太阳系如此完美,创造了完美的地球和人类,为何会如此?

宇宙探索 7月13日

简单说,是因为人择原理造成的。

认为太阳系完美,这种观念通常也会认为我们的宇宙是完美的,因为它不仅允许生命诞生,还产生了可以认知宇宙的人类,所以宇宙是完美的,为此许多人写了许多文章论证宇宙的完美,这其中最经典的论证就是涉及我们所生存宇宙的一些关键常数,这些常数只要发生很小一点变化,我们所生存的宇宙就要面目全非,而我们自然也就要灰飞烟灭了,甚至压根没有诞生的机会呢。这段话的另一个意思是,如果我们的宇宙或者太阳系不是如此完美,那么就不会有我们来讨论来赞叹它到底有多完美的可能性,这被简称为人择原理。

让我举个简单的例子了解下物理学常数的些微变化,将如何深刻影响我们的生存吧。

如果冰沉入水底,这世界会变成什么样

图示:冰山的大部分都淹没在水中,但它毕竟是可以浮在水面上的

比如,从现在开始,地球上新生成的冰的密度大于普通的海水的密度。

想一想,这么简单的变化,会影响到什么呢?

图示:解冻时的凌汛可能冲毁大坝造成灾难

如果冰的密度比水重,那就意味着每年冬天生成的冰,将会沉到河底、湖底乃至海底,乍一看这似乎是好事儿,我们再也用不着破冰船了,只要水够深,那么冬天也不会影响到我们的水运了,泰坦尼克号的悲剧再也不会重演了,每年的凌汛危机也不用提防了,因为冰压根不在水面上了,另外冬季也不影响捕鱼了。

图示:北冰洋的虎鲸再也不用发愁寻找呼吸孔了

且慢,除了这些马上能想到的好处之外,你还能想到什么害处吗?

图示:如果冰都沉底了,当然冰钓的乐趣也就没有了

比如,冰如果都沉底的话,那么底栖的生物可能就要倒大霉了,它们赖以生存的环境,现在将被冰块覆盖,这将是一场灭顶之灾,由此可能引发一场连锁的生态危机。

图示:BBC冰冻星球中,由于超低温盐水沉入海底,导致沿途的贝类、海星、螃蟹等被冰冻而亡

但让我们暂时把生态灾难放在一边,比起生态灾难来说,沉入底部的冰块的巨大危害爆发速度可能比生态灾难来得快得多,因为沉入底部的冰块越多,这些冰块安然度过春天、夏天和秋天的机会就越大,当冬天再次来临的时候新的冰块沉积到老的冰块之上,这个循环一旦开始,就意味着冰块会越来越多,而伴随着冰对阳光的反射,地球将会全面降温,这导致更多的冰块生成,这样的循环一旦启动,那么压根要不了多长时间,我们的地球就会变成一个大雪球,而人类文明可能也就将就此终结。

图示:地球历史上曾经陷入过好几次雪球地球危机,每一次这样的危机都是因为火山大爆发才解开封冻,让地球生命重获新生。

你看,就这么一点小小的变化,我们都无法承受。

那为什么冰的密度比水小呢?现在你意识到,这可是一个生死攸关的大问题呢。

这是因为水由2个氢原子和1个氧原子组成的。而氧原子吸引电子的能力比氢原子强,这导致水分子中的氧原子其实带有部分负电荷,而氢原子则带有部分负电荷,虽然水分子整体并不带电,但不妨碍构成它的原子都带有部分电荷,而相邻的两个水分子彼此之间,可以通过这些部分正负电荷产生微弱的吸引力,这个吸引力被化学家们称为氢键。

图示:水分子氧原子间的排斥力和氢键形成是冰的密度小于水的关键原因

当水开始冷却时,它最初像所有液体一样开始收缩体积,当水温降到4摄氏度时,它达到最大密度,当温度进一步降低时,水的密度不再继续增加反倒开始下降,这是因为水分子中带有部分负电荷的氧原子彼此排斥对方的靠近,这阻止了密度的增长,与此同时彼此靠近的水分子之间开始利用氢键形成更加规律的结构,这个结构降低了水的密度,最终让冰的密度低于水,从而让冰块可以漂浮在水面上,而这都和电荷之间的排斥力有关,而这个力的大小是由一个物理学常数库伦常数决定的。

图示:电荷之间的作用力大小由库伦常数决定

图示:真空中的库伦常数值

当前物理学家们测量到的库伦常数的值大约为8.98755178736817×10^9,如果这个常数稍微变小一点点,比如变成8.98755178736816×10^9啥的,那么水分子间的排斥力就会小一些,那么当温度下降时,水分子就可以聚集得更加密集一些,这样当它形成冰块时,就可能形成比液态水密度更大的固体,那么冰块就会沉底了!

当然,库伦常数要是发生变化,那么绝不仅仅是冰块的密度会发生变化这么简单,我在这里做了彻彻底底的简化,真实情况可要复杂得多,事实上这个常数要是变了,整个宇宙都要发生巨大的改变,所有化学规律都要重写,甚至包括恒星的形成与它的寿命长短等等。

如果宇宙只有一个,那么这样完美的宇宙就是不可思议的。

从数学概率论的角度看,如果宇宙只有一个,而它恰好就是完美的,能支持生命诞生并产生出智能生命来,这样的概率大概非常接近零,所以一些人相信宇宙有个设计者,是它精确地调整了一系列基本物理学常数,最终才有了我们这个宇宙,但这种观念并不受所有人欢迎,而且显得在思维上懈怠,这意味着任何问题都交给这位设计者就完事了,我们不必思考任何艰难的问题。

所以,为了解决这个恼人的形而上学问题,一些物理学家提出了各种各样的解决方案,其中的共性都必然涉及到许多宇宙乃至无限多宇宙的概念,只有当宇宙的数量足够多时,那么再微小的概率也能成真。

不过,鉴于我们还没有发现别的宇宙真实存在的线索和证据,因此当前关于宇宙常数为何恰好如此时,更多的是一个哲学问题而不是一个真的的科学问题。不过,思考这样的问题能给我们带来乐趣,不是吗?

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