第15章 表观奇迹 (1)
　　中国人谈及夏朝(约公元前2205年——约公元前1782年)的时候，我们的宇宙环境忽然改变。在天空出现了十个太阳。其灼热使地球上的人们痛苦不堪，皇帝命令名弓箭手后羿射落额外的太阳。后羿得到一个药丸作为奖赏，这药丸是长生不老药，但他的妻子嫦娥偷走药丸。由于这个罪过她被驱逐到月亮上去。
　　中国人认为拥有十日的太阳系对人类生活不友善，这点是正确的。我们今天知道，除了让皮肤晒黑之外，具有多个太阳的太阳系也许永不允许生命发展。其原因不象中国神话想象的灼热那么简单。事实上，一个围绕多个恒星公转的行星至少一会儿能感受到舒适的温度。但长期一致的取热，这对于生命似乎必要的情景，则是不太可能的。为了理解其原因，让我们看在最简单的多恒星系统，一种具有两个太阳的称作双星系统。在天空中大约有一半的恒星是这种系统的成员。然而甚至简单的双星系统也只能维持显示在下图的那种类型的某种稳定轨道，这些轨道中的每一个都可能有这样的时候，这时行星要么太热要么太冷，以致于不能维系生命。对于多恒星团的情形甚至更坏。
　　我们太阳系还具有其它“幸运”的性质，若无这些性质复杂的生命形式也许永远不能演化。例如，牛顿定律允许行星轨道要么是圆要么是椭圆(椭圆是挤扁的圆，在一个轴上较宽，而沿着另一轴较窄)。椭圆被挤扁的程度用所谓的偏心率来描述，这是一个在零和一之间的数。偏心率接近零表示图形类似于圆周，而偏心率接近一表示它非常扁。恒星不进行完美的圆周运动使开普勒非常不安，然而地球轨道具有仅仅大约百分之二的偏心率，这表明它几乎是圆形的。后来发现，这真是个好运气。
　　地球上的季节天气模式主要是由地球旋转轴相对于围绕太阳轨道面的倾角确定。例如，在北半球冬季之际，北极向离开太阳方向倾斜。事实上在那时，地球离太阳最近——只有0.915亿英哩那么远，而相对于7月初离开太阳大约有0.945亿英哩，这个事实和它的倾斜相比较对于温度只有可忽略的效应。然而，在具有大轨道偏心率的行星上，离日距离的变化起的作用大多了。例如，在具有偏心率百分之二十的水星上，在它处于近日点时的温度超过其处于远日点时200华氏度。事实上，如果地球轨道的偏心率接近于1，我们到达近日点时海洋沸腾，而到达远日点时冰冻，无论是寒假还是暑假都不宜人。大轨道偏心率无助于生命，因此我们很幸运地拥有其轨道偏心率接近于零的一个行星。
　　在我们太阳质量和我们离开它的距离的关系上，我们也很幸运。这是因为恒星质量确定其放出的能量数量。最大的恒星拥有的质量大约为我们太阳的一百倍，而最小大约小一百倍。而且还有，假如日地距离给定，如果我们的太阳只要百分之二十更轻或更重，地球就会比现在的火星更凉，或比现在的金星更热。

　　在传统上，给定任何恒星，科学家将可栖息区域定义为围绕着恒星的狭窄地区，该处温度使得液态水能存在。可栖息区域有时称为“金凤花区域”，这是因为要求液态水存在意味着，正如金凤花，智慧生命的发展要求行星温度“刚好合适”。上面画里的我们太阳系中的可栖居区域很微小。幸运的是，对于我们之中的那些智慧生命形式，地球刚好落在其中！
　　牛顿相信，我们奇异的可栖息区域并非“仅由自然定律从混浊中产生”。他反而主张，宇宙中的秩序“最初是由上帝创造的，并由他将同样的状态和条件保存至今。”很容易理解为何人们会这么想。如果我们的太阳系是宇宙中唯一的，那么许多似不可信的事件协同发生使我们得以存在，以及我们世界的善待人类的设计，确是令人困惑。然而这被1992年一颗绕着有别于我们太阳的恒星公转的行星观测首次确认。我们现在知道几百颗这样的行星，而在我们宇宙中的亿万颗恒星之中存在无数其它的行星，很少人对此会有疑问。这使得我们行星条件——单独太阳，日地距离和太阳质量的幸运组合——作为地球是仅仅为了取好我们人类而精心设计的证据，远非那么不寻常，那么引人注目。所有种类的行星存在。有些——至少一个——支持生命。显然，当在一个支持生命的行星上的生命研究围绕着他们的世界，他们一定发现其环境满足他们要求存在的条件。
　　上面最后陈述可能被变成一个科学原理：正是我们的存在赋予确定我们从何处在何时可能观测宇宙的规则。也就是说，我们存在的事实限制了我们发现自己处于其中的一类环境的特征。这个原则称为弱人存原理。(我们很快就要看到为什么附加了形容词“弱”。)比人存原理更好的术语可以是“选择原理”，因为这原理是指对我们存在的自我了解如何强加规则，这规则从所有可能的环境中只挑出那些具有允许生命的特征的环境。
　　虽然它也许听起来象哲学，弱人存原理可用来进行科学预言。例如，宇宙有多老了？正如我们很快就要看到的，为了我们的存在宇宙必须包含诸如碳的元素，碳是在恒星之中由加热更轻的元素而产生的。然后碳必须在一次超新星爆发中通过太空散射，而最终在新一代的太阳系中凝聚成行星的部分。1961年物理学家罗伯特迪克论证道，这个过程大约要花100亿年，这样我们在此存在意味着宇宙应至少那么老。另一方面，宇宙也不能比100亿年老太多，由于在遥远的将来恒星用的所有燃料会被用光，而我们需要热的恒星来维持我们。因此宇宙必须是大约100亿年那么老。那不是极端精密的预言，但它是真的——根据现有资料，大爆炸大约发生于大约137亿年之前。

　　正如宇宙年龄的情形，人存预言对于给定物理参量通常产生一个值的范围而非精确地描准它。那是因为我们的存在可能不需要某些物理参量的特殊值，它经常依赖于其值不偏离我们实际发现的太远的这类参数。此外，我们预料我们世界中的实际条件通常在人存允许的界限之内。例如，如果只有适度轨道偏心率，譬如讲在0和0.5之间允许生命，那么0.1的偏心率就不应该使我们惊讶，因为在宇宙的所有行星之中，也许一个相当百分比拥有偏心率那么小的轨道。但倘若结果是地球在一个接近完美的，具有比如说0.00000000001偏心率的园周上运行，那就的确会使地球变成非常特殊的行星，并且促使我们试图解释为何我们发现自己生活在如此反常的家园。这个思想有时被称作平庸原理。
　　与行星轨道形状、太阳质量等等有关的幸运的巧合被称作环境的，这是因为它们是从我们周围意外的好运而非从自然基本定律中的侥幸的机会产生。宇宙的年龄也是一个环境因素，在宇宙的历史中存在更早或更晚的时间，但因为这个时代是仅有的有助于生命的，因而我们必须生活在此时代。因为我们的栖息地只是在宇宙中存在的许多中的一个，而显然我们必须在一个支持生命的栖息地存在，所以很容易理解环境的巧合。
　　弱人存原理没有多少可争议的。但是存在一种较强的形式，我们将在这里论证，尽管一些物理学家很轻视它。强人存原理提议，我们存在的事实不仅对我们的环境而且对自然定律的可能形式和内容本身都加以限制。产生这种思想的原因是，似乎奇妙地有助于人类生命发展的不仅是太阳系罕有的特征，而且是我们整个宇宙的特征，解释后者要困难得多。
　　具有氢、氦和一点锂的太初宇宙如何演化成一个庇护至少一个拥有象我们这样的智慧生命的世界的故事可写成长篇巨作。正如我们早些提到的，自然力必须如此，使较重的元素——尤其是碳——能从太初元素产生，并且至少在几十亿年期间保持稳定。那些重元素是在我们叫做恒星的火炉里形成，这样力首先必须允许恒星和星系形成。那些是从早期宇宙的细微不均匀性的耔长成的，早期宇宙除了令人感恩地包含大约十万分之一的密度变化几乎是完全均匀的。然而，恒星的存在，我们由之构成的在那些恒星之中的元素的存在是不够的。恒星的动力学必须如此，有些会最终爆炸，此外还要精准地以一种能把重元素分配到太空去的方式爆炸。还有，自然定律必须要求那些残余能凝聚成新一代恒星，而合并新形成的重元素的行星环绕着这些恒星。正如为了允许我们得以发展，在早期地球必须发生某些事件，这个链条的每一环节对于我们之存在也都是必须的。但在宇宙演化引起的事件的情形，这类发展是由自然基本的力的平衡所制约，正是那些交互作用的力必须恰好使我们得以存在。

　　这也许牵涉到好多意外发现的好运气，弗雷德·霍伊尔是1950年代首先认识到这一点的一位。霍伊尔相信，所有化学元素最初都是由氢形成的，他觉得氢是真正的太初物质。氢具有最简单的原子核，该核只包含一个质子，它要么单独，要么和一至两个中子结合。(氢的或任何核的具有相同数目的质子数，但不同数目的中子的不同形式称为同位素。)氦和锂的原子的核包含两个和三个质子。我们今天知道，氦和锂元素也是太初合成的，那时宇宙年龄大约为200秒，合成的数量要少得多。另一方面，生命依赖于更复杂的元素。其中碳最重要，它是整个有机化学的基础。
　　虽然人们也许将诸如从其它元素比如硅生产的智慧电脑当作“活”的生物，在缺乏碳时，生命能自发地演化过却是令人怀疑的。其原因是技术性的，但必须与碳和其它元素结合的唯一方式有关。例如：二氧化碳在室温下呈气态，并在生物学上非常有用。由于硅是在周期表上在碳的正下面的元素，它具有类似的化学性质。然而，二氧化硅即石英在岩石收集上比在生物的肺中远远有用得多，尽管如此，也许生命形式可以在靠吃硅存活并且在液氨池子里有节奏地扭动尾巴之际演化。甚至那种独特的生命不能仅从太初元素演化，因为那些元素只能形成两种稳定的化合物，氢化锂，这是无色的结晶固体，还有氢气，它们没有一种是可能复制或者甚至恋爱的化合物。还有，事实依然是我们是碳的生命形式，碳的核包含六个质子，而这引起了碳和我们身体中的其它重元素如何被创造的问题。
　　第一步发生于较老的恒星开始积聚氦时，氦是当两个氢核碰撞并相互融合而产生的。这种聚变正是恒星何以制造使我们温热的能量。两个氦原子可依着顺序碰撞形成铍，这是核包含四个质子的原子。一旦铍形成了，在原则上它可能和第三个氦核融合而形成碳。然而并未发生，因为形成的铍的同位素几乎立即衰变回氦核。