黄启新
在过去几十年来在,科学家发现我们的宇宙(包括地球)有很多精确微调的特性。这些微调可以分为三大类:
- 物理定律的微调
- 物理常数和初始条件的微调
- 地球环境的微调。
没有这些微调,人类、甚至所有生物都不可能存在。现在让我们看看几个物理定律微调的例子。
哲学家哥连斯(Robin Collins)指出宇宙必须有一套恰到好处的物理定律,才能够让复杂的生命存在,并举了以下五个例子[1]:
- 重力
- 电磁力
- 强相互作用力
- 量子化原理
- 包立不相容原理
重力
自然界有四种「基本力」(fundamental forces),亦称为「基本相互作用」(fundamental interactions) ,包括:重力、电磁力、强相互作用和弱相互作用。我们平时观察到的所有物理现象,都可用这四种基本力解释。
重力,又称「引力」或「万有引力 」,是四种相互作用中最弱的一种,亦是宇宙所有物质之间一种长程有效的作用力。
根据古典力学中的牛顿万有重力定律,如果两个质点的质量分别为m1、m2,并它们之间的距离为,那么它们之间的重力F为:
F=Gm1m2/r2
其中G是被称为重力常数,其数值为6.6732 x10-11 m3 /(kgs2)。
恒星需要重力才能够形成,亦需要重力去平衡恒星内部因高温所形成的向外力,因此如果没有重力的话,像太阳这样的恒星就不可能存在。
同样地,好像地球这样的行星需要重力才能够形成。地球亦需要重力才可以围绕太阳公转,从而获得从太阳而来的能量。没有重力的话便没有太阳和地球,而生命根本不可能存在!
图1太阳和地球(不按比例) (图片来源:NASA)
电磁力
原子中的原子核靠电磁力去把电子捕捉在原子轨域(atomic orbital)上。如果没有电磁力的话就没有原子,亦不会有化学键(chemical bond)。没有原子和化学键,复杂的分子(例如蛋白质)和生命便不可能存在!
图2原子与化学键
强相互作用
强相互作用是四种基本作用力中最强的,它抵抗了带正电荷的质子之间的强大的电磁力,将质子及中子捆绑在一起组成原子核。
质子及中子等强子(hadron)其实是由更基本的粒子 — 「夸克」(quark)所组成,而强相互作用亦负责将三粒夸克结合成质子及中子。强相互作用是由量子色动力学(Quantum Chromodynamics, QCD)所描述。
如果没有强相互作用便没有质子及中子,没有原子核,没有原子,生命亦不可能存在!
定态能阶量子化
丹麦物理学家玻尔(Niels Bohr)在1913年提出玻尔模型,主张电子在原子中围绕原子核运行,好像行星围绕恒星运行一样。可是根据古典电动力学,加速运动的电子会辐射出电磁波,最终使其能量不断损失而掉进原子核中。玻尔于是在其原子模型中加入以下「定态条件」:电子只能够稳定地处于某些定态轨道上,每个定态轨道都有其能阶(能阶是被量子化的)。处于某一定态轨道上的电子不会产生电磁辐射。电子的任何能量改变都必须要在两个轨道之间以量子跃迁的方式进行(图3)。
图3 氢原子中的电子从第三能阶跃迁至第二能阶并放出能量。
如果没有这个定态能阶「法则」,宇宙中所有原子中的电子都会在一瞬间掉进原子核中。如果宇宙没有原子,生命亦不可能存在!
包立不相容原理
根据量子力学中的包立不相容原理(Pauli Exclusion Principle),一个原子中没有任何两个电子可以拥有完全相同的量子态。这意味着一个原子中没有任何两个电子可以在同一轨域上。
如果没有包立不相容原理,一个原子中所有电子都会处于最低能量的轨域上,复杂的化学亦不会存在。换句话说,没有包立不相容原理,生命亦不可能存在! 。
结论
宇宙中复杂生命的存在并非必然的,宇宙必须有一套恰到好处的物理定律才能够让复杂生命存在。
[1] Robin Collins, 2009. "The Teleological Argument: An Exploration of the Fine-Tuning of the Universe" in The Blackwell Companion to Natural Theology, edited by William Lane Craig and J.P. Moreland, 202–81. Chichester: Wiley-Blackwell.