表現奇蹟（上）

1. 表現奇蹟（上） 史蒂芬．霍金列納德．蒙洛迪 / 著 吳忠超 / 譯

2. 據中國人講，我們的宇宙環境在夏朝（約前2205 ~ 約前1782年）忽然改變。在天空出現了10個太陽。其灼熱使地球上的人們痛苦不堪，於是皇帝命令著名弓箭手後羿射落額外的太陽。後羿得到一個長生不老的葯丸作為獎賞，但他的妻子嫦娥偷走藥丸。由於這個罪過她被驅逐到月亮上去。

3. 中國人認為擁有10個太陽的太陽系對人類生活不友善，這點是正確的。我們今天知道，除了讓皮膚晒黑之外，具有多個太陽的太陽系也許永不允許生命發展。其原因不像中國神話想像的灼熱那麼簡單。事實上，一個圍繞多個恒星公轉的行星至少一陣能感受到舒適的溫度。但對於生命似乎必要的長期一致的供熱情景，則不太可能。中國人認為擁有10個太陽的太陽系對人類生活不友善，這點是正確的。我們今天知道，除了讓皮膚晒黑之外，具有多個太陽的太陽系也許永不允許生命發展。其原因不像中國神話想像的灼熱那麼簡單。事實上，一個圍繞多個恒星公轉的行星至少一陣能感受到舒適的溫度。但對於生命似乎必要的長期一致的供熱情景，則不太可能。

4. 為了理解其原因，讓我們看看最簡單的多恒星系統，一種具有兩個太陽的稱作雙星系統。在天空中大約有一半的恒星是這種系統的成員。然而甚至簡單的雙星系統也只能維持顯示在下圖的那種類型的某種穩定軌道，這些軌道中的每一個都可能有這樣的時候，這時行星要麼太熱要麼太冷，以至於不能維繫生命。對於多恒星團的情形甚至更壞。為了理解其原因，讓我們看看最簡單的多恒星系統，一種具有兩個太陽的稱作雙星系統。在天空中大約有一半的恒星是這種系統的成員。然而甚至簡單的雙星系統也只能維持顯示在下圖的那種類型的某種穩定軌道，這些軌道中的每一個都可能有這樣的時候，這時行星要麼太熱要麼太冷，以至於不能維繫生命。對於多恒星團的情形甚至更壞。

5. 我們太陽系還具有其他“幸運”的性質，若無這些性質，也許永遠不能進化出複雜的生命形式。例如，牛頓定律允許行星軌道要麼是圓要麼是橢圓（橢圓是擠扁的圓，沿著一個軸上較寬，而沿著另一軸較窄）。橢圓被擠扁的程度用所謂的偏心率來描述，這是一個在0和1之間的數。偏心率接近0 表示圖形類似於圓周，而偏心率接近1表示它非常扁。恒星不進行完美的圓周運動使開普勒非常不安，然而地球軌道的偏心率大約僅為2%，這表明它几乎是圓形的。后來發現，這真是個好運氣。

6. 地球上的季節天氣模式主要是由地球旋轉軸相對於圍繞太陽軌道面的傾角確定。例如，在北半球冬季之際，北極向離開太陽方向傾斜。事實上在那時，地球離太陽最近 --- 只有0.915億英里那麼遠，而相對於7月初離開太陽大約有0.945億英里，這個事實和它的傾斜相比，對於溫度只有可忽略的效應。然而，在具有大軌道偏心率的行星上，離日距離的變化起的作用大多了。

7. 例如，在具有偏心率20%的水星上，在它處於近日點時的溫度超過其處於遠日點時200℉。事實上，如果地球軌道的偏心率接近於1，我們到達近日點時海洋會沸騰，而到達遠日點時海洋會冰凍，無論是寒假還是暑假都不宜人。大軌道偏心率無助於生命，因此我們很幸運地擁有其軌道偏心率接近於0的一個行星。例如，在具有偏心率20%的水星上，在它處於近日點時的溫度超過其處於遠日點時200℉。事實上，如果地球軌道的偏心率接近於1，我們到達近日點時海洋會沸騰，而到達遠日點時海洋會冰凍，無論是寒假還是暑假都不宜人。大軌道偏心率無助於生命，因此我們很幸運地擁有其軌道偏心率接近於0的一個行星。

8. 在太陽質量和我們離開它的距離的關係上，我們也很幸運。這是因為恒星質量確定其放出的能量數量。最大的恒星擁有的質量大約為我們太陽的100倍，而最小的恒星大約為我們太陽的1%。而且還有，假如日地距離給定，如果我們的太陽只要輕或重20%，地球就會比現在的火星更涼，或比現在的金星更熱。在太陽質量和我們離開它的距離的關係上，我們也很幸運。這是因為恒星質量確定其放出的能量數量。最大的恒星擁有的質量大約為我們太陽的100倍，而最小的恒星大約為我們太陽的1%。而且還有，假如日地距離給定，如果我們的太陽只要輕或重20%，地球就會比現在的火星更涼，或比現在的金星更熱。

9. 在傳統上，給定任何恒星，科學家將可栖息區域定義為圍繞著恒星的狹窄地區，該處溫度使得液態水能存在。可栖息區域有時稱為“金鳳花區域”，這是因為要求液態水存在意味著，正如金鳳花，智慧生命的發展要求行星溫度“剛好合適”。上面畫裡面的我們太陽系中的可栖息區域很微小。幸運的是，對於我們之中的那些智慧生命形式，地球剛好落在其中！在傳統上，給定任何恒星，科學家將可栖息區域定義為圍繞著恒星的狹窄地區，該處溫度使得液態水能存在。可栖息區域有時稱為“金鳳花區域”，這是因為要求液態水存在意味著，正如金鳳花，智慧生命的發展要求行星溫度“剛好合適”。上面畫裡面的我們太陽系中的可栖息區域很微小。幸運的是，對於我們之中的那些智慧生命形式，地球剛好落在其中！

10. 牛頓相信，我們奇異的可栖息區域並非 “僅由自然定律從混濁中產生”。他反而主張，宇宙中的秩序“最初是由上帝創造的，並由他將同樣的狀態和條件保存至今”。很容易理解為何人們會這麼想。如果我們的太陽系是宇宙中唯一的，那麼許多似不可信的事件協同發生使我們得以存在，以及我們世界的善待人類的設計，確實令人困惑。然而，1992年一顆繞著有別於我們太陽的恒星公轉的行星觀測首次確認。

11. 我們現在知道幾百顆這樣的行星，而在我們宇宙中的億萬顆恒星之中存在無數其他的行星，很少人對此會有疑問。這使得我們行星條件 — 單獨太陽，日地距離和太陽質量 － 的巧合作為地球是僅僅為了討好我們人類而精心設計的証據，遠非那麼不尋常，那麼引人注目。所有種類的行星存在。有些 — 至少一個 — 支持生命。顯然，當在一個支持生命的行星上的生命研究圍繞著他們的世界，他們一定發現其環境滿足他們要求存在的條件。

12. 上面最後陳述可能被變成一個科學原理：正是我們的存在賦予確定我們從何處在何時可能觀測宇宙的規則。也就是說，我們存在的事實限制了我們發現自己處於其中的一類環境的特征。這個原則稱為弱人存原理。（我們很快就要看到為甚麼附加了形容詞“弱”。）比人存原理更好的術語可以是“選擇原理”，因為這原理是指對我們存在的自我了解如何強加規則，這規則從所有可能的環境中只挑出那些具有允許生命的特征的環境。上面最後陳述可能被變成一個科學原理：正是我們的存在賦予確定我們從何處在何時可能觀測宇宙的規則。也就是說，我們存在的事實限制了我們發現自己處於其中的一類環境的特征。這個原則稱為弱人存原理。（我們很快就要看到為甚麼附加了形容詞“弱”。）比人存原理更好的術語可以是“選擇原理”，因為這原理是指對我們存在的自我了解如何強加規則，這規則從所有可能的環境中只挑出那些具有允許生命的特征的環境。

13. 雖然它也許聽起來像哲學，弱人存原理可用來進行科學預言。例如，宇宙有多老了？正如我們很快就要看到的，為了我們的存在宇宙必須包含諸如碳的元素，碳是在恒星之中由加熱更輕的元素而產生的。然後碳必須在一次超新星爆發中通過太空散射，而最終在新一代的太陽系中凝聚成行星的部分。1961年物理學家羅伯特．迪克論証道，這個過程大約要花100億年，這樣我們在此存在意味著宇宙應至少那麼老。雖然它也許聽起來像哲學，弱人存原理可用來進行科學預言。例如，宇宙有多老了？正如我們很快就要看到的，為了我們的存在宇宙必須包含諸如碳的元素，碳是在恒星之中由加熱更輕的元素而產生的。然後碳必須在一次超新星爆發中通過太空散射，而最終在新一代的太陽系中凝聚成行星的部分。1961年物理學家羅伯特．迪克論証道，這個過程大約要花100億年，這樣我們在此存在意味著宇宙應至少那麼老。

14. 另一方面，宇宙也不能比100億年老太多，由於在遙遠的將來恒星用的所有燃料會被用光，而我們需要熱的恒星來維持我們。因此宇宙必須是大約100億年那麼老。那不是極端精密的預言，但它是真的 － 根據現有資料，大爆炸發生於大約137億年之前。正如宇宙年齡的情形，人存預言對於給定物理參量通常產生一個值的范圍而非精確地給定它。那是因為我們的存在可能不需要某些物理參量的特殊值，它經常依賴於其值不偏離我們實際發現的太遠的這類參數。此外，我們預料我們世界中的實際條件通常在人存允許的界限之內。

15. 例如，如果只有適度的軌道偏心率，譬如講在0和0.5之間允許生命，那麼0.1的偏心率就不應該使我們驚訝，因為在宇宙的所有行星之中，也許有相當大的比率擁有偏心率那麼小的軌道。但倘若結果是地球在一個接近完美的，具有比如說0.000 000 000 01偏心率的圓周上運行，那就的確會使地球變成非常特殊的行星，並且促使我們試圖解釋為何我們發現自己生活在如此反常的家園。這個思想有時被稱作平庸原理。

16. 與行星軌道形狀、太陽質量等有關的幸運的巧合被稱為環境的，這是因為它們是從我們周圍意外的好運而非從自然基本定律中的僥倖的機會產生。宇宙的年齡也是一個環境因素，在宇宙的歷史中存在更早或更晚的時間，但因為這個時代是僅有的有助於生命的，因而我們必須生活在此時代。因為我們的栖息地只是在宇宙中存在的許多中的一個，而顯然我們必須在一個支持生命的栖息地存在，所以很容易理解環境的巧合。與行星軌道形狀、太陽質量等有關的幸運的巧合被稱為環境的，這是因為它們是從我們周圍意外的好運而非從自然基本定律中的僥倖的機會產生。宇宙的年齡也是一個環境因素，在宇宙的歷史中存在更早或更晚的時間，但因為這個時代是僅有的有助於生命的，因而我們必須生活在此時代。因為我們的栖息地只是在宇宙中存在的許多中的一個，而顯然我們必須在一個支持生命的栖息地存在，所以很容易理解環境的巧合。

17. 弱人存原理沒有多少可爭議的。但是存在一種較強的形式，我們將在這裡論証，儘管一些物理學家很輕視它。強人存原理提議，我們存在的事實不僅對我們的環境而且對自然定律的可能形式和內容本身都加以限制。產生這種思想的原因是，似乎奇妙地有助於人類生命發展的不僅是太陽系罕有的特征，而且是我們整個宇宙的特征，解釋後者要困難得多。弱人存原理沒有多少可爭議的。但是存在一種較強的形式，我們將在這裡論証，儘管一些物理學家很輕視它。強人存原理提議，我們存在的事實不僅對我們的環境而且對自然定律的可能形式和內容本身都加以限制。產生這種思想的原因是，似乎奇妙地有助於人類生命發展的不僅是太陽系罕有的特征，而且是我們整個宇宙的特征，解釋後者要困難得多。

18. 具有氫、氦和一點點鋰的太初宇宙如何演化成一個庇護至少一個擁有像我們這樣的智慧生命的世界的故事可寫成宏篇巨著。正如我們先前提到的，自然力必須如此，使較重的元素 － 尤其是碳 － 能從太初元素產生，並且至少在幾十億年期間保持穩定。既然那些重元素是在我們叫做恒星的火爐裡形成，那麼力首先必須允許恒星和星系形成。而它們是由早期宇宙細微不均勻性的耔發展成的，早期宇宙除了令人感恩地包含大約十萬分之一的密度變化外，幾乎是完全均勻的。

19. 然而，單是恒星的存在，我們由之構成的在那些恒星之中的元素的存在是不夠的。恒星的動力學必須使得有些恒星會最終爆炸，此外還要精準地以一種能把重元素散落到太空去的方式爆炸。還有，自然定律必須要求那些殘餘能凝聚成新一代恒星，而合併新形成的重元素的行星環繞著這些恒星。正如為了允許我們得以發展，在早期地球必須發生某些事件，這個鏈條的每一環節對於我們之存在也是必須的。但在宇宙演化引起的事件的情形，這類發展是由自然基本的力的平衡所制約，正是那些交互作用的力必須恰好使我們得以存在。然而，單是恒星的存在，我們由之構成的在那些恒星之中的元素的存在是不夠的。恒星的動力學必須使得有些恒星會最終爆炸，此外還要精準地以一種能把重元素散落到太空去的方式爆炸。還有，自然定律必須要求那些殘餘能凝聚成新一代恒星，而合併新形成的重元素的行星環繞著這些恒星。正如為了允許我們得以發展，在早期地球必須發生某些事件，這個鏈條的每一環節對於我們之存在也是必須的。但在宇宙演化引起的事件的情形，這類發展是由自然基本的力的平衡所制約，正是那些交互作用的力必須恰好使我們得以存在。 待續…