互动科普

我们人类存在至今，可说是无数的幸运所叠加的结果。

比如，很多人都听说过地球被称为“奇迹的行星”。还有，支配宇宙的物理法则哪怕有一点不同，人类也很有可能无法诞生。

但无论使适合智慧生命诞生的条件齐备是怎样的奇迹，认为“只不过是恰好满足了这样的条件”，大概也是一个使我们不再困扰于这个问题的选项。

而另一方面，也有人认为这世间万事万物的存在都有理由，并希望彻底解答这个问题。特别是在粒子物理学家中，抱有这种想法的人很多。他们认为，在被称为“万物理论”的终极理论完成之时，世上的一切都将被阐明，而宇宙对人类来说如此适合并非“偶然”而是“必然”，其理由也将能够得到说明。这可以说是物理学上经典的“正统”想法。但是能够说明一切的终极理论究竟存在与否，也尚未可知。

“全部都用偶然来解释太粗糙了，而另一方面，要等待连是否存在都还不知道的终极理论的完成，又不知道要到何年何月。”这样想的人，选择了“人择原理”这个选项。

人择原理的观点是：“我们的宇宙既然是人类所存在的宇宙，那么这些适合人类存在的偶然和幸运便是理所当然的。”这种观点在20世纪后半叶被人提出，美国物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke，1916～1997）等人基于这种观点展开了讨论。

可能很多人会觉得人择原理这样的说法不清不楚。也有人会这样认为吧：人择原理不过是说着理所当然的事，实际上跟没有做任何说明一样。

地球与太阳系的幸运

要理解人择原理的含义，首先要了解地球和宇宙是多么适宜人类的生存。我们来看几个具体的例子。

身边的例子就是，我们所处的地球，处在距离太阳绝佳的位置上。液态水是生命的诞生所必不可少的。而要使行星中存在液态水，这颗行星与其中心恒星（如地球与太阳）的距离则是重要的因素。

距离太阳太近的话，即使行星上存在水，也都会蒸发为气体。这样就无法产生生命。反之，如果行星距离太阳太远，其表面上的水就会被冻住。这对生命来说也是极为严苛的环境。即便地热等热源将冰层的下部融化使液态水得以存在，微生物的诞生虽然成为可能，但生物要进化到智慧生命则依然相当困难。

在恒星周围，行星中的水能够以液态存在的区域被称为“宜居带”。对太阳系来说，以太阳到地球的距离为1个单位，宜居带则仅存在于约0.95～1.15个单位的非常狭窄的范围内。

太阳系的8个行星中，最外侧的海王星距太阳的距离，是太阳和地球间距离的30倍。可以发现，相对于行星分布的范围，宜居带非常狭窄。不知为何，地球就处于这个狭窄的区域当中。

地球的大小也是幸运

再介绍一个地球的幸运之处吧，那就是地球的大小也“刚刚好”。假如地球的直径仅有真实情况的一半，那么估计现在地球上的水很可能已经全部消失。

这是因为，行星大气中的水蒸气会与大气一同被从太阳发射出的高速粒子流（太阳风）剥离。行星的引力越强，水蒸气消失的速度就越慢。而行星越小，其引力就越弱，水蒸气消失的速度就会增加。水蒸气减少的话，海洋就会蒸发相当分量的水分。其结果就是，随着水蒸气持续减少，海洋越来越小（液态水越来越少）。

在长达约46亿年的地球历史中，我们人类（智人）的诞生是发生在短短数十万年前。如果地球的直径仅有其一半大小（与火星差不多），地球的液态水将无法维持46亿年，而会几乎彻底消失。这种情况下，人类的诞生是根本不可能的。

图1. 地球大小与水的关系

行星中如果存在液态水，其中一部分就会转变为水蒸气混合于大气中。若行星的尺寸变小，其引力也会减小，大气和其中的水蒸气就更容易损失。根据计算，若地球直径仅为实际情况的一半，则在其诞生后46亿年的现在，地球上的水已经全部消失。幸而地球比较大，我们人类才得以诞生。

月球的存在，木星和土星，以及太阳的寿命

这种幸运，其实在其他方面也有很多。地球的卫星月球的直径约为地球的1/4。在太阳系中，拥有如此大比例尺寸的卫星的行星，仅有地球。

幸亏有月球这颗巨大的卫星，使得地球自转轴的摇摆能够维持在很小的角度内。如果自转轴过于摇摆不定，行星的气候会产生巨大的变化，使得环境对生命来说过于残酷。如果没有这样巨大的月球，地球上也无法诞生人类。

太阳系中，仅有两个气态巨行星（木星和土星），这也是个大幸事。如果这样的气态巨行星有三个，它们彼此间强大的引力就会互相影响，很有可能会剧烈扰乱公转轨道。这样，地球的公转轨道也会被大幅扰动，甚至在有些情况下会出现地球被放逐到太阳系外的可能。

太阳的寿命在恒星中比较长，也是一种幸运。恒星的寿命由其质量来决定，越重的恒星，寿命越短。假如太阳的质量为其实际质量的两倍，那么其寿命就会仅有十几亿至20亿年。那么，人类还远在诞生之前，就丧失了适宜居住的地球环境。

仅凭这里举出的例子，我们就能清楚地了解到，若干幸运的叠加才促成了人类的诞生。你渐渐开始觉得我们人类的存在是多么不可思议了吧？

宇宙本身也充满幸运

到这里为止介绍的幸运都是关于地球（或太阳系）的。对于这些幸运，要以一句“广阔的宇宙中当然存在这样的概率”来说明也是可能的。但另一方面，人们发现就连宇宙本身，也充满了奇迹般的幸运。

这里所说的宇宙本身的幸运，和物理法则以及在物理法则公式中登场的数值，即物理常数有关。下面让我们具体地举几个例子。

碳合成的困难

首先要介绍的是宇宙中碳元素的存在。生命体中的不同部分都要用到碳，碳对地球上的生命来说是必不可缺的元素。但如果物理法则和物理常数与实际有稍微的差异，碳元素可能就不会在宇宙中存在了。

宇宙中的元素，一开始存在的比例和现在并不相同。在约138亿年前的“大爆炸”之后，宇宙仅由氢和少量的氦组成。一般来说，元素会经由原子核之间碰撞、结合的“核聚变反应”，向更重的元素转化。比氢和氦更重的元素的合成，是在恒星内部等环境中进行的。

原子核由质子和中子结合而成。氦的原子核中有2个质子和2个中子。碳的原子核中则有6个质子。如果在恒星内部有3个氦的原子核同时碰撞并结合，拥有6个质子和6个中子的碳原子核应该就能够产生。但是事情并没有这么简单。非常了解人择原理的须藤靖博士（日本东京大学大学院物理学系教授）这样描述：“和让正在人群中行走的3个人同时撞在一起一样，3个氦原子核同时碰撞的概率非常低。”

那么，首先由2个氦原子核碰撞并聚变产生4个质子、4个中子的铍，之后再去接近1个氦原子核又如何呢。虽说如此，但4个质子与4个中子构成的铍原子核非常不稳定，寿命很短。在3个氦原子核结合产生碳原子核之前，铍原子核可能就已经破坏了。如果没有碳，就无法形成更重的元素，元素合成的一系列故事也就完全无法进行下去了。

要回避这个问题，就得使出让碳合成变得容易的“秘技”了。这个“秘技”就是碳原子核的“共振状态”。共振状态，指的是要结合的原子核互相围绕在各自周围的状态。如果碳原子核（6个质子、6个中子）满足了共振状态，本来发生概率非常低的“铍+氦→碳”的反应就能够进行。但这里忽略了碳原子核达到这种共振状态的可能性有多大。

碳既存在，就应有其合成的方法

人择原理在解决这个问题上颇有帮助。英国的天文学和物理学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle，1915～2001）以现实宇宙中碳元素的存在本身作为依据，预测了碳原子核中这种共振状态的存在。这正是人择原理的表现。霍伊尔为了通过实验证明碳原子核的共振状态而四处游说原子核研究者。后来正如他所预言的，满足条件的碳原子核的共振状态被发现，从而解决了碳元素之谜。这种碳原子核的合成过程，因为是3个α粒子（氦原子核）的聚变反应，因此被称为“3α反应”。

重要的是，3α反应需要非常绝妙的平衡才能够进行。结合原子核中的质子和中子的“核力”（强力），如果比现在宇宙中的数值再稍微强或弱仅仅1%，就无法发生3α反应。

但是为什么核力的大小正是现在宇宙中的数值呢？这一点现在物理学还无法解释。我们所了解的是，核力的强弱，恰好被精细调节（fine tuning）到了适合人类存在的程度。

图2. 碳合成的3α反应是什么？

这个反应中重要的一点是，共振状态的碳原子核的能量比铍原子核和氦原子核合计的能量还要稍高一点。在高温环境下，铍原子核与氦原子核的能量稍微提高，两者的合计能量值就能够和碳原子核共振状态的能量相一致，从而合成共振状态的碳原子核。另外，碳原子核与氦原子核的能量和，比氧原子核的能量还高这一点，这也可以说是绝妙的微调。多亏了这一点，“好不容易形成的碳原子核几乎都变成了氧原子核”的情况才得以避免。

物理法则与物理常数的绝妙平衡

这样的例子不胜枚举。自然界存在的4种基本力（强力、弱力、电磁力、引力）中，方才登场的强力若稍微强一点，形成的宇宙就会存在现在宇宙中并不可能产生的“2个质子、0个中子的氦原子核”。这种情况下，在大爆炸阶段，几乎所有的氢原子核就已经变成了氦原子核，成为没有氢存在的宇宙。这样的宇宙中是不可能有水存在的。反之，如果强力稍微弱一点，氦原子核就无法合成，比它更重的元素也不能产生，宇宙中就变得只有氢元素了。无论是哪种情况，人类都无法存在。

但是，如果引发使中子变成质子的β衰变等现象的弱力比实际宇宙中的更强的话，几乎所有的中子就都会变成质子（氢原子核）了。或者，在电磁力更强的宇宙中，质子间的电斥力就会使原子核更加容易破坏，无法产生更重的元素。而在电磁力更弱的情况下，形成化学键的电场力也会变弱，众多分子可能将无法形成。

更进一步，如果宇宙实际的引力更强，恒星内部的密度就更高，核聚变反应便越活跃，从而使恒星的寿命缩短。如果是这样，到智慧生命诞生时，还在闪耀的恒星数目将大幅减少。

正如这样，我们宇宙中的物理法则和物理常数，简直是为了孕育我们人类而经过了绝妙的精细调节。

10的120次方分之1的惊人微调

一个最有代表性的精细调节的例子，就是影响宇宙膨胀速度的“宇宙学常数”。现在，我们的宇宙还在继续膨胀，而且观测已经表明膨胀是在加速进行的。是什么使宇宙加速膨胀还不清楚（被称为暗能量），但“真空能”是一个有力的候补。通过理论计算得出的真空能的数值，和通过宇宙加速膨胀的实际观测结果所推算出的宇宙常数相比较，与预期的结果并不一致，出现了让人绝望的偏差。根据观测结果所求得的数值比理论计算值要小120个量级。这种理论和观测的不一致程度，简直是物理学史上绝无仅有的。

两者之比用分数来表示就是10的120次方分之1（分母为1后面接120个0），无限接近于0。虽然接近0，但并不是0，这一点很关键。现实宇宙中的宇宙学常数，仅剩下了10的120次方分之1。“如果干脆是0的话还有修正理论的可能，但对为什么会仅仅剩余这么一丁点的微调，或者说这在我们的宇宙中是如何发生的，实在无法想象。”须藤博士表示。

顺带一提，宇宙学常数的数值稍微大一点，宇宙的膨胀速度就会变得过大，使宇宙呈现低密度的状态，恒星和星系都无法存在。这样的宇宙当然是不可能有人类存在的。姑且不论人择原理的对错，宇宙确实满足了适合人类存在的条件这一点，是确定无疑的。

（本文发表于《科学世界》2016年第11期）