地球，對，就是這個遠遠望去淡藍色的小點，已知唯一的承載高等生命的星體 —— 我們的家。

人類，一個獨特的存在，已知唯一的用語言和文字傳承智慧和思想的生物 —— 我們自己。

“媽媽，這都是從哪裡來的？”面對藍色天空下和煦陽光普照中的近處的海岸和遠處的高山，曾經有一個四歲的小孩子這樣問。

<圖1> “卡西尼-惠更斯號”（Cassini–Huygens）從土星附近回望地球，距地球約14億公里。

第一節. 追本溯源 —— 現代科技對太空的探索

一年前的聖誕節（美西時間2021年12月25日），經過近30年的計劃和建造，耗資近100億美元的韋伯空間望遠鏡 （James Webb Space Telescope） 在阿麗亞娜5號運送火箭地動山搖的轟鳴聲中於法屬圭亞那的歐洲空間局庫魯基地順利升空，於一個月後成功抵達最終目的地距離地球約150萬公里的“第二拉格朗日 點”。後再經過近五個月，它那由18片分鏡面組成的直徑6.5米的主鏡在太空完成自主拼接調試，繼而向人 類發回具有驚人分辨率的太空中的紅外線影像。該望遠鏡的每一片分鏡面皆由最輕的金屬鈹製成，表面鍍純金，各分鏡面會在10納米（相當於萬分之一髮絲）的精度上進行自動調整以使主鏡保持完美的光學反射面，它的巨大的五層遮陽板和自帶的先進冷卻系統可以保證關鍵的紅外探測系統工作在-260攝氏度。建造它的科學家解釋該望遠鏡的靈敏度時說，它能在地球到月球那麼遠的距離上探測到一個蜜蜂的紅外影像。

早在在1990，韋伯的前任哈勃望遠鏡（Hubble Space Telescope）就已被部署到地球軌道，多年來它已向我們傳回了相當多的外太空的照片。 下圖是哈勃望遠鏡和韋伯望遠鏡對“船底座星雲”（CarinaNebula）中被稱為“神秘山”（Mystic Mountain）的結構所拍攝照片的比較。圖中左側為哈勃於2014年拍攝的照片，右側為韋伯於2022年拍攝的照片。注意由於韋伯更側重於紅外線的成像，在照片中充滿厚重塵埃的星體形成區域，韋伯的圖像展示出了更多的的星體。這個由塵埃和氣體構成五顏六色並且崎嶇陡峭的柱形結構，距離地球約為7500光年，其柱體高度約為3光年。由於宇宙中光線的速度有限，所以照片中的星雲結構給我們呈現的是它約7500年前的樣子。

<圖2> 哈勃望遠鏡和韋伯望遠鏡和對“船底座星雲”（Carina Nebula）中被稱為“神秘山”（MysticMountain）的結構所拍攝照片的比較。

此前由哈勃望遠鏡給我們提供的多組深度空間照片，對研究早期的宇宙具有里程碑式的意義。科學家發現宇宙在最大尺度上仍具有均質與各向同性的結構，這就是宇宙學中重要的“宇宙論原則”（CosmologicalPrinciple）。通過對這些照片中揭示出的不同星系處於的不同演化階段的分析，使我們更深入地理解了星系及恆星的演化進程。

<圖3> “哈勃超深空”圖像（Hubble Ultra Deep Field），2012年拍攝，顯示圖中最遠處約超過130億年前的景象，整張圖像內中估計有1萬個星系（Galaxy），且多為年輕星系。

人類為什麼花費那麼巨大的精力、財力和時間發射哈勃和韋伯這樣集現代高精尖科技於一體的太空望遠鏡？這其實不是單單是為了探索宇宙的深處讓我們看到距離我們更遙遠的星體，像哈勃和韋伯空間望遠鏡這樣的科學探索，如這些照片所展示的，使人類得以望向宇宙才形成不久時的遙遠的過去，進而通過宇宙的歷史嘗試回答每一個人類的思想者都有的一系列共同關心的問題：我們生活的世界和我們的生命是偶然嗎？偶然可能造成我們已認知的宇宙和生命的複雜性嗎？如若不能，宇宙從哪裡來? 我們從哪裡來？我們是誰？

<圖4> 地面觀測、哈勃望遠鏡、韋伯望遠鏡所能望向的過去時間的深度示意圖。

古希臘哲學家亞里士多德（約公元前350年）相信物質世界是永恆的，早於古希臘文明約1200年開始成書的希伯來聖經《塔納赫》開篇就宣稱宇宙具有開端。這兩個說法必定只有一個是正確的，那麼是哪一個呢？可以這樣說，現代科學的發展越來越把我們指向宇宙具有一個開端的結論，我們也比以往任何時代的人類更接近理解宇宙形成時早期的樣子。

首先，宇宙是永恆的在邏輯上及形而上的意義中是說不通的。假設宇宙是永恆的，那在今天之前就會有無窮多天，也就是遍歷無窮多天才會來到現在，但是眾所周知無窮多無法被遍歷，其實也就是說今天永遠不會到來。之所以會有這樣荒謬的結論全是因為“宇宙是永恆的”這個假設是錯誤的，就我們人類的時間概念來說，在今天之前必定只有有限多天。大數學家大衛·希爾伯特（David Hilbert）指出：“無窮大”不存在於人類能夠理解的現實中，也不能為理性思維提供合理的基礎；“無窮大”只是一個存在於人的抽象思維中的概念而已。（The infinite is nowhere to be found in reality. It never exists in nature… nor provides a legitimate basis for ration thought. The role that remains for the infinite to play…is solely that of an idea.）

宇宙具有開端，更是二十世紀科學家們對宇宙結構的理論計算、實際觀測和相關佐證實驗得出的結論，這其中發生的關鍵事件依次為:

– 1912年美國天文學家維斯托·斯里弗（Vesto Slipher）首次測量了一個“旋渦星雲”的多普勒紅移（發生光線紅移的原因是因為天體相對於地球在遠離），其後他又發現絕大多數類似的星雲都在退離地球。

– 1917年愛因斯坦經由他早先發表的廣義相對論場方程得出一個穩態的宇宙是不可能的結論，出於他靜態宇宙的哲學信念，愛因斯坦不得不在他的方程中人為地植入一個校正係數即“宇宙學常數”（Cosmological Constant）以使計算結果保持穩態。

– 1922年，前蘇聯數學家、氣象學家、宇宙學家亞歷山大·弗里德曼（Александр Фридман）利用引力場方程推導出描述空間上均一且各向同性的弗里德曼方程，在這一組方程中“宇宙學常數”是可以消掉的，從而得到的宇宙模型是在膨脹的。

– 1927年，比利時數學家、天體物理學家喬治·勒梅特（Georges Lemaître）在不了解弗里德曼工作的情況下獨立提出了星雲後退現象的原因是宇宙在膨脹。

– 1929年，美國天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）通過觀測發現，從地球到達遙遠星系的距離正比於這些星系的紅移，從而推導出宇宙膨脹的觀點。哈勃的觀測表明，所有遙遠的星系和星系團在視線速度上都在遠離我們這一觀察點，並且距離越遠退行視速度越大。如果當前星系和星團間彼此的距離在不斷增大，則說明它們在過去曾經距離很近。在哈勃提出膨脹宇宙的天文觀測結果“哈勃紅移”後，愛因斯坦宣布放棄“宇宙學常數”，認為引入該常數是自己“一生中最大的錯誤”。

– 1931年勒梅特進一步提出“原生原子假說”，認為宇宙正在進行的膨脹意味着它在時間反演上就是坍縮，這種情形一直反演下去直到它不能再坍縮為止，此時宇宙中的所有質量都會集中到一個幾何尺寸很小的“原生原子”上，時間和空間的結構就是從這個“原生原子”產生的。

– 1940年代，美籍俄裔物理學家、宇宙學家喬治·伽莫夫（George Gamow）與他的兩個學生拉爾夫·阿爾菲（Ralph Alpher）和羅伯特·赫爾曼（Robert Herman）一道，將相對論進一步引入宇宙學，提出了“熱大爆炸宇宙學模型”（Big Bang）。“熱大爆炸宇宙學模型”認為，宇宙最初開始於高溫高密的原始物質，溫度超過幾十億度。隨着宇宙膨脹，溫度逐漸下降，形成了現在的星系等天體。

– 1970年發布的彭羅斯-霍金奇點定理（Penrose－Hawking singularity theorems）也指出引力的性質要求空間和時間有一開端。

現在重點開始了，我們怎麼能確認由勒梅特提出、伽莫夫完善的“熱大爆炸宇宙學模型”是正確的呢？與其它的科學理論一樣，這就要看這個模型是否具有解釋力和預判力了。在該模型提出的早期，物理學和宇宙學界對這個宣稱時間和空間存在起點的理論的合理性存在相當大的質疑，然而伽莫夫和其團隊通過理論計算指出：

-其計算能很好地符合哈勃定律（即指遙遠星系的退行速度與它們和地球的距離成正比），證明宇宙正在膨脹，宇宙中絕大多數星系都在因為空間的膨脹而互相遠離；

-形成初期宇宙中只存在氫元素，隨着高溫高壓部分氫元素會聚變為氦元素，現今宇宙中氦元素豐度（即元素同位素的天然存在比）應該約為25%；

-宇宙初期的高溫會隨着膨脹而降溫，宇宙會由不透明變為透明，由此光子可以開始在宇宙中穿行，現今應仍能觀察到的第一批光子的殘餘背景，其餘溫將在5開爾文左右，其輻射電磁波頻率峰值應該在微波波段。

“熱大爆炸宇宙學模型”可以解釋宇宙膨脹的現象，後來對氦豐度的實際測算也證明該模型25%的預判也是相當準確的，即原始物質豐度的理論計算和觀測是吻合的，這是對“大爆炸”理論的強有力支持。根據該模型解釋，宇宙中的氘（氫的同位素）、氦等輕元素的存在是由大爆炸後大約10秒到20分鐘之間的核聚變產生的；不久之後，在大爆炸之後大約20分鐘，溫度和密度就都變得太低，使任何的核聚變都不那麼容易發生了。

除了元素的豐度，尤其是1965年“宇宙微波背景輻射”（Cosmic Microwave Background）的發現和確認，證明“熱大爆炸宇宙學模型”對宇宙中穿行的第一批光子的殘餘背景現今可觀察到的溫度和頻率的預判也是極為準確的。在這一年，“宇宙微波背景輻射”由阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）發現，這個發現被認為是一個檢測“熱大爆炸宇宙學模型”的里程碑，其觀測得到的背景輻射溫度約為絕對零度（零開爾文）之上2.7開爾文，與理論計算的數值只差約2.3開爾文，即今天我們宇宙的“體溫”。至此絕大多數物理學家接受了“熱大爆炸宇宙學模型”是描述宇宙起源和演化最好的理論。

前文所述的像韋伯和哈勃望遠鏡這樣的太空望遠鏡，只是現代科技對太空探索的一小部分。我們熟悉的還包括宇宙射線探測器、外太陽系探測器、小行星探測器、地磁探測器、地球大氣探測器、太陽探測器、月 球探測器、火星探測器、地外行星探測器、載人登月、載人登陸火星計劃等等；在地球上，人類也建造了多個大型粒子加速器/對撞機，通過模擬“大爆炸”開始後瞬間的狀態，以期對基本粒子的構造及相互作用有更深入的理解。近年來，類似粒子加速器那樣的建造在地球上的探測設施還包括中微子探測器、暗物質探測器、引力波探測器，此外還有基於太空的暗物質探測器，另外基於太空的引力波探測器也在計劃之中。所有這些從宇宙的尺度到粒子的尺度的科學探索，都使人類對我們在太空中的生存環境及宇宙的發展歷史有了越來越深入的理解。

<圖5> 韋伯望遠鏡全尺寸模型。

<圖6> 位於瑞士日內瓦近郊的“大型強子對撞機”（LHC）內部。

<圖7> 位於意大利比薩附近的引力波探測裝置“室女座干涉儀”（Virgo interferometer）。

根據2015年普朗克衛星所得到的最佳觀測結果，宇宙大爆炸距今約138億年（根據維基百科）。它是我們現今觀察到的空間、時間以及其內的物質和能量的起點。由於宇宙太過浩大，其中距離我們太過遙遠的部分我們永遠也無法探知到，也即那部分中的結構、星系、星體等發出的光線或輻射永遠也無法到達我們。就“可觀測宇宙”而言，其半徑約為465億光年。在“可觀測宇宙”中可能有2萬億個星系，銀河系（MilkyWay Galaxy）只是其中的一個。在我們位於的銀河系，其半徑約為5~9萬光年，其內約有1~4千億顆恆星，太陽只是其中的一顆；太陽系（Solar System）半徑約3.95光年，距銀心約2.6萬光年（如果太陽到其最遠行星海王星的距離相當於25分的美元硬幣的大小，銀河系的大小則有如美國大陸），太陽系年齡約45.68億年（根據維基百科），太陽以每秒約220公里的速度在銀河系中運行；地球，我們的家，平均半徑6371公里，距離太陽約1.49億公里，繞太陽的運行速度為每秒29.78公里。

<圖8> 地球、內太陽系、外太陽系、鄰近恆星、銀河系、本星系群（Local Group）、拉尼亞凱亞超星系團（Laniakea Supercluster）、室女超星系團（LSC）、可觀測宇宙的結構逐次關係示意圖。

第二節. 由一至萬物 —— “大爆炸”理論揭示的宇宙演化的過程

上一節的描述用到了一些物理學的知識，這裡筆者嘗試對其中理解宇宙演化過程有幫助的基本過程做一簡短介紹，以期向讀者描述宇宙是怎樣從最初的只有基本粒子發展到現今精彩紛呈的狀態的。

現代物理學家和宇宙學家主要由對“哈勃常數”的測量而推導出“大爆炸”發生在約138億年前（根據維基百科），這個宇宙形成時的“大爆炸”與我們普通認知的空間中的因物質和能量產生的爆炸不同，宇宙形成時的“大爆炸”是產生出我們所處的包含空間、時間、物質和能量的宇宙的“第一事件”，在此事件未發生前不存在人類可以認知的空間、時間、物質和能量及包含這一切的宇宙。由於歷史原因出現的“大爆炸”的叫法其實具有一定的誤導性，與我們在生活中觀察到的瞬間導致物質無序性猛烈增長的爆炸不同，宇宙形成時的“大爆炸”是瞬間發生的物質的基本粒子從最初的高能低序狀態向低能高序狀態的轉變，並且空間從不存在到出現，進而猛烈膨脹的過程；正是從這裡開始，宇宙開始演化出了我們今天熟悉的樣子。到目前為止，還沒有理論和證據能夠描述膨脹初始的極短瞬間內的宇宙狀態，即“大爆炸”理論還無法對宇宙的初始狀態作出任何描述和解釋，事實上它所能描述並解釋的是宇宙在初始狀態之後的這138億年來的演化圖景。

我們知道物質是由分子及組成分子的原子組成的；原子由中間的原子核及核外電子組成，原子核又包含質子和中子；在質子和中子內部又存在夸克及在夸克中傳遞強核力的膠子。在“大爆炸”開始的那一刻“暴脹”結束後，構成宇宙的物質應該是只包括夸克-膠子的等離子體，以及其它所有基本粒子組成的高溫電漿狀物質。在熾熱稠密的不透明的物質中，大量光子在其中被來回散射而無法穿透。宇宙這時還處於混沌狀態。

<圖9> 原子、電子、質子、中子和夸克示意圖。

與水分子隨溫度的降低從氣態，到液態，再到固態的相變類似，早期的宇宙至少經歷過幾次相變。第一次相變發生在大爆炸後約萬億分之一秒，此時的溫度約為10^16攝氏度（比太陽的核心還要熱10億倍），宇宙中的粒子第一次獲得了質量從而開始減速；第二次相變，在大爆炸後約一毫秒（此時“暴脹”階段已結束），宇宙中所有的自由夸克結合在一起從而形成了質子和中子；再後來的“太初核合成”階段發生在大爆炸後大約10秒到20分鐘的時間間隔內，此時由質子和中子隨着溫度的降低結合產生了氫、氦、鋰各同位素的原子核，此後氫、氦、鋰各元素的豐度幾乎就固定了（如前所述，現代物理學對豐度的理論計算與我們現在的測量值基本一致）； 最後一次相變發生在大爆炸後約38萬年時，在溫度降為3000開爾文時，自由電子和質子及中子得以結合形成為氫、氦、鋰這三種穩態電中性的原子（其中只有一個質子和電子的質量最輕的氫原子占絕大多數），從此刻開始光就可以在宇宙中自由地穿行，這就是“宇宙微波背景輻射”的起源。

1965年，貝爾實驗室的阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜架設了一台巨大的喇叭形狀的天線，用以接受衛星信號，但他們無意中發現，在波長為7.35厘米（即4080兆赫茲）的波段一直存在一個各向同性的輻射訊號，後經普林斯頓大學的物理學家羅伯特·迪克（Robert Dicke）分析，此4080兆赫茲的訊號對應的是3.5開爾文的黑體，與伽莫夫預言的5開爾文十分接近，後又經多方論證確認了該輻射訊號，就此發現了“宇宙微波背景輻射”。要理解“宇宙微波背景輻射”這個概念，關鍵是理解為什麼它的名稱里含有“微波”和“背景”兩個詞。在大爆炸後約38萬年溫度降為3000開爾文時，光子開始第一次在宇宙中穿行，經過宇宙這將近138億年的膨脹，這些光線的波長也隨着空間的膨脹而被拉長（即宇宙學紅移）到了不可見的“微波”波段；大爆炸後約4億年時的恆星和星系的形成，都遠在這些最初的、最古老的光之後，因而這些光可以理解為現在散布在宇宙這個大舞台中的恆星和星系的“背景”一樣，也即因為宇宙學紅移，現在可觀測到的第一批光線的殘餘是遍布宇宙的背景微波。

我們知道一天有86400秒，如果用一天的長度類比宇宙現在的年齡138億年，那麼光線出現時的38萬年就相當於一天剛剛開始時的第2.4秒，也就是說，接近於時間的起點。理解了“微博背景輻射”，至此就不難理解為何韋伯望遠鏡專門探測紅外線 —— 韋伯望遠鏡就是用於更精準地探測時間接近起點時宇宙的樣子。

<圖10> 由COBE、WMAP、和普朗克衛星三個探測器探測到的“微波背景輻射”細節的不斷提高。

從星系紅移觀測到的哈勃膨脹、對宇宙微波背景輻射的精細測量、宇宙間輕元素（如氦）的豐度的測算，到現今觀察到的遍布宇宙中的大尺度結構和星系、星體演化，使人們認識到了曾經聽起來感覺難以置信的“空間和時間具有起點”的概念，其實是正確的。宇宙在最早期應該是一團熾熱稠密的等離子體，經過膨脹降溫在第38萬年時形成第一批原子使光線得以自由穿行，又經約4億年膨脹後因為萬有引力由氣體雲形成第一批恆星，後來恆星團又形成像銀河系、仙女座星系、大麥哲倫星系等這樣的星系，在星系之上還有星系團及超星系團的大尺度結構，最終發展到138億年後現在的樣子。

從地球的角度來說，我們的星球及其上的所有生物之所以能夠存在，從物理及化學的因素來看，是因為自 然元素的存在和它們形成化學鍵的方式，這讓礦物質、岩石和生物活性分子得以存在，還因為太陽在核聚變過程中釋放出來的熱量可以持續不斷地為地球提供外部能源。

那麼從我們腳下用以立足的岩石到身體內構成細胞的生物活性分子是怎樣形成的呢？在自然界中，有92種不同種類的原子，從氫到鈾，它們被排列在元素周期表上，每種原子在表中的位置取決於其原子核中質子 的數量。元素周期表從1號元素氫（原子核中含有1個質子）開始，到92號元素鈾（原子核中含有92個質子），92號元素之外的超鈾元素則絕大多數為人工合成。我們已經知道氫原子是在大爆炸後約38萬年時生 成的，同時生成的還有少量的2號元素氦的原子和3號元素鋰的原子，那么元素周期表上的4號鈹原子直到92號鈾原子在自然界中是怎麼出現的呢？只有“太初核合成”產生的頭三種元素的初期宇宙顯然無法演化出我們今天所見的宇宙的樣子。要理解這個，就要涉及到“恆星中的核合成”過程。

<圖11> 元素周期表，每種原子在表中的位置取決於其原子核中質子的數量。

在初期宇宙中的原始氣體經過萬有引力的聚集，逐漸形成了恆星。當一顆大質量恆星內核的氫元素全部在核聚變作用下轉化為氦元素，同時持久釋放出大量的熱能後，恆星的內核就會向內收縮，使內部的溫度繼續升高，直到氦元素能夠參與核聚變反應。當氦耗盡時，恆星核會進一步收縮並升溫。像太陽這類質量的恆星無法獲得足夠高的溫度以使核聚變長久地進行下去，但質量比太陽大得多的恆星因其具有更強大的引力，其中心溫度可達10億攝氏度。在生成第6號碳元素的過程中，這些恆星會釋放出更多的能量，並引起一系列核聚變反應，產生出更重的原子核如氧、氖、鈉、硅等，直到第26號元素鐵為止（產生岩石所需的元素基本上是硅、氧、鎂和鐵）。此時的星體就像一個洋蔥結構，氫和氦還在最外層燃燒，而較熱的內層物質按照元素周期表的排列順序由外向內依次逐層分布。

<圖12> 恆星中的核合成示意圖。

鐵原子核由於比其它任何原子核結合得都要緊密，必須向系統增加能量（而不是從系統中釋放出能量）才能形成比它更重的原子核，因此，當恆星的內核都被轉化為鐵後，恆星將會面臨一場能源危機。像太陽這樣質量的恆星，在這時會逐步轉變成一顆只能發出微弱光芒的“白矮星”。如果一顆大於太陽質量的恆星中心鐵原子核的質量達到1.4倍太陽質量時，鐵原子核會在引力的作用下繼續向內坍縮，同時釋放超大能量從而發生一次具有驚人閃光的星體爆炸，外部物質被拋向太空，這些被猛烈地拋回太空的海量的碎片中包含了直到26號的鐵在內的混合在一起的各類元素，其中以氧、碳、氮、硅和鐵最多，這一過程就是“超新星爆發”。那麼比鐵更重的其它元素是怎麼生成的呢？原來星體在坍縮時內層產生的更高的溫度，和外層在爆炸時對內產生的衝擊波，二者的能量一起注入系統可促進少量的周期表中其它元素的產生，直到第92號元素鈾為止。可以看出，恆星中的這個核合成過程就像是宇宙自帶的鍊金術，從初始的1號氫元素開始，通過在引力作用下物質吸積凝聚形成恆星，恆星內部核聚變將元素逐一分層遞進轉化，加上最終壯麗的爆炸拋射，為宇宙帶來了各類元素，這樣才使我們今天熟悉的像太陽系這樣的恆星-行星系統的世界的存在成為可能。

<圖13> 恆星演化示意圖。

通過對遙遠星體的觀察和計算機模擬，現代科學認為太陽系在它形成的初期應該是一團巨大的氣體、塵埃和小塊岩石等物質組成的星雲團，受到某種衝擊（如來自超新星爆發的衝擊波）而局部開始收縮，大部分星際物質因引力作用在收縮區聚集而形成了原始太陽，且原始太陽因某些原因（比如其它天體碰撞）而具有自轉，則位於原始太陽周邊的其它物質也在太陽自轉的帶動下因引力開始圍繞中心區域旋轉，逐漸形成了扁平的吸積盤結構（結構類似土星環但面積遠為更大更廣）。後來在吸積盤的區域，因為引力固體物質和氣體物質開始逐漸各自吸積，形成了以太陽為中心依次向外的原始的岩石結構為主的水星、金星、地球和火星，氣態結構為主的木星和土星，以及冰態結構為主的天王星和海王星，這些太陽系的行星。原始太陽內部也在自身重力的作用下開始發生熱核反應，向外源源不斷地輸出能源。在地球形成的早期，由於其附近太陽系吸積盤內的岩石及固態物質等尚未完全聚集到周圍行星的星體中去，地球頻繁地受到隕石的轟擊，其中一次較大的轟擊將地球的一大塊組成物質轟出到圍繞地球的軌道上，這些圍繞着地球的物質自身 又開始在引力下聚集，慢慢形成了地球的衛星月球。

必須指出的是，現代科學對宇宙的起源的描述，對前文提及的第二次相變中“暴脹”階段結束及其以後宇宙的演變過程來說，應當是極為準確的 —— 我們的理論計算和在實踐中的觀察，均為我們展示了包括元素的核合成、微波背景輻射、恆星的生命周期、星系的大尺度結構等宇宙現象與我們對底層物理機制的理解及其高度地吻合，這也提示了科學家可以將已知物理機制用以研究可觀測宇宙。 但由於人類知識和科技的局限，科學還無法描述在第二次相變初期及其前，即“暴脹”（“大爆炸”後約一毫秒）及其前，到底發生了什麼。物理學中稱“大爆炸”的原初狀態為“宇宙奇異點”，在“奇異點”宇宙沒有空間，宇宙半徑尺度趨近於零。“奇異點”是一個密度無限大，熱量無限大，溫度無限高，壓力無限大，時空曲率無限大，體積無限小的“點”；在這個點，目前所知的物理定律無法適用，“大爆炸”理論無法對宇宙的初始狀態作出清晰的描述和合理的解釋。

由最初的位於“奇異點”處的夸克-膠子電漿，經由宇宙早期快速膨脹並冷卻及“太初核合成”，以及後來“恆星中的核合成”，能量、空間和物質籍由時間的演變，宇宙逐漸具有了今天的樣子。小到你我身體中的細胞內的蛋白質分子及組成它們的原子，中到我們稱為家園的地球和為它提供依託的太陽系，大到包括銀河系的”室女超星系團”這樣的大尺度結構，物理宇宙中一切的一切，全部都起始於那最初的神秘的一瞬。就人 類的物質身體而言，我們確實都曾是“星塵”。

<圖14> 宇宙演化歷史示意圖。

第三節. 自然背後的“超自然” —— 嘆為觀止的宇宙微調

也許有人認為宇宙的起點熱大爆炸後，給以時間和概率，智慧生命就會在宇宙某處出現。 然而在過去的半個多世紀裡，物理學家們逐漸意識到關於宇宙的幾乎所有方面如膨脹的速度、物質的總量、基本力的強度等都處於精確而微妙的平衡中。正是這些平衡使得今天這樣的宇宙和地球上的生命得以出現，其中絕大多數因素哪怕只偏離一丁點兒，任由時間和概率如何嘗試，都難以實現我們現今理解的現實存在。例如，在自然界的基本力、粒子的組成及宇宙的特性方面：

– 如果引力常數偏大些許，則恆星會因過熱而很快燃盡；如果偏小些許，星體就無法形成。

– 如果電磁力稍微偏大或偏小，則原子的結合，及由原子組成的複雜大分子，就無法產生。

– 如果強核力只增大些許，就不會存在氫元素；如果弱一點點兒，則宇宙中只能存在氫元素。

– 如果弱核力稍有不同，或則恆星中無法存在足夠多的氦元素去產生其它重元素，或則恆星會過快燃盡致使其無法演化為超新星進而使重元素遍布宇宙。

– 如果宇宙常數稍向正數偏移，宇宙就會分崩離析；如稍向負數偏移，宇宙就會坍縮。

– 如果宇宙初始熵值過高，意味着初始質量、能量的無序性過高，則無法形成後來有序的宇宙。

– 如果光速過快，則恆星發光會過強，如過慢，則恆星發光會太弱。

– 如果質子和電子的質量比稍有不同，則生命的關鍵組件如DNA就無法形成。

– 如果中子對質子質量過大，則對生命重要的重元素會太少；如其過小，則恆星將過快演變為中子星或黑洞。

以上只是定性的分析，要形成我們今天這樣有序的支持高等智慧生命的宇宙，以下這些數值可以讓我們感知這些物理學和天文學中的數值、常數和初始條件的精度是多麼的讓人嘆為觀止：

– 引力常數，微調精度約為 1 : 10^34 [10^34表示10乘方34次，其結果為1的後面有34個零，下同]

– 電磁力比引力，微調精度約為 1 : 10^37

– 宇宙常數，微調精度約為 1 : 10^120

– 宇宙質量密度，微調精度約為 1 : 10^59

– 宇宙膨脹速率，微調精度約為 1 : 10^55

– 宇宙初始熵值，微調精度約為 1 : 10^（10^123） [10^（10^123）表示10乘方10^123次!!!]

如果以上數字太抽象，那麼這裡給出一個直觀一些的描述 —— 10乘方40次（即10^40）有多大呢？美國國土的面積983萬平方公里，地球到月球距離38.4萬公里，一枚25美分硬幣直徑24.26毫米、厚度1.75毫米。 10的40次方枚硬幣排列堆砌，可以覆蓋27300億個美國的面積，且厚度從地球一直到月球。

在精細的微調（Fine Tuning）上，像以上這樣的物理學和宇宙學參數現在所知的大概有30多個。

在我們更熟悉的地球環境方面，科學家也觀察到至少以下多種因素的組合，才可讓地球成為適合生命、特別是高等生命生存延續的星球：

– 持續的地錶板塊運動和適當的熱地核組成: 有利元素循環，構造大陸和山脈，也產生地磁場（科學尚無法解釋地磁的形成運行機制，有假說認為是地球內部放射元素鉀40、鈾235、鈾238、釷232等的衰變產生 的熱能，使地球內部的液態鐵對流，從而產生磁場）。

– 適當強度的地磁場： 阻擋有害的宇宙射線，並保護大氣層避免其被宇宙射線剝離（現今的火星就是反例）。

– 存在恰當比例的液態水: 水能溶解輸送養分，水的大比熱容，加以冰蓋、沙漠、雲凝結核等地球表面反射率溫度動態調節機制，以保持地表溫度穩定。

– 適當的硫含量和硫循環: 保證生命化學得以正常進行。類似硫這樣的對生命起關鍵作用的地球元素循環還包括：碳循環、氧循環、氮循環、磷循環、鈣循環、鈉循環等。

– 行星適量的大氣組份，氮氣、氧氣、二氧化碳等比例恰當，大氣透明；臭氧層透入可見光，屏蔽紫外線，支持生命；大氣連同地磁場保證只有生命需要的可見光部分可以達到地表，而可見光帶只占電磁波譜中很窄的範圍。

– 平衡的從微生物、植物、動物到人類的生態鏈系統：所有生物與整體環境相互影響、相互制約，保持穩定的動態平衡。生態系統是開放的動態系統，不斷有能量和物質的輸入和輸出。一方面是太陽輻射能和無 機物通過生產者（植物）的光合作用被轉化為有機物存留於生態系統中，供給一切生命的需要；另一方面 是生態系統中的有機物被各級消費者（動物和人類）攝取，並在轉化、呼吸和排泄等生理過程中不斷地消耗掉。有機物還可以通過人類的收穫、地表水和地下水的流出等方式從系統中輸出。生態系統中的分解者（微生物）又把生態系統中的植物和動物殘體分解和轉化為無機物，歸還給環境，供植物再利用。生態系統中的能量和物質每時每刻都在生產者、消費者和分解者之間不停地流動和轉化。

– 具有月球這樣比較大的衛星：月球引力保持地球傾角幾乎恆定在23.5度，使地球上絕大部分地區有較溫和平均的四季交替（在北半球的夏季，地球北極更偏向太陽；六個月以後，地球公轉到太陽的另一側，地球南極更偏向太陽，南半球的夏季就來到了）。潮汐對地球自轉速度和海洋生態具有關鍵作用。水星和金 星沒有衛星，火星有兩個很小的衛星，所以它們的表面溫度都不均勻。

– 行星質量適當：星球質量太大則所有生物不會超過昆蟲的高度，也不利於山脈形成；質量太小則無法保證星球具有適當組分和厚度的大氣，行星內部熱量也會耗散太快。

– 位於太陽系適居帶：如果地球再向太陽靠近5%，則地表溫度會升高至900華氏度，類似金星的失控溫室效應；如果再遠離太陽約20%，則地表將會出現失控冰河化如火星般荒蕪。

– 行星公轉軌道幾乎是圓：地球繞太陽軌道的偏心率在0.0167左右，幾乎為正圓，伴以地球的自轉，使其光照持續、規律、均勻，極大地保證了地表溫度穩定。

– 具有像木星這樣的大質量的臨近行星：臨近的木星和土星吸收了絕大部分具毀滅性的小行星撞擊。另外木星的直徑是地球的11倍， 質量是地球的318倍；木星的軌道近似為圓形，使地球的軌道得以保持幾乎正圓形。

– 太陽質量和元素組成、能量來源、輻射機制和演化過程：比太陽更重的恆星的壽命較短，並且在活躍期的亮度變化會更明顯，太陽這樣的“黃矮星”保證恆星發出持續穩定的光線，在每11年的黑子周期內的變化只有千分之一； 另外如果太陽太大則對地球會形成“潮汐鎖定”，地球將永遠只有一面沖向太陽。“黃矮星”發出的紅、黃光的混合使光合作用效率遠較“紅矮星”的偏紅光為高，而銀河系中接近85%的恆星是“紅矮星”，“黃矮星”約為10%只是少數。如果圍繞“紅矮星”的行星上想有液態水存在，那麼這樣的行星就要更靠近其主星，但是這樣會致使潮汐效果增大，最終有可能導致“潮汐鎖定”。另外“紅矮星”的“日冕”也會比較大，致使其過多的“太陽風暴”會消耗行星大氣中的臭氧含量，而臭氧對於屏蔽來自恆星的對生物危害最大 的短波紫外線具有重要作用。

– 太陽系位於銀河系的適居帶：太陽系位於在銀河系的旋臂夾縫中，遠離超新星爆發活躍區。如太陽系離銀心太近則會處在高能輻射線的包圍中，如離銀心太遠則很難吸積重元素（在此處重元素豐度低）致使生命成為不可能。並且太陽系靠近銀河系的共旋圓周，太陽系不必穿越銀河系的危險地帶。

– 銀河系存在重元素： 銀河系按質量和亮度來說處於所觀察到的星系中最高的1%到2%，質量越大的星系就越容易從最初的氫、氦元素生成重元素。

– 銀河系是棒旋星系：宇宙中存在大量橢圓星系（其內恆星的運行較隨機，缺乏重元素而無法形成地球這樣的行星）和不規則星系（於橢圓星系又次之），它們均不利生命產生和延續。

– 位於宇宙適居時期：現今宇宙富含重元素，但卻少有高強度宇宙輻射事件。

– 行星地表富有多種豐富的礦藏等資源：致使高等文明得以出現、發展和延續。

– 行星為高等智慧生命提供宇宙觀測的可能：地球透明的大氣以及太陽系在銀河系中較暗區域兩個因素使人類從地球觀測研究宇宙成為可能。比如觀察日全食： 太陽比月球大400倍，但也比月球離地球遠400倍，這致使太陽系八大行星（和它們的63個衛星）中，地球-月球系統是唯一可見日全食的星球；日全食時，人們能觀測色球層和日冕等太陽大氣現象，故觀測日全食是天文學家研究太陽大氣的絕佳時機；日全食也對1919年驗證廣義相對論起到了關鍵作用；日全食還使天文學家得以根據歷史記錄計算過去地球運行 軌道的變化，使得將幾千年內的古代日曆和現代日曆得以對應成為可能。地球這樣的星球能夠為高等智慧同時提供可居住性和可研究性。

<圖15> 可見光位於電磁波譜中極窄的位置，但它也正好是可以穿過大氣層的波段。

<圖16> 太陽及其八顆行星比例及距離示意圖。

<圖17> 一個安全的位置 —— 銀河繫結構及太陽系所在位置（“YOU ARE HERE”）及軌道（白色箭頭）示 意圖。

所有以上這些因素必須維持在非常窄的區間，任何基本參數如果發生了哪怕些許的改變，宇宙也將無法形成物質、天文結構、元素多樣性，更勿論及我們所理解的生命的出現、存在以及那所最終帶來的最高等生 命理解宇宙的可能性。

宇宙和人類的產生只是一系列簡單的偶然事件嗎？有多少有理性的人相信從最初的基本粒子到人的意識和思想這樣一長串的極小概率事件由此致彼得發生一定是“簡單”的“偶然”嗎？2002年11月期的《發現》雜誌刊登文章《為什麼存在生命？》指出：“宇宙（的存在）不可能，十分不可能，極度地令人震驚地不可能”。

牛津物理學家、量子計算先驅戴維·多伊奇(David Deutsch)指出，如果有人聲稱自己不認為宇宙的這些微調特徵有什麼令人吃驚的話，那他只是把自己的頭埋在沙子裡 —— 這些特徵非常令人吃驚！

數學家、天體物理學家弗雷德·霍伊爾爵士（Sir Fred Hoyle）在談到碳原子暗示出其背後的設計痕跡時說：“對這些事實基於常識的解釋，表明有一個超級智慧干預了物理、化學和生物學，在自然中盲目的機制根本就不值得一提。從這些事實所計算出來的數值，對我來說有壓倒性的說服力，這個結論幾乎是毫無疑問的。”（A common sense interpretation of the facts suggests that a superintellect has monkeyed withphysics, as well as with chemistry and biology, and that there are no blind forces worth speaking about in nature. The numbers one calculates from the facts seem to me so overwhelming as to put this conclusion almost beyond question.）

物理學家、諾貝爾獎得主阿諾·彭齊亞斯（即“微波背景輻射”的發現者之一）說：“天文學把我們引向一個獨特的事件，一個從無中被創造的宇宙，一個具有極其精妙的平衡、能為允許生命的存在提供合適條件的宇宙。如果排除這一討論中小到荒謬的偶然性，現代科學似乎在建議，存在一個在這一切底層中的‘超自然’的計劃。”（Astronomy leads us to a unique event, a universe which was created out of nothing, and delicately balanced to provide exactly the conditions required to support life. In the absence of an absurdly improbable accident, the observations of modern science seem to suggest an underlying, one might say, supernatural plan.）

艾倫·桑德奇 （Allan R. Sandage）是二十世紀最有影響力之一的美國天文學家，他是第一個計算出較準確“哈勃常數”、和較準確估算出宇宙年齡的天文學家，被譽為最傑出的觀測天文學家。 在1985年於達拉斯舉行的一次關於科學和宗教的會議上，將近60歲的桑德奇當着眾多與會者的面，公開宣稱他已經在50歲時選擇相信基督教宣揚的神。他解釋經過三十多年在天文學領域的研究，他認識到“大爆炸”是一個超自然現象，我們的物理學無法做出完全的解釋；科學已經把我們帶到了“第一事件”的面前，但是科學無法把我們往前再推進以使我們理解“第一原因”了。包含了空間、時間、物質和能量的宇宙的突然出現，向我們指出這一切需要有某種超越這一切的存在。桑德奇說：”我的科學研究告訴我這個世界的所表現的複雜性無法用科學完全解釋，只有通過“超自然”我才能理解關於現實存在的神秘”。(It was my science that drove me to the conclusion that the world is much more complicated than can be explained by science. It was only through the supernatural that I can understand the mystery of existence.)

>此文轉自 waslostisfound.com<