假如宇宙中少了4種基本作用力中比較不重要的一種——弱核力，那么行星還能形成，生命還會(huì)誕生嗎？
長期以來，物理學(xué)上一個(gè)經(jīng)久不衰的話題就是基本物理學(xué)常數(shù)問題。
物理學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)，我們這個(gè)世界中的很多重大事件深深依賴于物理學(xué)定律中涉及的一些基本常數(shù)。所謂重大事件，包括物質(zhì)的形成，星系的演化，生命的誕生等等。比如說，如果強(qiáng)核力稍強(qiáng)或者稍弱一點(diǎn)，恒星就合成不出碳和其他構(gòu)成行星所需的元素，生命就更不用說了；如果質(zhì)子的質(zhì)量比現(xiàn)在只多0.2%，大爆炸之后形成的氫原子都會(huì)在幾乎一瞬間衰變成中子，不會(huì)有任何原子在宇宙中形成。這樣的例子還有很多。
那么，為什么我們的宇宙如此微妙呢？為什么這些基本物理學(xué)常數(shù)要取這個(gè)值而不是另一個(gè)值？對(duì)此，一部分宇宙學(xué)家提出，我們的宇宙并非唯一，而只是眾多平行宇宙中的一個(gè)。這些宇宙可以突然從真空中冒出來，然后像我們的宇宙從大爆炸中誕生一樣，然后膨脹成一個(gè)遼闊的區(qū)域。每一個(gè)宇宙都帶有自己的一套基本物理常數(shù)，這些常數(shù)很可能與我們的完全不同。在絕大多數(shù)的宇宙中，或許連物質(zhì)都不允許存在，更不用說星系、恒星、行星和生命了。但因?yàn)槠叫杏钪娴臄?shù)量非常龐大，也許剛好“瞎蒙”，拼湊出一套“正確”的物理常數(shù)，使得物質(zhì)、星系、恒星、行星和生命都有了形成的可能?！挥谜f，我們就處于這樣一個(gè)幸運(yùn)的宇宙中。
但是，為了讓平行宇宙中生命得以產(chǎn)生，這套基本常數(shù)的取值是否是唯一呢？今天我們就來探討這個(gè)問題。
元素合成三部曲
引力、電磁力、強(qiáng)核力、弱核力是我們的宇宙中4種基本作用力。從“基本”二字就可以看出，它們似乎是必不可少的。
譬如，沒有強(qiáng)核力把夸克三個(gè)一組“捆綁”成質(zhì)子和中子，再把質(zhì)子和中子“捆綁”成原子核，我們所知的物質(zhì)就不會(huì)存在。沒有電磁力，宇宙中就沒有光，也不會(huì)有任何原子和分子。沒有引力，物質(zhì)就不會(huì)聚集成星系、恒星和行星。
第4種基本作用力是弱核力。在如今的日常生活中，它的存在已經(jīng)變得可有可無，但在我們的宇宙演化史上，它曾經(jīng)扮演過一個(gè)重要角色。弱核力的作用有很多，其中之一就是使中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子、質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子的反應(yīng)得以發(fā)生。在大爆炸的最初一剎那，先是夸克3個(gè)一組結(jié)合成質(zhì)子和中子，而后質(zhì)子4個(gè)一組再聚變成氦-4原子核。這個(gè)過程被稱為“大爆炸核合成”，發(fā)生在宇宙誕生的最初三分鐘。在這個(gè)過程中，弱核力起到了重要作用。沒有它，氦-4原子核就無以產(chǎn)生，而氦-4是合成周期表中更重的元素的基礎(chǔ)。直到今天，這個(gè)核反應(yīng)仍然在太陽內(nèi)部進(jìn)行著，我們從太陽上接收到的絕大部分能量就來源于此。
大爆炸核合成完成后，由于宇宙的膨脹，溫度迅速下降，元素合成的過程也中斷了。經(jīng)過幾十億年的沉寂，氫氣和氦氣在引力作用下聚集成恒星，在恒星內(nèi)部核反應(yīng)才再次被“點(diǎn)燃”。此時(shí)，元素的合成進(jìn)入到第二階段，即“星際核合成”階段。包括碳、氧在內(nèi)的大部分原子序數(shù)低于鐵的元素就是在這一階段“鍛造”出來的。這一階段基本上不涉及弱核力。
對(duì)于第二階段的核合成來說，到鐵元素就戛然而止了，因?yàn)橐铣杀辱F更重的元素，恒星的溫度還不夠高。只有當(dāng)恒星燃燒到了晚期，一些大質(zhì)量的恒星發(fā)生超新星爆發(fā)，產(chǎn)生了上千億度的高溫，在這樣的條件下，才合成出了所有比鐵更重的元素。這是元素合成的最后階段，即所謂的“超新星核合成”階段。隨后，恒星的所有元素隨著超新星爆發(fā)，被拋撒到了宇宙空間。
如此看來，如果一個(gè)宇宙中沒有弱核力，那么元素合成的第一階段都不可能發(fā)生，更遑論后面的過程了。然而，2006年，以色列物理學(xué)家杰拉德·佩雷斯通過理論研究發(fā)現(xiàn)，即使宇宙從一開始就缺少弱核力，后面的一些元素合成過程也依然可能發(fā)生，甚至仍然有可能演化出一個(gè)適宜生命生存的宇宙來。
在那個(gè)世界鐵是最重的元素
在無弱核力的宇宙中，質(zhì)子聚變成氦的核反應(yīng)將不會(huì)發(fā)生，因?yàn)樵摲磻?yīng)需要弱核力的參與。但是制造元素還是可以通過其他途徑來實(shí)現(xiàn)。比方說，在我們的宇宙中，物質(zhì)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)，但只要對(duì)控制正反物質(zhì)比例的參數(shù)稍加改動(dòng)，就足以確保大爆炸核合成能夠產(chǎn)生出大量的氘核。氘是氫的一種同位素，原子核中除了1個(gè)質(zhì)子外，還多了1個(gè)中子。這樣一來，通過1個(gè)質(zhì)子加1個(gè)氘核聚變成氦-3（由2個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子組成）的核反應(yīng)，恒星仍然能夠發(fā)光發(fā)熱。
跟我們宇宙中的同類恒星相比，這種無弱核力恒星的溫度會(huì)低一些，尺寸也要小一些。根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬，這種恒星可以持續(xù)燃燒大約70億年，幾乎與目前太陽的年齡相當(dāng)，能量輻射率只比太陽低幾個(gè)百分點(diǎn)。
就像我們宇宙中的恒星一樣，無弱核力的恒星也能完成“星際核合成”階段，通過一步接一步的核聚變反應(yīng)，合成越來越重的元素，一直到鐵。為什么這一階段不能合成比鐵更重的元素呢？因?yàn)?6號(hào)元素鐵的原子核是所有原子核中最穩(wěn)定的，要合成比鐵更重的元素，恒星的溫度還不夠高。
在我們的宇宙里，雖然恒星內(nèi)部無法合成比鐵更重的元素，但超新星爆發(fā)時(shí)，溫度可以達(dá)到上千億度（是太陽內(nèi)部溫度的上千倍），元素合成的過程就可以繼續(xù)下去了。原子量比鐵重的元素，像金、銀、銅、鈾、釷等都是在這一階段合成的。最后，超新星把自己炸得粉碎，合成的元素也隨著散布到星際空間，成為組成新的恒星和行星的材料。
但是超新星核合成需要弱核力的參與。在沒有弱核力的宇宙中，這一階段將不會(huì)發(fā)生。所以在沒有弱核力的宇宙中，鐵是最重的元素。
依然可以涌現(xiàn)生命
即使恒星合成出了所有自然界中能穩(wěn)定存在的元素，但要是不通過超新星爆發(fā)的形式，炸毀自己，把它們拋撒出來，像地球這樣的巖石態(tài)行星也一樣無以形成。
在我們的宇宙中，超新星可分成兩大類：一類是由超大質(zhì)量的恒星引力坍縮引起的，這類占多數(shù)；另一類是白矮星從伴星上吸積了太多的物質(zhì)后，引發(fā)熱核爆炸所致。在前一類超新星爆發(fā)中，大量向外輻射的中微子把能量從恒星核心傳遞出來，“驅(qū)動(dòng)”沖擊波把整顆恒星炸得粉碎，這樣，合成的元素也散布到了宇宙空間。
而在這過程中起到重要作用的中微子正是通過弱核力產(chǎn)生的。假如宇宙里沒有弱核力，這類超新星就不會(huì)爆發(fā)，成了“啞彈”，所有的“寶物”都緊緊捏在自己手中。所以，沒有弱核力的宇宙只能通過后一類超新星爆發(fā)來拋撒物質(zhì)。但是這一類超新星爆發(fā)比較罕見，所以拋撒出來的物質(zhì)將比較稀少，由此一來，在沒有弱核力的宇宙中，行星數(shù)量會(huì)比我們的宇宙少得多。
考慮到無弱核力的恒星相對(duì)較冷，如果一顆無弱核力的類地天體像地球一樣溫暖，容許液態(tài)水存在，那它到母恒星的距離只能是日地距離的1/6左右。對(duì)于生活在這樣一顆行星上的居民來說，他們的“太陽”看上去會(huì)大得多。
無弱核力的“地球”在其他方面也與我們的地球有著霄壤之別。在我們的地球上，板塊構(gòu)造和火山活動(dòng)都是地球內(nèi)部的鈾和釷等放射性同位素衰變產(chǎn)生的熱量來驅(qū)動(dòng)的。而無弱核力的宇宙不可能合成比鐵更重的元素，那么自然也不會(huì)有這些放射性元素。如此一來，無弱核力的“地球”就了無生趣了。
至于生命，那是一種化學(xué)過程，與核力無關(guān)，而既然在無弱核力的宇宙中，生命所需要的元素已經(jīng)一應(yīng)俱全，那么應(yīng)該不會(huì)阻止與我們類似的生命誕生。
如此看來，就算一個(gè)宇宙中只有3種基本作用力，也可以成為適宜生命生存的地方。換句話說，基本物理學(xué)常數(shù)看來并非唯一，因?yàn)樵谝粋€(gè)沒有弱核力的宇宙里，這套常數(shù)雖然與我們的宇宙不同，但生命照樣可以涌現(xiàn)。這個(gè)結(jié)論對(duì)于我們理解自己在眾多平行宇宙中的真正位置，或許是很有啟發(fā)意義的。
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