碳巧合

20 世纪下半叶，随着人们对宇宙的深入理解，这些巧合才可能被人们理解。正如我们所见，现在有大量证据表明，我们周围的可见宇宙起源于大约 137 亿年前的一个炙热的高密度火球——俗称大爆炸。从那时起，宇宙就在不断地膨胀和冷却，但在膨胀的宇宙中，气体云被引力拉到一起形成恒星和星系。形成恒星和星系——连同行星和人——的物质处于 暗物质 的海洋中，只有通过引力才能探测到暗物质，而暗物质正是通过引力把物质拉扯到一起的。关于暗物质和宇宙，我可以详尽地给大家介绍，但它们与此处要介绍的这两种巧合关系不大。事实上，当霍伊尔和迪克关注这两种巧合的时候，他们谁都没有意识到暗物质的存在。

我们是由原子构成的，原子本身是由质子、中子（位于原子中心的原子核中相对较重的粒子）和电子（在此处可以把电子视为位于原子外层的相对较轻的“粒子”）构成的。为了把原子和暗物质区分开，人们经常把原子称为 重子物质 。通过观测大爆炸遗留下来的辐射（宇宙背景辐射），并将观测结果与理论计算比较，我们发现，形成于宇宙大爆炸的重子物质，几乎完全是以两种最简单的 原子元素 的形式出现的，它们是氢和氦。其中约 75%是氢，每个氢原子由一个质子和一个电子构成；25%是氦，每个氦原子的原子核中有 2 个质子和 2 个中子，每个氦原子的外层中有 2 个电子。对那些宇宙形成初期诞生的最古老星球进行光谱分析后，人们证实了这一观点。所有其他元素都是通过核聚变过程，在恒星内部形成的，而随着恒星的老化与消亡，这些元素会扩散到宇宙空间中，从而为星球的更新换代提供原材料，最终，会形成像地球一样的行星。这是一个缓慢的过程。即使在今天，那些 重元素 ——除了氢和氦以外的所有元素——占宇宙中重子物质总量还不到 2%。正是这一小部分重元素使得行星和人的存在成为可能。但是，我们太阳系的大部分质量位于太阳内部，其形式仍以氢和氦为主。

对生命来说，有四种化学元素是至关重要的，它们是：氢、碳、氧和氮。在霍伊尔的人择理论中谈到了其中两种元素：碳和氧。

重元素在恒星内部形成的主要途径是氦原子核互相结合，逐渐形成越来越大的原子核。例如，一个碳原子核包含 6 个质子和 6 个中子，基本上是由 3 个氦原子核（每个氦原子核中包含 2 个质子和 2 个中子）结合在一起形成的；氧原子核包含 8 个质子和 8 个电子，基本上是由 4 个氦原子核结合在一起形成的——而且，更值得注意的是，在一个碳原子核上添加一个氦原子核就会形成一个氧原子核。其他类似的过程会把一些以这种方式形成的重原子核转换成其他元素的原子核，而对于我们来说，想要看出这些元素的原子核是否由氦原子核形成，却并非易事，但这些细节在此处无关紧要。重要的是，整个过程从一开始就遇到了瓶颈。

碳究竟来自何处？你可能会认为把氦原子核添加到周期表中的下一个元素——铍的原子核（铍原子核包含 4 个质子和 4 个中子）上，就会形成碳。但铍原子核——把 2 个氦原子核结合在一起就会形成铍原子核——极不稳定，它几乎一形成，就会破裂。如果在一颗恒星内部，2个氦原子核真的碰巧发生了互相碰撞，并结合在一起，从而形成了铍原子核，可能还会有时间让第三个氦原子核与这个铍原子核发生碰撞；但在 20 世纪 50 年代早期看来，更有可能发生的事似乎是，第三个氦原子核与铍原子核发生碰撞时，会将不稳定的铍原子核撞碎，而不是使这三个氦原子核相互结合，从而形成碳原子核。如果没有碳，就没有氧气，也就没有其他重元素。进而也就不会有生命——更明确地说，就不会有像我们这样以碳为基础的生命形式。

弗雷德·霍伊尔的理由是，正因为我们存在，所以在这个核聚变瓶颈中，肯定存在一种方式使氦原子核相互结合，形成了碳原子核。1954年，他想出了一个由氦转化成碳的可能方式。这种转化取决于一种可能性，即碳原子核可能存在于所谓的“ 激发态 ”中，这种激发态的能量与一个铍原子核和一个氦原子核的能量产生“共振”。只有存在这个事实，才能使我们推断出有共振，除此之外，再无其他理由可以推测出共振的存在。正是因为碳存在于我们的宇宙中，霍伊尔说，所以，其原子核一定是以正确的方式发生了共振。

这种共振有点像是用一根吉他弦演奏不同的音符。这根弦演奏的最基本的音符会产生最低音符，称为 基音 ，但用同一根弦也有可能 演奏 泛音 。一根琴弦不能演奏每一种音符，它只能演奏基音的各种泛音。原子核同样如此，它自身的能量是确定的，它不能存在于任何大小不同的能量中。但它可以吸收能量，或许可以从一个伽马射线的冲击中吸收能量，从而在短时间内处于“激发态”中，这段时间过后，它会释放多余的能量，从而回落至最低能级，此处称为“基态”（ground state）。如同泛音一样，只有当适量的能量进入原子核，并使其跳转到一种可能的激发态中，这一过程才能实现。同样，如果把一把吉他放在扩音器旁边，有人弹奏了一个音符，这个音符通过扩音器放大，成为一个响亮的音符，如果这个音符的波长合适的话，吉他的一根或很多根弦都会随着这个音符一起震动——就会发生共振。

物理学家用电子伏特（eV）或其倍数，如兆电子伏特（MeV），来度量能量。1954 年，他们已经知道，一个铍原子核和一个氦原子核相结合，所需能量为 7.3667 兆电子伏特。霍伊尔认为，一定存在一种碳的激发 能量级 ，这种能量级要比 7.3667 兆电子伏特高一点，只有这样才能使进来的氦原子核的 动能 适量地超出总能量，从而产生共振。如果真是这样的话，进来的氦原子核就不会把不稳定的铍原子核撞裂，它会形成一个激发的碳原子核，随后，碳原子核就会按照通常的方式，将多余的能量辐射出去，最后进入到基态。

霍伊尔把他的这种设想告诉了实验物理学家，他们几乎当面就开始嘲笑他。他对原子核性质的预测，是以我们的存在为前提的，因为我们存在，所以原子核必须具备必要的性质，这种想法看上去太荒唐可笑了。但他说服了这些实验物理学家，使他们愿意对碳原子核进行必要的实验。做完实验后，这些实验物理学家发现，他们得到的激发能级为7.6549 兆电子伏，而这一能级刚好高于氦和铍相结合所得到的能级，从而可以引发共振。让我们扩展一下刚才所做的音乐类比，后来人们通过计算发现，核相互作用必须“调音”到 0.5%的精确值，才会产生共振。

这还不是全部。正如我在前文所说，氧原子核是通过恒星内部氦原子核与碳原子核的相互结合产生的。因为碳原子核是稳定的，而且它们在恒星内部形成了很长一段时间，如果这一进程以同样的方式发生共振，所有的碳将迅速转化成氧。当这一过程发生的时候，一个碳原子核和一个氦原子核相结合需要的能量为 7.1616 兆电子伏。一个氧原子核的激发能级是 7.1187 兆电子伏，这一能级太低了，以至于不会发生共振。如果你再加上进来的氦原子核的动能，这一差距还会略有增加。在这种情况下，共振是不可能发生的——但共振的产生只不过就差那么一点点能级。

这是一对非同寻常的巧合。如果激发的碳能级稍微低一点，宇宙中就没有碳，因为碳不能被制造出来。如果氧能级稍微高一点，宇宙中也没有碳，因为所有的碳都会转化成氧。无论是哪种情况，像我们这样以碳为基础的生命形式都不会存在。用霍伊尔自己的话说：

（一种）观点认为，正在探讨的数字中的一些数字，如果不是全部数字的话，是有 涨落 的，这种观点还认为在宇宙的其他地方这些数字的数值会有所不同。我赞成（这种）观点……令人好奇的是，在C ¹² 和O ¹⁶ 中放置的能级，数值刚刚好。这可能仅仅是由于像我们这样的生物依赖碳和氧之间的平衡，我们仅仅能存在于宇宙中的某些部分中，在这些部分中，这些能级碰巧是这样的数值。 ^〔1〕

但是，霍伊尔并非只提出了这一种观点。他还表示，如果换个视角，“就物理定律在星球内部所产生的影响来看，物理定律好像是被故意设计出来的”。而且，他还认为，对于他来说，宇宙是预先设计好的。1965 年，通过假设存在一个设计者，来解释碳和氧原子核的能级，对于很多物理学家来说似乎有些极端；但是，正如我将在第七章探讨的那样，今天这样做看起来似乎不再像以前那么极端了。 LNPklDY8vhhJWwsU5AKIoNfnqNgMB3gxt6DjRO9Bh3Xre2TxMtOjlUgk2mGanUbp