于力的强度不同，这种共振的能量可能不同，恒星将不会产生足够的碳。如果能源水平的变化超过4%，碳产量就会受到影响。这个问题有时被称为三重alpha微调问题。

幸运的是，这个问题有一个简单的解决方案。核物理学拿走的东西，也给予了它。假设核物理确实发生了足够的变化来中和碳共振。在这个量级的可能变化中，大约有一半会产生使铍稳定的副作用，因此共振的损失将变得无关紧要。在这种交替的宇宙中，碳将以更合理的方式产生，即一次一个的把阿尔法粒子加在一起。氦可以融合成铍，然后铍可以与额外的阿尔法粒子反应生成碳。毕竟没有微调问题。

一个可能进行微调的第三个例子涉及由两个粒子组成的最简单的核:氘核，它包含一个质子和一个中子;二质子，由两个质子组成;还有双中子，由两个中子组成。在我们的宇宙中，只有氘是稳定的。氦的产生首先是两个质子结合成氘。

如果强核力再强一些，二质子就会很稳定。在这种情况下，恒星可能通过最简单和最快的核反应产生能量，在核反应中，质子结合成二质子，最终形成其他氦同位素。有时有人声称，恒星会以灾难性的速度燃烧核燃料，导致其寿命太短，无法维持生物圈。相反，如果强的力较弱，那么氘就会不稳定，也就不可能成为通向重元素的必经之路。许多科学家推测，如果没有稳定的氘，就会导致一个完全没有重元素的宇宙，这样的宇宙将没有复杂性和生命。

事实证明，恒星是非常稳定的实体。它们的结构会自动调整，以精确的速度燃烧核燃料，以支撑自己抵御自身重力的挤压。如果核反应速率较高，恒星就会在较低的中心温度下燃烧核燃料，但除此之外，它们不会有太大不同。事实上，我们的宇宙中就有这种行为的例子。氘核在强力的作用下可以与质子结合形成氦核。这个反应的横截面，量化了它发生的概率，比普通的氢聚变要大上万亿倍。尽管如此，我们宇宙中的恒星以相对平静的方式燃烧它们的氘。恒星核心的工作温度为100万开尔文，而在普通条件下燃烧氢需要1500万开尔文。这些燃烧氘的恒星的中心温度较低，比太阳稍大一些，但在其他方面都不引人注目。

各种各样可能存在的宇宙可以支持生命。我们的宇宙并不像看起来那么特别。

同样，如果强大的核力较低，恒星可以在没有稳定的氘的情况下继续运作。许多不同的过程提供了恒星可以产生能量并合成重点的路径。在他们生命的第一部分，星星慢慢收缩，他们的中央核心变得更热，而且它们随着阳光的功率输出而发光。我们宇宙中的星星最终变得热，致密，以点燃核聚变，但在替代宇宙中，他们可以通过失去引力潜在能量来继续这种收缩相位并产生功率。最长的恒星可以用电源大致闪耀，电源输出大致可与太阳相比达到10亿年，可能足够长，以便进行生物进化。

对于质量足够大的恒星，收缩会加速，并成为灾难性的坍缩。这些星体会变成超新星。它们的中心温度和密度会上升到如此之大的值，从而引发核反应。在这些恒星垂死挣扎时，会发生多种类型的核反应。尽管缺乏氘，这种爆炸性核合成过程仍可为宇宙提供重核。

一旦这样的宇宙产生了微量的重元素，后代的恒星就有了另一种核燃烧的选择。这个过程被称为碳氮氧循环，不需要氘作为中间状态。相反，碳充当催化剂，促进氦的产生。这个周期在太阳内部运行，提供了太阳总能量的一小部分。在没有稳定氘的情况下，碳-氮-氧循环将主导能源的产生。这并没有用尽核能发电的所有选择。恒星也可以通过三核子过程产生氦，这大致类似于产生碳的三α过程。因此，恒星有许多渠道在交替的宇宙中提供能量和复杂的核。

一个微调的第四个例子涉及星系和其他大规模结构的形成。它们是通过在宇宙时间最早产生的小密度波动而播种。在宇宙冷却到足够后，这些波动开始在重力的力量下变得更强，并且更密集的区域最终成为星系和星系集群。波动开始于小幅度，表示问，等于0.00001。因此，原始宇宙是令人难以置信的平滑:最密集的区域和最稀薄的区域的密度、温度和压力都相同，在十万分之几。的价值问代表宇宙中微调的另一个可能的实例。

如果问如果密度更低，那么波动变得足够强大成为宇宙结构所需的时间就会更长，星系的密度也会更低。如果星系的密度太低，星系中的气体就无法冷却。它可能永远不会凝结成星系盘或合并成恒星。低密度星系不是适合生命生存的栖息地。更糟糕的是，足够长的延迟可能会阻止星系形成。大约从40亿年前开始，宇宙的膨胀开始加速，物质分离的速度比凝聚的速度要快——这种速度的变化通常被归因于一种神秘的暗能量。如果问如果体积太小，星系可能需要很长时间才能坍塌，以至于在结构形成之前就开始加速，进一步的增长就会受到抑制。宇宙可能会以缺乏复杂性和无生命告终。13、为了避免这种命运，才有价值问不能小于10的倍数。

如果问被大?星系会更早形成，最终密度更大。这也会对未来的宜居性构成威胁。恒星之间的距离会更近，相互作用也会更频繁。这样一来，他们就可以把行星从轨道上剥离出来，并将它们送入深空。此外，由于恒星之间的距离会更近，夜空会更明亮——也许会像白天一样明亮。如果恒星背景过于密集，合并后的恒星光可能会煮沸任何合适行星的海洋。

在这种情况下，微调参数并不是很有约束。星系的中心区域确实会产生如此强烈的背景辐射，以至于所有的行星都将变得不适合居住。但是星系的边缘总是有足够低的密度让宜居行星生存。即使当问比我们的宇宙大几千倍在某些情况下，一个星系可能更宜居。在银河系的大部分地区，夜空的亮度可能与我们在地球上白天看到的阳光相同。行星将从整个背景恒星群中获得生命所需的能量，而不仅仅是它们自己的太阳。它们几乎可以在任何轨道上运行。在一个密度波动比我们大的平行宇宙中，即使是冥王星也能得到和迈阿密一样多的日光。因此，中等密度的星系可能拥有比银河系更多的宜居行星。

我n短，我们宇宙的参数可能因大因素而异，仍然允许工作明星和潜在的居住行星。重力的力量可能较高1000倍，或者较弱的10亿倍，恒星仍然可以作为长期核燃的发动机。电磁力可能一直较强或较弱，因素100.核反应率可能会在许多数量级上变化。替代的恒星物理学可能产生了构成行星和人类基本原料的重点。显然，确定恒星结构和进化的参数没有过度微调。

既然我们的宇宙似乎并不特别精确，我们还能说我们的宇宙是最适合生命发展的宇宙吗?根据我们目前的理解，答案是否定的。人们可以很容易地设想出一个对生命更友好、或许更合乎逻辑的宇宙。一个初始密度波动更大的宇宙会形成密度更大的星系，这可能会支持比我们的星球更多的宜居行星。如果宇宙中有稳定的铍，就会有直接的碳生成通道，而不需要复杂的三α过程。尽管这些问题仍在探索中，但我们已经可以说，宇宙的复杂性和生物学发展有许多途径，有些甚至可能比我们自己的更适合生命。根据这些概括，天体物理学家需要重新检查多元宇宙的可能含义，包括我们宇宙的微调程度。

弗雷德·亚当斯(Fred Adams)是密歇根大学安娜堡分校的物理学教授。他是美国天文学会海伦·华纳奖(Helen B. Warner Prize)、美国国家科学基金会青年研究员奖(National Science Foundation Young researcher Award)和密歇根大学(University of Michigan)众多教学奖项的获得者。他是宇宙的五个时代:永恒物理学的内部和《存在的起源:生命如何在宇宙中出现》

这篇文章最初发表于鹦鹉螺的宇宙2017年1月。