六个数

数学定律是宇宙结构的基础，不仅对原子而言，对人类、恒星以及星系而言也是如此。原子的性质，即它们的大小、质量、种类以及将它们连接在一起的力，决定了现实世界的化学组成。原子的存在又取决于其内部的粒子和作用力。天文学家研究的对象——行星、恒星和星系，都受到引力的控制。这一切都发生在一个不断膨胀的宇宙中，在“大爆炸”发生之时，宇宙的特性就已经印在了它自身的空间里。

科学的发展过程就是辨别自然界的模式和规律的过程，在这个过程中，越来越多的现象能够被归入普遍性和规律中。理论物理学家旨在将物理定律的本质纳入一组统一的方程或几个数字中。虽然这方面的工作还有很长的路要走，但现在已然成果显著。本书介绍了关于宇宙的六个数，这些数字特别重要，作用很大。其中两个与基本的自然力有关；两个确定了宇宙的大小和整体结构，并决定着它是否会永远存在下去；剩下的两个则确定了空间本身的属性。

●　第一个数字是 N ，宇宙之所以如此浩瀚，就是因为自然界中存在着这个至关重要的巨大数字，它的值等于1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000（10 ³⁶ ）。这个数字是用将原子结合在一起的静电力除以原子之间的引力得到的商。如果 N 后面少几个零，那么只能产生一个寿命短暂的微型宇宙，其中的生物不会长得比昆虫大，也没有足够的时间来进化。

●　第二个数字是 ε ，其值为0.007。 ε 决定了原子核结合的牢固程度以及地球上所有原子的构成方式。它的值控制着来自太阳的能量，而且还更精确地控制着恒星将氢转化为元素周期表中的所有元素的方式。正是发生在恒星内部的种种反应使得碳和氧比比皆是，而金和铀则较为罕见。如果 ε 为0.006或0.008，就不会有生命存在。

●　第三个数字是宇宙常数 Ω ，它表示宇宙中的物质，包括星系、弥散气体和暗物质的数量。 Ω 可以告诉我们宇宙中引力和膨胀能量之间的关系。如果两者之间的比值远远高于特定的“临界值”，那么宇宙早就分崩离析了；如果比值太低，就不会形成星系或者恒星。宇宙的起始膨胀速度似乎经过了精密的调谐。

●　第四个数字是 λ ，它测量的是1998年最大的科学发现：一种从未预料到的新作用力——宇宙的“反引力”。“反引力”控制着宇宙的膨胀，在小于10亿光年的尺度上，我们很难分辨出它的影响。当宇宙变得越来越暗、越来越空时， λ 注定将取代引力和其他力，占据统治地位。幸运的是， λ 非常小（理论物理学家对此感到非常惊讶）。否则，它的作用力将会阻止星系和恒星的形成，宇宙的演化甚至在未开始之前就会被遏制。

●　第五个数字是常数 Q 。所有宇宙结构（恒星、星系和星系团）的种子都铸成于“大爆炸”之中。宇宙的结构取决于常数 Q ，它表示两种基本能量的比值，大小约为1/100 000。如果 Q 比这个值小很多，宇宙将变得死寂而无序；如果 Q 比这个值大很多，宇宙将变得暴力肆虐，由一些巨大的黑洞主宰，恒星或者太阳系根本无法存在。

●　第六个关键数字的存在于多个世纪前已经被证明了，现在我们正用一种新的视角研究它。它就是当前可见宇宙的空间维数 D ，其值为3。如果 D 为2或者4，生命将不复存在。时间虽然是第四维，但与其他维度截然不同，因为它有一个与生俱来的方向：只能“迈向”未来。在黑洞附近，空间极度扭曲，以至于光线沿着圆圈传播，时间也停滞不前。此外，在接近“大爆炸”的时间和微观尺度上，空间将在10维向度上显现出其终极的基本结构：被称为“超弦” 的物质的振动与和谐。

这些数字之间可能存在某些联系。目前，我们还无法从其中一个数字的值中推导出另一个数字的值。我们也不知道是否存在一个包罗万象的理论可以推导出一个公式，将这六个数联系起来，或者能使它们被唯一确定。我之所以强调这六个数，是因为每一个数字都在宇宙中起着至关重要又各不相同的作用，它们共同决定了宇宙的演化方向及其内部潜在的一切。此外，其中的三个数字，也就是与大尺度宇宙有关的三个数字，现在还可以以任意精度对其进行测量。

这六个数组成了构造宇宙的“秘方”，而且它们的值对所构造出的宇宙具有特别精确的影响：如果其中任何一个数字的值“失调”，就不会形成恒星，也就不会有生命出现。这种调谐究竟是一种残酷的现实，还是只是一种巧合，或者出自一位仁慈的造物主的旨意？我认为都不是。在这些数字有着不同赋值和组合的地方，很可能存在无限多个其他宇宙，其中大多数要么夭折，要么是不毛之地。只有在这六个数组合“正确”的宇宙里，人类才得以出现（因此我们能发现自己的存在）。这一认识让我们可以从一个全新的视角出发，去认识当前的宇宙、人类在其中的位置以及相关物理定律的性质。

一个起点如此简单、仅用几个数字就可以决定的宇宙，经过不断变化，就可以演化成当前结构如此复杂的宇宙（只要这些数字经过了适当地调谐），实在令人惊讶。接下来，我们将跨越所有尺度来审视这些结构：从原子到星系。

通过变焦镜头观察宇宙

我们从在几米外为一对男女拍摄的普通照片开始，然后依次拉大距离拍摄相同的场景，每一次拍摄的距离比前一次扩大10倍。第二个镜头显示他们躺在一块草地上；第三个镜头显示他们在一个公园里；第四个镜头显示他们在一些高层建筑之间；接下来是整个城市，再往远处就是一段地平线，从这么高的地方往下看，地平线明显是弯曲的。再过两个镜头，我们就看到了20世纪60年代以来人们熟知的震撼画面：整个地球——大陆、海洋和云层，还有生物圈，看上去就像一个精致的玻璃球，与月球荒芜的地貌形成鲜明对比。

再跳过三个镜头我们就仿佛置身于太阳系，从这张照片可以看出，相比于水星和金星，地球的公转轨道距离更远；下一个镜头将会显示出整个太阳系；往下四个镜头（相当于在几光年之外取景），太阳看起来就是众恒星中的一员，并无特殊之处；再往下三个镜头，我们就能在银河系的扁平圆盘上看到数十亿颗类似的恒星，它们分布在几万光年的范围内；再过三个镜头，银河系看起来就像一个旋涡星系，与仙女星系一样。从更远的地方看，这两个星系又变成了室女星系团外围的数百个星系中的两个。再往下一个镜头，室女星系团本身也变得普通，不过是一个微不足道的星系团。即使我们设想的长焦镜头有哈勃太空望远镜那样的高分辨率，在最后一个镜头中，整个星系也会变成几十亿光年远的一块难以辨认的光斑。

变焦摄影到此结束，我们的视野不再向前延伸了。以几米远的人为拍摄起点，我们需要变焦25次，每一次变焦的距离都扩大10倍，才能达到当前可见宇宙的视界极限。

在同样的情境下，现在我们把镜头朝内推而不是向外拉。在距离拍摄对象不到一米远的地方，我们会看到一只手臂；在用肉眼所能看到的最近处——大约是几厘米远的地方，我们看到了一小块皮肤。下一个镜头将带我们进入精巧的人体组织内部，然后进入单个细胞（我们体内的细胞数量比银河系中恒星的数量多100倍）。接着，在高倍显微镜的极限分辨率下，我们将会看到单个分子的结构：复杂的蛋白质长链和DNA的双螺旋结构。

接下来的拍摄将聚焦在单个原子上。此时，量子的不确定性开始发挥作用：图像的清晰度将受到限制。现实中没有一台显微镜可以探测到原子内部，在那里，有一群电子围绕着带正电荷的原子核运动。不过，我们可以通过研究加速到接近光速的粒子撞击原子时发生的情况，来探测大小是原子核1/100的子结构。这是人类可以直接测量到的最精细的结构。然而，我们怀疑自然界中最基本的结构可能是“超弦”或者“量子泡沫”形式的，它们的体积非常小，小到我们需要再向内变焦17次才能显示出来。

望远镜可以观测到的最远距离比超弦大60个变焦镜头：在我们描绘宇宙的“变焦镜头”中，应该有60幅画面（其中43幅位于我们目前能够观测的范围）。在这些画面中，我们一般能够看到的最多只有9幅画面——从眼睛可以看到的最小事物（约1毫米）到一次洲际飞行跨越的距离。这揭示了一些重要且被我们认为理所当然的事实：宇宙包含了各种各样的尺度，具有各种各样的结构，相比于我们日常感知到的，它既可谓无穷大，也可谓无穷小。

大数字和多尺度

每个人都是由10 ²⁸ ～10 ²⁹ 个原子组成的。从数量上来说，这个“人体尺度”处于原子质量和恒星质量之间。大约与太阳的质量相当，而太阳只不过是银河系中一颗普通的恒星，银河系中约有1 000亿颗恒星。当前可见宇宙中存在的星系数量至少与银河系中的恒星一样多。自然界中有超过10 ⁷⁸ 个原子位于望远镜可观测的范围内。

生物由一层又一层的复杂结构组成。原子结合形成复杂的分子，分子又通过每个细胞中的复杂途径发生各种反应，间接形成相互联系的整体结构，最终形成树木、昆虫以及人类。人类介于宇宙和微观世界之间，大小介于直径十亿米的太阳和直径十亿分之一米的分子之间。事实上，自然界在这个中间尺度上达到最复杂的程度并非偶然。无论位于哪一颗适宜居住的星球上，任何一个超出这个尺度的生物都很容易被破坏或者被引力压碎。

我们总是认为，人类是由微观世界塑造的，因为我们很容易受到长度只有百万分之一米的病毒的攻击，而且微小的DNA双螺旋编码了我们全部的遗传基因。同样，我们也明白自己依赖于太阳及其能量。那么在更大的尺度上，情况又是怎样的呢？即使离我们最近的恒星也要比太阳远几百万倍，而可见宇宙的范围比这个距离还要远10亿倍。为什么太阳系之外还有这么大的空间呢？在本书中，我将会阐述我们与恒星之间的几种联系，从而证明，如果没有宇宙这个大背景，我们就无法理解自己的起源。

亚原子世界的“内部空间”和宇宙的“外层空间”之间的联系非常密切，我们可以通过图1-1中所绘的奥拉波鲁斯环（ouraborus）来了解。据《大英百科全书》记载，奥拉波鲁斯是古埃及和希腊的一种具有象征意义的蛇，它将尾巴咬在嘴中，象征不断地吞噬和重生……它表示的是万物的统一性，包括物质和精神，它们会在一个永恒的破坏和再创造的循环中不断地改变形式，永远不会消失。

图1-1左边代表的是原子和亚原子粒子，也就是所谓的“量子世界”；右边代表的是行星、恒星和星系。本书将着重介绍左边的微观世界和右边的宏观世界之间的一些重要联系。原子及其结合成分子、矿物质和生命细胞的方式决定了我们的现实世界。恒星的发光形式取决于其原子中的原子核，不同星系可以被一大群核内粒子的引力聚集到一起。奥拉波鲁斯环顶部那“饕餮”的蛇头象征着令人匪夷所思的终极结合——宇宙和量子之间的终极结合。

奥拉波鲁斯环中标出的尺度横跨了10 ⁶⁰ ，这个如此巨大的空间是一个充满“生机”的宇宙存在的先决条件。首先，一个空间不够大的宇宙永远不可能演化出复杂的结构层次：它将是缺乏生机的，也不适合居住。其次，一个“有生机”的宇宙还必须具备很长的时间跨度。虽然原子中的有些反应过程只需要十亿分之一秒就能完成，原子核内的反应速度甚至更快，但使胚胎转化为血肉之躯是一个非常复杂的过程，其中包含一系列细胞分裂和相伴而生的分化，而每一个过程都涉及成千上万次分子的复杂重组和复制。而且，只要我们还在进食和呼吸，这些过程就不会停止。事实上，我们的生命只是人类进化过程中的一个世代，而这个世代也只是整个生命总体进化过程中的一个阶段。

宇宙演化过程中呈现出的巨大的时间跨度为我们思考“为什么宇宙如此之大”提供了一个新的视角。在地球上，从生命诞生到进化出人类用了45亿年；在太阳及其行星形成之前，早期的恒星已经将原始的氢转化成了碳、氧和元素周期表上的其他原子，这个过程花费了大约100亿年；当前可见宇宙的大小大约是自“大爆炸”以来光走过的距离，直径在100亿光年左右。

这是一个惊人的结论。初看之下，宇宙的巨大尺度使人类在宇宙体系中显得微不足道，但实际上，这个因素正是人类出现的必要条件。不过，这并不意味着不可能存在一个更小的宇宙，只是说人类不可能存在于这个更小的宇宙中。宇宙中广阔的空间并非是多余的，而是在太阳系形成和人类出现之前，一系列事件漫长、持续发展的结果。

这看上去似乎又倒退回了古代的“人类中心论”，这一观念早被哥白尼的“日心说”推翻了。不过，我们不应该过分强调哥白尼式的“谦虚”。像人类这样的生物需要特殊的条件才能进化出来，因此在某种意义上，我们的观点肯定是不合常规的。宇宙的浩瀚不应该使我们感到惊讶，我们仍然需要对其特征进行更深层次的探究。

我们有望了解宇宙吗

物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）曾断言，直到一个理论的支持者全部死亡，该理论才会被抛弃——科学是在“一个葬礼接着一个葬礼”中进步的。这种观点太愤世嫉俗了。一些长期存在争议的宇宙学问题早已尘埃落定，一些早期的争论已经平息。不过也有许多人经常改变想法，我也是这样。本书中的一些内容曾一度令我感到十分震惊。尽管许多人不会完全赞同我的解释，但我接下来抛出的宇宙学理论已经得到了广泛的认同。

宇宙学理论并不像关于地球历史的理论那样脆弱和易被推翻。地质学家推断，地球上的大陆正在漂移，其速度大约和指甲生长的速度相同，在2亿年前，欧洲和北美洲是连在一起的。尽管我们很难理解如此漫长的时间跨度，但我赞同这个观点。至少在大体上，我们认同地质学家有关生物圈如何演变以及人类如何出现的观点。宇宙环境的一些关键特征现在也得到了可靠数据的支持。关于100亿～150亿年前的那次“大爆炸”，我们得到的证据与地质学家找到的关于地球历史的证据一样可靠。这是一个惊人的转变：我们的祖辈可以毫无阻碍地依据事实来构建理论，而直到不久前，宇宙学看上去也不过是数学推理，毫无事实依据。

几年前，我确信宇宙有90%的可能曾经发生过一次“大爆炸”——当前可见宇宙中的一切都源自一个压缩的火球，这个火球比太阳中心的温度高得多。现在我更加确信这个假设了。20世纪90年代，观测技术和实验设备的巨大进步使广阔的宇宙图景变得日益精细，现在我对“大爆炸”这一事件的确信度提高到了99%。

爱因斯坦曾讲过一句著名的格言：“宇宙最不可理解之处在于它是可以理解的。”他借这句话表达了对以下事实的惊讶：第一是物理定律，那些需要换个角度才能理解的物理定律不仅在地球上适用，在最遥远的星系上也适用。第二是，牛顿告诉我们，使苹果落下的作用力与维持月球和行星运转的作用力相同。我们现在知道，正是这种作用力将星系捆绑在一起，将一些恒星拉进黑洞，并且最终可能导致仙女星系在我们上空坍缩。最遥远星系中的原子与我们在实验室里研究的那些原子具有一个共同的起源。没有这一共同点，宇宙就不会生成。

宇宙学的最新进展促使我们探讨宇宙的起源、支配宇宙的法则，甚至宇宙的最终命运。所有这些谜题都与“大爆炸”发生后的最初几秒钟有关，当时的条件非常极端，以至于相关的物理学都难以理解，但我们想要知道那几秒钟内时间的特性、维度的数量以及物质的起源。在最初的那一瞬间，一切都被压缩到非常高的密度，使宇宙和微观世界相互重叠在一起，就像奥拉波鲁斯环所示的那样。

空间是不能无限分割的，其精巧的结构仍然是一个谜。大多数物理学家怀疑，宇宙在10 ^-33 厘米的尺度上存在粒子性，其大小是原子核的1/10 ²⁰ ，就像“变焦镜头”所描述的那样，这一比例相当于从原子核大小增大到一个大型城市的大小。在这个尺度上，我们会遇到一个阻碍，即使还存在更小的结构，它们也超越了我们对空间和时间的认知。

最大尺度下的情况又是怎样的呢？自“大爆炸”以来的大约100亿年里，有没有一些星球发出的光还没来得及传播到地球上？显然，对于这个问题，我们还没有找到直接的证据。宇宙的大小以及遥远未来可能出现的事物不存在理论上的界限（在空间和未来的时间方面）。宇宙的延伸范围可能不只是目前的数百万倍，而是10的数百万次方倍，甚至比这还要大。宇宙远远超出了我们目前的视野，而且它本身可能只是无限集合中的一员，这也是“多元宇宙”这个概念的含义，尽管它只是一个推测，但也是当前宇宙学理论的自然延伸。这个概念之所以被认可，是因为它解释了我们观察到的一些现象。其他宇宙中的物理定律和几何学可能会有所不同，而这个不同给我们提供了一个新的视角，来审视本书描述的六个数所包含的看似特别的取值。 UQ4SRPt5tt0Q6SUGalGZ4ywBrLeXsLO3WN6LIm2CdqlSxOAz7yteldDSoCk22LCp