碳从哪来：一个预言拯救了宇宙学的故事（完整文稿）

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霍伊尔的碳难题

一九五三年，天文学家弗雷德·霍伊尔遇到个难题。他在研究恒星核心怎样造各种元素，发现宇宙里的碳比理论该有的多得多。恒星把氢聚变成氦，再变成铍八，这步没问题。但要造碳，得三个氦核聚到一起。可铍八非常不稳定，大约十的负十六次方秒就散了，也就是亿亿分之一秒。第三个氦核得在这瞬间跟铍聚变。可一算数字，反应实在太慢。按核物理，恒星几乎造不出碳。

但碳明明到处都是，排宇宙第四名。你我都是碳做的。霍伊尔知道少了什么。他预言有个激发态，一种共振，在七点六八兆电子伏附近，能大大提高三氦成碳的几率。他当时在加州理工访问，请实验同事找找这个共振。他们在七点六五兆电子伏找到了，只差百分之零点五。

这就是著名的霍伊尔共振。要是上移几个百分点，恒星几乎造不出碳，下移同样幅度，碳有了，氧却几乎没有。

旋钮好像正好调在能同时造碳和氧的位置，而这两样对生命至关重要。大家没意识到，氧没有共振，才留住碳，没全变成氧。碳有共振，氧没共振，两者平衡，宇宙才攒下这些有用的碳原子。细看物理定律，总能找到像是调好的数字。稍改一点，化学、复杂结构、星系星体，还有我们，全没了。

很怪，到处都有。至于解释嘛，呃，后面再说。

基本常数

物理定律里是方程，方程里还有常数。这是牛顿引力，这是广义相对论。它们预测物体下落、行星绕日，等等。但没有这个常数就不行。物理定律里到处是这种数，就是基本常数。问题是，不知道这些常数，物理数学就派不上用场。唯一的办法是问大自然。比如给你牛顿引力公式，可不知道大G多大，就算不出月球轨道和时间。式子里的大G是引力强度，叫万有引力常数。在我们宇宙约为六点六七四乘十的负十一次方，单位是立方米每千克秒平方。

这数推不出来，只能测。一七九八年亨利·卡文迪什第一个测了它。他在密封小屋里，用扭丝吊起两个小铅球，两个三百五十磅大铅球把小球往旁边拉，扭丝就转了起来。他测的力，大约一粒灰尘那么重，信号太微弱，他只能在屋外用望远镜看。体温会搅动空气，盖住引力信号。测出扭了多少，就能算出引力强度。史蒂夫·莫尔德有个讲这实验的精彩视频，推荐看看。诶，你可能发现了。单位嘛，米、秒、千克，都是人造的，随便定的。

没错，但常数之间的比值可不是随便的。质子和电子的质量也是测出来的常数。质子质量是电子的一千八百三十六倍，用什么单位都一样。当然，数值取决于单位。但常数组合可以写成无量纲的形式。这类常数大约有三十个，像旋钮。理论没规定它们的值，它们本可以是别的数。

转动旋钮

那问题来了，如果数值不同呢？转动这些旋钮会发生什么？

我们来转转旋钮。在我们的宇宙，中子比质子重一点二九兆电子伏特。大约是中子质量的百分之零点一四，相当于二点五个电子的质量。差别非常小。在我们的宇宙，自由中子会衰变成质子，而自由质子是稳定的。这一点很重要。要是质子比中子重，质子就会衰变成中子。氢原子就会衰变，质子吞掉电子，变成中子。连氢都没有的宇宙，更别说元素周期表，估计非常非常无聊。只有无尽的中子，啥也不干。

还能调强力的强度，就是让原子核聚在一起的力量。太阳的聚变链第一步，是两个质子聚成氘。氘的结合能只有二点二兆电子伏特，勉强撑着。把强力调弱几个百分点，氘就散架，聚变链根本启动不了。聚变让恒星成为恒星。恒星在内部造出周期表里的每种元素。恒星燃尽后，把重元素撒向宇宙。我们就是这些星星的星尘做的。强力只要弱几个百分点，就没有恒星。你很快会发现，杀死一个宇宙太容易了。我的意思是，你能搞出完全不适合居住的宇宙。

你夺走了生命的关键，也就是承载信息的复杂性。那问题就来了。我们活在一个常数恰好允许我们存在的宇宙。这说明什么？宇宙本质上有更深的东西吗？毕竟我们活在某种意义上很特别的宇宙。接下来还能调引力。和其他基本力比，引力弱得可怜。所以冰箱贴都能胜过整个地球的引力。核内两个质子的电斥力约十的三十六次方，也就是万亿万亿万亿，万亿倍于它们间的引力。为什么引力比其他力弱这么多？我们不知道。

就算把引力加强一百万倍，只是十的三十次方对十的三十六次方，还是弱得多。在那个宇宙，恒星只能活一万年，不是一百亿年。复杂性恐怕没时间出现。

宇宙加速膨胀

再调最后一个常数，请听我说完。一九二九年，哈勃发现宇宙在膨胀。但宇宙里有物质，引力应该把物质往回拉。所以人们以为，远方星系远离我们时应该减速。但这很难测量。答案又过了七十年才找到。方法是这样的。我们的宇宙有一种特别的超新星，叫一a型。白矮星吸积旁边伴星的物质就会爆发。到一点四四倍太阳质量，就是钱德拉塞卡极限，撑住整个结构的电子简并压就垮了。细节很复杂，以后再讲。关键在于，这种星爆发的亮度基本相同。

所以能当标准烛光用，天文学家就这么叫。亮度遵循平方反比定律。蜡烛远一倍，亮度只有四分之一。只要知道天体真实亮度，对比测到的亮度，就能算出距离。看光的红移程度，就能算出它跑多快。跑得越快的光波，被拉得越长。九十年代末，两个团队，超新星宇宙学项目，珀尔马特带队，在伯克利。施密特带队的高红移团队，在堪培拉。他们用这方法测宇宙膨胀速度。但一a型超新星很罕见，怎么找到呢？他们拍几千个星系，几周后再拍一遍，让电脑把两张图相减。

出现新的亮点，可能就是一a型超新星。结果非常出人意料。他们吃惊到以为算错了。宇宙膨胀不是在变慢，而是在加快。宇宙学常数是正的。有种东西在推开宇宙，不只抵消引力，还压过了引力。现在叫它暗能量，但还不确定是什么。二零一一年，珀尔马特、施密特和里斯拿了诺贝尔奖。

宇宙学常数史

宇宙学常数的历史，能追溯到一百多年前。一九一七年，爱因斯坦遇到难题。他的方程说，宇宙该膨胀或收缩。可大家都认定，宇宙是静止永恒的。于是他手动加了一项，藏在空间里的反引力，调得刚好让一切不动。宇宙学常数。插一句，据说爱因斯坦说，加宇宙学常数是他最大的失误。其实没有第一手资料。只有伽莫夫一九七零年的书，和一篇一九五六年的文章。也许还有几位物理学家，听他说过类似的话。他有没有这么说不知道，但他的确讨厌它。

在给勒梅特的信里他写道：引入lambda项后，我一直于心不安。引力的场定律，竟由两个逻辑独立的项组成，我觉得实在难看，只是用加号连起来。我感受很强烈，不相信这么丑的东西，会出现在自然界。可惜爱因斯坦错了，这么丑的东西，自然界真有。宇宙学常数存在，而且好像精调过。

真空能量

那暗能量是什么？有个明显的候选者。真空并不是真的空。拿个盒子，去掉所有原子和粒子，再冷到绝对零度。量子场论说，真空还是不空。虚粒子和反粒子不断冒出来，充满能量。这正是可能推开空间的东西。我们知道宇宙里有这种底层能量场，最近五十亿年它占了上风，正在推动宇宙越胀越快。这就是九十年代末发现的暗能量。用量子场论算暗能量该有多少。

实际值小得可怜，只有可能值的一百二十次方分之一。这数字离谱。理论预言，真空能量该比实测值大，十的一百二十次方倍。如果暗能量就是真空的能量，说得通，那我们差了十的一百二十次方倍。这被称为物理学史上最糟的预言。暗能量也被精调过。比实测大一百倍，星系就形成不了，或者只有很小的。你马上能看出，如果调得太大，宇宙诞生后，所有物质都被摊得极稀，永远结不出恒星，也结不出星系。

所以暗能量哪怕调大一百倍。

可一百倍，在十的一百二十次方面前，几乎等于零。对吧？调整余地很小。有一点空间，但比起可能范围，还是很小。结果就没有今天的银河系，只剩一些又小又紧的星系团块。那地方不适合生命，超新星乱炸，还有黑洞，小小空间里啥事都有。这也是银河系中心不适合生命的原因之一，地方太小，事情太多。我说一百倍，但体积可能还要更小。我觉得很神奇的是，温伯格早在一九八七年就预言了正的宇宙学常数。

比实际测量早了十年。他的推理是，既然我们存在，星系又挺大，那宇宙里就得有一点暗能量，不是零，密度比物质高出几倍，跟测量结果差不多。这篇论文很了不起，用我们的存在预言了宇宙。温伯格的预言基于我们和星系的存在，所以宇宙学常数必须够小，星系才能形成。这个预言基本是对的，你说酷不酷？

初始条件与维度

能带来复杂性不止自然常数，我们还能动其他旋钮，比如初始条件。我们的宇宙起点熵非常低。这就是热力学第二定律，熵随时间增加。东西会散开、混在一起。这就是时间之箭。低熵换句话说就是可用能量高。也就是能做复杂有趣的事。如果宇宙生来就高熵，就不会有复杂性。为什么宇宙的初始条件是这么低的熵？为什么会这样？这太怪了。

我们的宇宙诞生时，物质分布很均匀。所以物质能塌缩聚成团，先形成恒星，再形成星系。它生于低熵状态，带着大量可用能量。但如果宇宙生来物质就挤成一团，全锁在黑洞里，那些引力能就没了，对吧？黑洞实在没法利用。你能合并黑洞，但又能怎样？我们习以为常的时间之箭，本身就很神奇。为什么时间只有一个方向？本可不必。相对论方程没说时间该往哪走。想象一下，要是时间能双向流动，物理会怎样？

这可能是最大的微调之一。还有我们身处的维度，三维空间加一维时间，正好利于复杂性。二维太无聊，四维的话，轨道就转不起来了。两个时间维度什么样我都不敢想，更多更别提了。为什么偏偏是三维空间一维时间？相对论方程没说不能多加一项负的dT平方，想加几项都行，物理定律照样成立。可要是你是那个宇宙里的生物，有多个时间维度，那意味着什么？

这种游戏我能玩，但要谈那些宇宙适不适宜居住，就得先搞清那里物理定律怎么运作。

人择原理

那我们该怎么看待这一切？某种程度上这很显然，对吧？我们在，是因为我们在。在所有可能的宇宙里，旋钮随便怎么调，只有让观察者存在、能去观察的那些设定，才会被人注意到。没有恒星、没有化学、没有大脑的宇宙，没人会感叹它有多死寂。《银河系漫游指南》作者道格拉斯·亚当斯，写过一滩有意识的积水，雨后形成，还自我思考。

我发现的世界真有趣，这坑真有趣，正适合我，对吧？简直合身得惊人，肯定是为我造的。也许答案就这么简单。也许就是我们在这，就这样，别再问了。可这个答案，我不觉得满意。这也不科学。纵观科学史，那种叫你别问、世界就这样的话，从来都不太成功。真正成功的，是那种痛苦又烦人的好奇心。也许我们漏了一套更深的物理理论，能解释常数为何如此，初始条件为何这样，还解释空间三维和时间一维，等等。那确实很酷，但只是把微调推到另一层。你会说，物理搞定了，没有自由了。

基本常数就是这样。你说，好了，完工了，可活没完，因为可能的数学库是无穷的。我们宇宙用的数学，只是无穷书库里薄薄一本。我们的宇宙为什么选这套数学来描述自己？

或者用神学解释：如果有这么多参数，这么多旋钮像为生命调好的，也许有个调校者，一位造物主，把宇宙造得刚好适合我们。先说说这本书的背景。

多重宇宙与结语

书是我和卢克·巴恩斯合写的。我是无神论，他信神，我们看过争论的两面。卢克常看到人说，微调是造物主的证据。而我没有那个假设，我把它看作宇宙本质另有深意的证据。我觉得多做物理也解决不了，只是把微调挪到别处。让我睡得着觉的，是多重宇宙的想法。存在多得数不清的其他宇宙，那里自然常数、初始条件，甚至数学结构都不同。少数能孕育复杂和生命，大多数不行，我们是幸运儿。我们活在一个幸运的宇宙，让科学继续演下去。

别让吵闹的人因为不喜欢一个概念，就把讨论关掉，好吗？很多人说，不该谈多重宇宙，科学不是这么做的。科学还在演，远没到终局。很多聪明人分属不同阵营。比如霍伊尔说，按常识看，像是超级智慧动了物理。马丁·里斯看同样数据，却倾向多重宇宙。我真说不清。这就是我脑子里开了十年的标签页，我都不知该多当真。我个人偏向多重宇宙，因为就算不算微调，也有好多理由认真对待它。但我真不知道，这信息该怎么消化。

我只觉得有趣、巧妙又怪异。我还在真相元素时，我们讲故事都讲究开头、发展和结尾，铺垫、渐渐紧张，最后再圆满收尾。可这期视频没有圆满的收尾。抱歉，这期我真给不了答案。人类还不知道一些重大又迷人的问题答案。约翰·惠勒说过，知识的岛越大，无知的海岸线越长。了解宇宙越多，要问的问题就越多，谜团也越多。这很美好，科学就是这样。我喜欢这难题在我脑子里放了十年，标签页一直开着。

我也喜欢这是个进阶问题。能走到被宇宙的幸运狠狠打脸这一步，已是科学的巨大成功，也多么奇怪。我喜欢被提醒我们的渺小和幸运。

想深入了解宇宙微调，就读格兰特和卢克的书，好读又写得很美。书真好。参考资料在简介里，还有几本推荐书。如果你工作不错，觉得我的内容有价值，欢迎订阅我的Patreon。谢谢你在这里。很感激能与你共享这个幸运的宇宙。