TITLE: 第七章 The Apparent Miracle, 乍看下的奇蹟 AUTHOR: QUENCY DATE: 07/16/2015 10:11:11 PM CATEGORY: 大設計 STATUS: publish ---- BODY:
第七章 The Apparent Miracle, 乍看下的奇蹟
傳說在中國夏朝時天上突然發生劇變，出現了十個太陽。地上的人們飽受炙熱煎熬，所以皇帝命令神射手后羿將多餘的九個太陽射下，並賞賜他一種長生不老的藥。但是后羿的妻子嫦娥偷偷將藥服下，犯下滔天大罪而被放逐到月亮上。
中國人覺得一個太陽系裡擁有十個太陽，對於人類生命並不適合的看法相當正確。今日我們知道，當任何太陽系裡出現多個太陽時，雖然做日光浴的機會十分充足，但恐怕永遠無法允許生命發展。不過理由不像中國人傳說中炙熱苦痛那般簡單，事實上，行星繞行多顆恆星時，至少有短暫的時間可享受到適宜的溫度，但是生命發展所需的長時期均勻熱度，在這種情況下卻是不可能的。要了解箇中理由，可看看最簡單的多重恆星系統，也就是有兩個太陽的雙星系統。天空中約有一半的恆星屬於這類系統，但縱使是簡單的雙星系統也只能維持某幾種穩定軌道，如下圖所示。在這些軌道中，都可能有一段時間內行星會太熱或太冷而無法維持生命，若是有許多恆星的星團，情況會更糟糕。
我們的太陽系還有其他「幸運」旳特質，而如果沒有這些特質，恐怕永遠不可能演化出複雜的生命型態。例如，牛頓定律允許行星軌道可以是圓形或橢圓形；橢圓是扁圓形，壓扁的程度以橢圓率表示，數值介於零到一間。其數值接近零時，代表橢圓接近正圓形；數值接近一時，代表橢圓極為扁平。克卜勒對行星軌道並非正圓形一事感到沮喪，但是地球軌道的橢圓率只有百分之二而已，已相當接近正圓形，結果這真是萬幸的事情。
地球上季節氣候的變化模式，主要是由地球自轉軸相對於公轉面的傾斜程度所決定。例如，在北半球冬季時北極會傾斜遠離太陽，雖然這時候地球最靠近太陽，只相距九千四百五十萬哩遠，但是距離遠近相效於傾斜程度來說，對於溫度的影響可忽略不計。不過，如果行星軌道的橢圓率很大，則行星距離太陽遠近會造成更重要的影響。例如，水星的橢圓率為百分之二十，結果在近日點的溫度會比在遠日點高出攝氐溫度90度以上。事實上，如果地球軌道的橢圓率接近一，那麼離太陽最近時海水會沸騰，離太陽最遠時海水會結凍，讓暑假和寒假都很不好過。所以，過大的軌道橢圓率對生命毫無助益，我們很幸運擁有一顆軌道橢圓率接近零的行星。
另外，在太陽質量與相距地球間的關係上，我們也十分幸運，因為恆星的質量會決定發出多強的能量。恆星最大者質量約為太陽百倍，最小者約輕百倍，再以地球和太陽的距離來看，若是太陽比現在輕百分之二十，那麼地球會比現在的火星更冷；若重百分之二十，則會比現在的金星更熱。
傳統上，科學家在恆星附近定義出一個適合居住的狹窄區域，其溫度可容許液態水的存在。這個適合居住的區域有時候稱為「哥蒂拉克區」（Goldilocks zone），因為液態水存在的要求意味著正如哥蒂拉克的故事一樣，智慧生命發展需要行星溫度「恰到好處」。太陽系中適合居住的區域非常小，但是我們這些智慧生命真是幸運，因為地球正好落在其中呢！
QUENCY註：哥蒂拉克（Goldilocks）是童話故事哥蒂拉克小女孩和三隻熊（Goldilocks and the Three Bears）的女主角。
牛頓相信，我們這個可居住的獨特太陽系並不是「純粹依自然法則由混沌中產生」，相反地，他主張宇宙秩序是「最初由上帝創造並保留至今，維持相同的狀態與情況。」了解為何有這種想法很容易，因為讓人類能夠存在以及這個世界適合人居的設計，一切都得靠眾多不可能的事情共同配合發生才行。如果我們是宇宙中獨一無二的太陽系，肯定會讓人覺得必有蹊蹺。但是在1992年，實驗觀察首次發現有另一顆行星繞行別的恆星運轉，如今已經知道數以百計這樣的行星存在，無庸置疑在宇宙數十億恆星間還有數不盡的行星存在。讓發生在地球上的諸多巧合，例如一個太陽、相距太陽距離與太陽質量的幸運組合等等，都不再顯得那麼稀奇了，也不再是有力的證據，可支持地球是經仔細設計來滿足人類的想法各式各樣的行星都存在，有些（至少有一個）可支持生命存在。顯然在一顆支持生命的行星上，當那裡的生物檢視周遭世界時，也會覺得自己的環境正好滿足自己存在所必需的各項條件。
最後一段話可以化為一項科學原則：我們自身的存在，使我們只可能在某時某地觀察宇宙。也就是說，我們存在的事實會限制我們發現自身所處環境的類型與特性，這稱為「弱人擇原理」（weak anthropic principle）。另一個比「人擇原理」更好的名稱是「選擇原理」，因為這個原則指出，我們對自己存在的認識會對觀測結果加諸限制，所有可能的環境中只選擇那些具備允許生命特質的環境。
雖然弱人擇原理聽起來含有哲學意味，但是可以用來做科學預測，例如宇宙年齡有多大的問題。人類要存在，宇宙必須含有碳等元素。碳是在恆星內部燃燒較輕的元素所產生，接著碳在超新星爆炸時必須飛散到太空，最後在新一代的太陽系中凝聚成為行星的一部分。1961年時，物理學家迪奇（Robert Dicke）主張這個程序大約要花一百億年，所以我們能站在這裡，表示宇宙至少有一百億年了。但是另一方面，宇宙也不可能超過一百億年太多，因為在很久的將來恆星的燃料將會消耗殆盡，而我們需要發光發熱的恆星才能維續生命，因此宇宙必定是一百億年左右。雖然迪奇的估計不是十分準確，但離事實不遠，因為根據現今的資料，大霹靂約發生在137億年前左右。
正如估計宇宙年齡的情況一樣，人擇原理的預測通常只對特定物理參數值給予一個範圍，而不是不明確指出。這是因為人類的存在往往不需要特定的一個物理參數值，不過卻需要這個值和實際發現值差距不太遠。我們更進一步期待這個世界的實際狀況，是人擇原理容許範圍內的典型表現。例如，如果橢圓率在零到零點五間是容許生命的範圍。那麼擁有零點一的橢圓率應該不會太令人驚訝，因為宇宙間有相當比率的行星擁有這般小的橢圓率。然而，如果地球的軌道極為接近正圓形，也就是說橢圓率只有0.00000000001，這會讓地球成為一顆極為特別的行星，激發我們想尋求解釋，知道自己為何住在如此不尋常的家園裡。這項想法，有時稱為平庸原理。
關於行星軌道的形狀與太陽的質量等等幸運巧合的事情，皆稱為環境因素，因為都是從環境中意外產生，而非處於自然基本法則中的隨機性。宇宙年齡也是一項環境因素，因為宇宙歷史中有過去有未來，但是我們必須出現在這個時代，因為這是唯一適合生命的時代。環境巧合很容易理解，因為我們的世界只是宇宙眾多可居地之一，而我們當然必須出現在支持生命的地方。
弱人擇原理的爭議性不大，至於本書要倡導的強人擇原理，卻受到部份物理學家鄙視。強人擇原理指出，我們存在的事實不僅對我們的環境加諸限制，同時也對自然法則本身的形式和內容加諸限制。這個想法會出現，是因為不僅太陽系獨特的特徵對於人類生命發展出奇地有利，而且整個宇宙的基本特性也是如此，那就更難解釋了。
究竟含有氫、氦和少許鋰的原始宇宙，如何演化到一個宇宙裡面至少有一個世界容許像我們這樣的智慧生命生存？這個故事足以寫一本書。前面提到，自然作用力的運作方式，讓較重的元素（特別是碳）能夠自原始元素中產生，並且至少保持數十億年的穩定。這些重元素是在如火爐般的恆星內部形成，所以物理作用力首先要容許恆星與星系形成。而早期宇宙幾乎完全均勻，但慶幸的是宇宙密度約有十萬分之一的起伏變化，些微的不均勻形成種子，產生了恆星與星系。然而，恆星的存在和內部具有可構成我們的元素，尚不足以造成生命，宇宙動力學運作方式必須讓某些恆星最後產生爆炸，而且爆炸方式要較重的元素散布到太空裡。除此之外，自然法則必須令殘餘物質重新凝聚形成新一代的恆星，而被先前恆星抛出來的重元素結合成為行星，行星又環繞恆星存在。正如同地球上必須發生特定事件才能讓生命發展，同樣地這道連鎖反應的每個鏈結對於我們的存在也屬必要。但對於產生宇宙演化的事件來說，這種發展是受到自然基本作用間的平衡所支配，而作用力間的交互作用要正確，才能讓我們存在。
首先認識到生命可能牽涉到相當程度的隨機性的人，是1950年代的霍伊爾。霍伊爾相信所有化學元素都是源自於氫，他認為氫是真正原始的物質。氫具有最簡單的原子核，是由一個質子單獨組成，或搭配一到兩個中子組成。（當元素的原子核內具有相同數目的質子，但擁有不同數目的中子，稱為同位素。）如今知道氦與鋰也都是最初合成的元素，只是數量較少，在宇宙才剛誔生二百秒時合成。另一方面，生命需要更複雜的元素，其中以碳元素最為重要，是所有有機化學的基礎。
雖然或許可以想像智慧電腦用非碳元素（如矽）創造出「活著」的有機體，但生命在缺乏碳的情況下能自發演化出來卻很令人懷疑。這裡涉及技術性理由，與碳元素和其他元素獨特的鏈結方式有關。而且，二氧化碳在室溫下是氣體，在生物學上非常有用。雖然矽在週期表中位於碳的正下方，具有相似的化學特質，然而二氧化矽（石英）雖然是好的礦石收集目標，卻對有機體的肺部沒有用。或許，真有生命形態可以靠矽維生與演化，並在阿摩尼亞池子裡拍打扭動尾巴，但即便是這種怪物，也不能只靠宇宙最初的元素演化，因為初生元素僅能形成兩種穩定的化合物，一是無色晶體的氫化鋰，一是氫氣，但兩者都不可能複製或甚至相愛。而且，我們是由碳組成的生命形態，這項事實依然存在。所以問題來了：究竟碳（其原子核含有六個質子）與人體內其他重要元素是如何創造出來呢？
第一步是成年的恆星開始累積氦元素，這是由兩個氫核碰撞產生核融合而成，而核融合是恆星創造能量溫暖我們的方法。接著，兩個氦原子碰撞形成鈹，鈹原子核含有四個質子。一旦鈹形成後，原則上可以再與第三個氦融合而形成碳，但實際不然，因為兩個氦核所形成的同位素幾乎會立刻衰變回氦核。
當恆星即將用盡氫時，情況會發生變化，恆星的核心會崩塌，直到中心溫度上升到凱氐溫度一億度。在這種狀況下，原子核碰撞的機會更頻繁，讓有些鈹核還來不及衰變便與另一個氦核碰撞，兩者便能發生核融合而形成碳的穩定同位素。但是這樣的碳元素離高階化合生物，例如能夠品嚐波爾多紅酒、表演抛接火球或是追尋宇宙大哉問等等的人類，還是遙不可及。要讓這等生物存在，碳元素必須從恆星內部釋放到較友善的環境中，這必須要等到恆星在生命盡頭爆炸成為超新星，將碳等重元素抛出，日後凝聚成為行星才有可能。
碳生成的過程稱為3α(alpha)過程，因為牽涉到的同位素氦核別名為「α粒子」，而整個過程總計需要三個粒子融合才行。一般的物理學預測，經由3α過程產生碳的機率應該相當小，霍依爾注意到這點，於1952年預測鈹核和氦核的總能量必須幾乎等於所形成的碳同位素的某個量子能階，這種情形稱為共振，可大幅提高核反應比率。當時並不知碳存在這個能階，後來加州理工學院的福勒（William Fowler）根據霍依爾的假設進行研究，終於發現此一能階，對於霍依爾在如何創造複雜原子核的觀點提供了重要的佐證。
霍伊爾寫道：「我相信任何檢視這些證據的科學家都會推出同樣的結論，肯定核子物理法則係對於恆星內部核反應所特別設計的。」當時，人們對核子物理知識有限，所以無法了解這些精確的物理法則會產生強大的隨機性。但近年來物理學家在檢視強人擇原理的有效性的時候，開始自問：如果自然法則有所不同，那麼宇宙將是何種面貌呢？今日可以建立電腦模型，得知在不同強度的自然基本作用力下，3α反應的速度為何。結果計算顯示，只要強作用的強度改變百分之零點五，或是電磁作用力的強度改變百分之四的話，將會幾近摧毀每顆恆星裡全部的碳原子或氧原子，連帶也摧毀了生命產生的希望。可以說，只要稍稍改變宇宙的規則，我們存在的條件就會消失殆盡了。
我們可以系統地變更物理理論，檢視模擬宇宙來研究物理法則產生的效果。結果發現，不僅強作用力和電磁力簡直是為我們量身打造，物理理論中大部分的常數也顯得「十分宜人」，因為只要稍加改變，宇宙本質就會截然不同，在許多情況中變得不適合生命發展。例如，如果弱作用力更加微弱，那麼早期宇宙中所有氫原子都會變成氦，也就不會出現正常的恆星了。而弱作用力如果變得更強，那麼爆炸的超新星將無法推開外層，也就無法在星際間撒滿重元素的種子，幫助行星讓生命開花結果。如果質子比現值重百分之零點二，將會衰變成為中子，原子就變得不穩定。如果組成質子的夸克總質量改變百分之十，組成我們穩定的原子核將大幅減少；事實上，夸克的總質量幾乎是讓最高數目的穩定原子核得以存在的最佳值。
如果行星必須持在穩定的軌道上長逹數億年之久，生命才得以發展演化，那麼顯然現今空間維度的數目也是為我們的存在而設。因為根據重力法則，只有三維空間中才可能有穩定的橢圓軌道，雖然在其他維度中正圓形軌道也有可能，但是正如牛頓所擔心這種軌道並不穩定。如果不是三維空間，縱使是微小的擾動（如其他行星的引力）也會讓行星脫離圓形軌道，因而靠近太陽或遠離太陽，讓我們烤焦或凍死。另一方面，如果空間維度超過三個，兩個物體間的重力作用會比原先減少的更快。距離為兩倍時，在三維空間重力作用會減為四分之一，在四維空間會減少為八分之一，在五維空將減少為十六分之一，依此類推。結果在超過三個維度時，太陽內部的壓力會無法與重力的拉力產生平衡，使得太陽無法保持穩定的狀態，可能會炸得粉碎或崩塌而形成黑洞，不管如何都會毀了我們舒服的生活。在原子尺度上，電作用力的情況和重力相同，也就是原子的電子會逃離或墜入原子核內，無論如何現在所謂的原子都不可能存在了。
因此，支持智慧觀察者的複合體出現的條件可謂非常脆弱。自然法則必須創造出極端精細巧妙的系統，而且物理法則絲毫不能變動，否則將會毀掉生命發展的機會。要不是在物理法則上發生一連串天衣無縫的驚人巧合，人類等生命形態似乎將永遠無法存在。
其中最令人印象深刻的巧合，是愛因斯坦廣義相對論方程式中出現的宇宙常數。前面提過，當愛因斯坦在1915年提出廣義相對論時，他相信宇宙處於靜止，既不擴張也未收縮。可是因為所有物質都會互相吸引，於是愛因斯坦在理論中引進一種新的反重力作用，它不是來自物質而是存在於時空本身的結構中，而宇宙常數正是用來描述此作用力的強度。
當科學界發現宇宙並非靜止時，愛因斯坦將宇宙常數從理論中除去，並稱它為自己一生中最大的錯誤，但是在1998年從對遙遠超新星的觀察顯示，宇宙正以加速度擴張，顯然太空中應該有某種斥力在運作，於是宇宙常數又重出江湖了。既然現在知道宇宙常數的值不是零，那問題還在：為什麼宇宙常數有這個值呢？物理學家的理論指宇宙常數可能是由量子力學的效應造成，但是計算出來的值，卻比實際觀察超新星得到的值強10^120倍。這代表若不是計算背後依據的理由錯誤，便是另有某種作用力存在，神奇地抵消絕大部分計算出來的數值，只留下難以想像的一點點。可以確定的是，如果宇宙常數的值比現在更大，那麼宇宙早就先爆開了，星系根本沒有機會形成，同樣地生命也不可能出現。
這些巧合對我們有什麼好處呢？基本物理法則具有正確形式和正確本質的幸運，與在環境因素上發現的幸運並不屬於同類。法則上的幸運不容易解釋，具有更深奧的物理和哲學涵義。這個宇宙和法則似乎是為了支持人類存在而量身打造的設計，如果我們要存在，絲毫沒有改變的空間。這真的不容易解釋，也讓人很自然地想間為何會如此。
許多人將諸多巧合視為上帝創造萬物的證據。幾千年以來，宇宙是為人類存在而經神明設計的想法，見諸於神話與神學中。例如，在馬雅古經文《議書》（Popol Vuh）中，神宣布道：「創造萬物將無功無勞，除非有感覺意識的人類存在為止。」西元前2000年有段埃及的文字寫道：「人是上帝牧的牛，凡事皆受妥善照顧。為了人，太陽神創設了天與地。」中國古代道家學者列子（約400 BC），也藉由一則故事的主角傳逹這層想法，說道：「天之於民厚矣！殖五穀，生魚鳥，以為之用。」
在西方文化中，舊約在創世紀的故事中也傳逹了天地經由設計的想法，但是傳統的基督教文化也深受亞里斯多德的影響，他相信「有智慧的自然界，根據某種深思熟慮的設計而運作。」中古時期基督教神學家阿奎那也運用亞里斯多德有關自然秩序的想法，做為支持上帝存在的論證。18世紀時，另一名基督教神學家更為極端，他說兔子長白尾巴是為了讓人類容易射中。另一個比較新近的基督教觀點例子，是幾年前維也納的樞機主教蕭恩邦（Christoph Schönborn）寫道：「在21世紀之初的現在，新逹爾文主義和宇宙學中多重重宇宙假設等科學訴求，皆為逃避現代科學中發現自然具有目的與設計等壓倒性證據而發明。對此，天主教會將再度捍衞人類本質，強調自然內設計本質實乃千真萬確。」這位紅衣主教所指宇宙學中發現自然具有目的與設計等壓倒性證據，正是上文談到物理法則的精巧微妙。
科學史上不再以人類為中心的宇宙觀，其轉捩點正是哥白尼提出的太陽系模型，讓地球不再居於宇宙的中心位置。諷刺的是，哥白尼自己的世界觀是神人同形同性論。他甚至安慰我們說，雖然提出了以太陽為中心的模型，但是地球幾乎位在宇宙中心：「雖然［地球］不在世界的中心，然而其［相距中心的］距離與甚他恆星距離相較，幾乎不算一回事。」不過隨著望遠鏡的發明，17世紀觀察發現地球不是唯一有衞星環繞的行星，讓人類在宇宙中宋居優勢地位的主張更加重要。接下來幾百年中，隨著對宇宙觀察益多，地球愈看愈像是一顆普通的行星而已。但是，最近發現自然法則的許多精巧極緻的地方，至少讓某些人重拾以前的想法，認為這種偉大的設計應該是某位偉大設計者的傑作。在美國，因為憲法禁止學校上宗教課，於是將這類想法改稱為「智慧設計」。雖然沒有明說，但實際指的設計者就是上帝。
然而，這不是現代科學的答案。第五章中指出，我們的宇宙只是眾多宇宙中的一個。每個宇宙都有不同的法則。多重宇宙的想法不是發明來解釋巧妙無比的奇蹟，而是無邊界條件與現代宇宙學其他許多理論的結果。但如果這是真的，那麼強人擇原理在實質上等同於弱人擇原理，讓物理法則的精細巧妙與環境因素居於同等地位，因為那意味著我們所在的宇宙（也就是整個可見宇宙）只是眾多宇宙之一，正如同我們的太陽系只是眾多太陽系之一而已。因為有數十億的太陽系存在，使我們的太陽系在環境上的諸多巧合顯得沒有那麼不可思議；同樣地多重宇宙的存在，也使自然法則的精深巧妙可以理解。長久以來，許多人將大自然的美麗複雜歸功於上帝的傑作，那是因為過去沒有足夠的科學解釋。但正如達爾文和華萊士所指出，彷彿是神奇設計的生命形態，其實無需造物主涉入便能發生；同樣地利用多重宇宙的概念，也可解釋科學法則的深奧巧妙，並不需要一尊仁慈的造物主，為民厚生而創造宇宙。
愛因斯坦曾經對助手施特勞斯（Ernst Straus）提出一個問題：「當上帝創造宇宙時，祂有任何選擇嗎？」在16世紀晚期，克卜勒相信上帝是根據一些完美的數學原則創造宇宙。牛頓則揭示，運用在天體上的法則同樣也適用於地球上，並且發展出數學方程式來表述法則，而那些法則是如此優美，激起18世紀許多科學家有如宗教般的狂熱，企圖引用來凸顯上帝是數學家的信念。
自從牛頓以後（尤其是愛因斯坦以後），物理學的目標是發現克卜勒所想像的簡單數學原則，用這些數學原則創造統一的萬物理論，用以解釋自然界中觀察到的物質與作用力各項細節。在19世紀末到20世紀初間，馬克斯威爾和愛因斯坦將電、磁和光的理論統一。在1970年代出現標準模型，成為強作用力、弱核力和電磁力的單一理論。接下來，弦論和Ｍ理論問世，試圖將剩下的重力作用力納入。科學家的目標不只是要發現單一理論來解釋所有的作用力，同時也要解釋一些基本的參數，例如作用力強度以及基本粒子的質量和電荷。如愛因斯坦指出，他的目標在於有一天能夠找到自然界的建構法則，完全「根據明確的邏輯而擬定，而且在這些法則之內唯有合理並完全確定的常數才會出現（理論中不應出現可取任意數值而不會破壞理論的常數）。」然而一個單一獨特的理論，卻不太可能具有允許人類存在的那等精深巧妙的法則，但是有鑒於最新的科學進展，或許可以將愛因斯坦的夢想改為尋找一個可解釋所有宇宙的獨特理論，而這些宇宙各自含有不同法則。那麼，Ｍ理論或許就是我們追尋的答案。但Ｍ理論是獨一無二的理論，或者背後還有更簡單合理的原則嗎？我們能否回答這個問題：為什麼是Ｍ理論？
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