專家文章:生命是時空的意外產物嗎?

2022年10月19日17:47

參考消息網10月19日報導 美國《大西洋》月刊網站近日刊登題為《生命是空間與時間的意外產物》的一篇文章,作者是麻省理工學院物理學教授艾倫·萊特曼。文章摘編如下:

和地球上的許多人一樣,詹姆斯·韋布空間望遠鏡拍攝的第一批照片讓我感到著迷:花邊狀的星系旋臂、星雲的杏色細絲、爆炸恒星的殘餘物。韋布空間望遠鏡的任務之一是尋找宇宙中其他地方存在生命的跡象。這一任務帶給人們的視覺衝擊也許沒那麼大,但仍具有革命性。韋布空間望遠鏡通過分析穿過遙遠行星大氣層的星光來執行這項重大探索任務。每一種分子都會在穿過光線時留下自己的特殊印記,而一些分子——比如氧、二氧化碳和甲烷——表明下方這顆星球或許存在著生命形式。事實上,韋布空間望遠鏡已經在太陽系外的至少一顆行星上發現了二氧化碳存在的證據。

生命極其罕見

鑒於我們的星系中有著數十億行星,而人類可觀測到的宇宙中有著數十億星系,很少有科學家認為,地球是唯一存在生命的星球。儘管如此,找到宇宙中其他地方存在生命的確切證據將具有深刻的情感、心理、哲學和神學意義。這樣的發現將促使人類重新思考我們的一些基本信念:我們如何定義“生命”?生命可能以哪些形式存在?生命來自何處?是否存在某種宇宙群落?

事實上,最近的科學研究表明,宇宙中的生命非常罕見。幾年前,我利用開普勒衛星的觀測結果估算了可能存在宜居行星的恒星比例。計算得出的結果是,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質佔比也非常小:大約是10的18次方分之一。這就像戈壁灘上的幾粒沙子。很顯然,生命源於原子和分子的一種非常特殊的排列。

生命也許比這更罕見。20世紀70年代中期,澳州物理學家布蘭登·卡特指出,我們所在的宇宙似乎特別適合生命的出現。舉例來說,假如把原子中心連接起來的核力稍微再弱一點,那麼生命所需的複雜原子就永遠不會形成。如果它更強一點,那麼新生宇宙中的所有氫都會融合成氦。沒有氫,水就不會存在,而大多數生物學家認為水是生命出現所必需的。另一個例子是:如果我們觀測到的充滿宇宙的“暗能量”(這是1998年發現的)更多一些,那麼宇宙就會迅速膨脹,以致於物質永遠無法聚集到一起形成恒星,而所有對生命來說必不可少的複雜原子要在恒星內部形成。但如果暗能量值稍小一些,宇宙就會以極快的速度膨脹和再坍縮,以至於恒星來不及形成。

卡特認為,我們的宇宙為生命的出現進行了完美微調,這被稱為人擇原理。該原理提出的一個深刻問題是:為什麼?為什麼宇宙要關心它是否含有生命物質?這個問題的一個答案是:宇宙是由智慧設計產生的,即我們的宇宙是由一個無所不能、目標明確的存在創造出來的,他希望宇宙中有生命存在。另一種更科學的解釋是:我們的宇宙只是眾多宇宙中的一個(即多元宇宙論),它們各自有著不同的核力強度、暗能量值以及其他許多基本參數。在大多數宇宙中,這些數值沒有落在允許生命出現的狹窄範圍內。而我們生活在一個對生命友好的宇宙中,否則人類就不會出現。我們的存在——以及我們所處的宇宙本身——僅僅是個意外,是宇宙骰子的一次投擲。

遵循自然法則

類似的思路可以解釋地球為何擁有如此有利於生命存在的條件:液態水、適宜的溫度(就目前而言)、充足的氧氣以供較高水平的新陳代謝。顯而易見的解釋是,有許多行星——即便是在我們自己的太陽系內——沒有液態水、宜人的溫度或富含氧氣的大氣,那些行星上沒有生命。我們能在這裏蓋房子、寫小說並詢問關於我們自身存在的問題,是因為我們生活在一個適宜生命存在的行星上,而這樣的行星是極少的。總而言之,有生命的物質不僅在我們的宇宙中非常少見,在大多數可能的宇宙中似乎都不存在。

在卡特發表他的論文時,我正在康奈爾大學從事天體物理學研究。在康奈爾大學,我遇到了許多科技領域的巨匠,比如埃德溫·薩爾彼得、托馬斯·戈爾德和漢斯·貝特。戈爾德1920年出生於維也納,是一位理論天體物理學家和生物物理學家。他並不特別擅長數學計算,卻是一位聰明和大膽的直覺主義者。

1948年,戈爾德與其他天體物理學家合作,用一種叫作宇宙學“穩態”的理論來挑戰大爆炸理論。這一理論認為,宇宙沒有開始也沒有結束。即使在擴張過程中(因為假定新物質不斷被創造),它似乎也不會改變,穩態理論最終被證明是錯誤的。戈爾德在1968年正確地假設,新發現的來自太空的脈衝無線電波是由快速旋轉的中子星產生的。物理學家——尤其是戈爾德這樣的理論物理學家——願意相信,可能只有一個符合自然法則的宇宙,就像填字遊戲只有唯一的解。如果那樣的話,我們就能推算出為什麼我們的宇宙是現在這個樣子。

但同時也存在這樣的可能:還有其他許多擁有不同特性的宇宙,同樣的自然法則存在許多不同的解。這種可能性深深困擾著許多科學家。這有點像你走進一家鞋店,發現3碼適合你,但6和11碼竟然也適合你。

存在多少宇宙

現代物理學家以他們能夠根據“第一原理”來計算一切而感到自豪。比如說,物理學家可以利用“能量守恒”原理,計算出球從3英呎(約合91釐米)高處落下時撞擊地面的速度。能量守恒原理認為,封閉系統中的總能量是恒定的,儘管能量的形式可能發生改變。同樣,能量守恒原理遵循一個更深層的原理,即“時間不變性”:自然法則不隨時間而變化。

物理學家利用這些基本原理計算出天空的顏色、行星的詳細軌道、電子中的磁性強度以及其他許多現象。但如果有許多不同的宇宙符合相同的起始原理和規律,那麼我們所處宇宙的特性就變得無法估算。我們宇宙的一些基本特徵必然帶有隨機性,但物理學家痛恨隨機性。如果存在太多隨機性,一切將變得無法預測。手推車可能會突然漂浮到空中;太陽可能有時升起,有時不升起;世界將變成一個可怕的地方。

多元宇宙概念還有一個更令人困擾的方面。即使其他宇宙是真實存在的,我們可能也無法證明或反駁它們的存在。從定義上講,宇宙是一個獨立的時空區域,我們無法向另一個獨立的時空區域發送信號,即使是在無限的未來。因此,一個宇宙不能與另一個宇宙通信。

多元宇宙的假設只能是一種信念,它無法被證實。正如科學家不喜歡意外一樣,他們也不喜歡被迫接受他們無法證明的事情。但此時此刻,多元宇宙和我們所處的這個奇異宇宙的其他方面對於人類來講可能不光是未知的,而且很大程度上是不可知的。儘管這樣的觀念違背了長期以來的科學傳統,但它確實讓我們看到自身的渺小,這對任何職業來說都是一劑良藥。

並非所有科學家都接受多元宇宙假設。但有一點幾乎是肯定的:我們宇宙中的生命是極其罕見的。我已經解釋過,生命在空間領域是罕見的——只有一小部分物質以生命的形式存在。在漫長的宇宙發展史中,生命在時間領域也是罕見的。未來的某個時刻,也許在幾千億年後,當所有的恒星燃燒殆盡、所有的能源被耗盡後,我們宇宙中的生命將會走向終結——不僅僅是與地球上相似的生命,還包括其他形式的生命。“生命的時代”將成為過去式。

我們該如何看待這種觀點?對我來說,它提供了一種與所有生命體的親近感。生命是宇宙用以進行自我觀察的唯一機制。生命就像沙漠上的幾粒沙子,它是原子和分子的一種特殊排列,它試圖理解並記錄這種令人耀眼的存在。從有限但真實的意義上說,生命幫助賦予了宇宙意義。沒有我們,宇宙將黯然失色。

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