宇宙中的大多數(shù)基本常數(shù)可以稍微大一點(diǎn)或小一點(diǎn)，我們的宇宙仍然會相似。
但電子質(zhì)量？它連半點(diǎn)玩笑都開不得。
你看到的那個原子傳統(tǒng)模型，就是正電荷原子核被負(fù)電荷電子環(huán)繞的漂亮圖片已經(jīng)一百多歲了。雖然這個過時的玻爾模型早就該退休了，但它告訴我們一個關(guān)鍵事實(shí)：原子的大小取決于電子的電荷與質(zhì)量之比。
如果電子更重或更輕，原子就會更小或更大，同時更難或更容易電離。說白了，整個物質(zhì)世界的面貌會徹底改變。
我們宇宙的特性與基本常數(shù)值息息相關(guān)：光速、引力強(qiáng)度、普朗克常數(shù)、基本粒子質(zhì)量等等。對于大多數(shù)這些常數(shù)，即使大幅增加或減少它們的值，宇宙仍然會保持基本樣貌：有恒星、星系和生命潛力。
但有一個基本常數(shù)我們幾乎不能改變：電子質(zhì)量。
否則，復(fù)雜分子和生命將永遠(yuǎn)不可能出現(xiàn)。
讓我來告訴你為什么。
物理學(xué)家的噩夢：一大堆沒解釋的常數(shù)
宇宙最大的謎團(tuán)之一是：我們對其中基本物體的許多特性毫無解釋。
我們有四種基本力，每種力都有自己的相互作用強(qiáng)度，但我們不知道為什么這些力具有當(dāng)前的絕對和相對強(qiáng)度。
一些粒子帶有電荷，但我們不知道為什么電子、質(zhì)子或任何夸克的電荷具有現(xiàn)在的值。盡管希格斯為基本粒子提供了靜止質(zhì)量，但我們不知道為什么這些質(zhì)量有現(xiàn)在的值。其他自然常數(shù)，如光速，也沒有解釋就出現(xiàn)了。
總的來說，描述我們目前理解的宇宙至少需要26個獨(dú)立的基本常數(shù)，而我們不知道為什么這些常數(shù)有現(xiàn)在的值。
如果其中一些常數(shù)太小或太大，我們所知的宇宙將不可能存在；我們的存在本身就是證據(jù)，表明自然規(guī)律必須與我們的存在可能性一致。
如果引力稍強(qiáng)或稍弱，恒星、星系、行星和生命仍然存在。其他力的強(qiáng)度、夸克的質(zhì)量或光速的值也是如此。
當(dāng)然，原子可能有不同的大小，光信號可能需要不同的時間傳播，存在的大型結(jié)構(gòu)可能在細(xì)節(jié)上有所不同，但仍然是一個可能有類似我們生命的宇宙。
但如果電子質(zhì)量不同，情況就完全不是這樣了。
我們是什么組成的？原子、原子、還是原子
說到我們自己，不可否認(rèn)我們是由原子組成的。每個原子中心是一個小型、緊湊、重且?guī)д姷?a class="keyword-search" >原子核：包含原子超過99.9%的質(zhì)量，但極其微小，尺寸以飛米為單位測量（1飛米是微不足道的10^-15米）。
圍繞原子核運(yùn)行的是電子：更小的粒子，相比之下非常輕，但帶有負(fù)電荷，等于且與每個質(zhì)子上的電荷相反。我們在巨型粒子加速器中將電子撞擊其他電子和各種粒子，確定如果電子有物理"大小"，至少小于10^-19米。據(jù)我們所知，它們可能真的是點(diǎn)狀的。
然而，原子本身的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其組件。
質(zhì)子和中子結(jié)合形成原子核，然后每個原子通常包含與其核中質(zhì)子數(shù)相等的電子數(shù)，形成電中性的結(jié)構(gòu)。電子是點(diǎn)狀的（或至少不大于10^-19米），原子核的尺度是飛米級（10^-15米），而原子本身通常以埃為單位測量，一埃是相當(dāng)大的10^-10米，比原子核大約10萬倍，比電子本身的物理大小大10億倍以上。
人體內(nèi)的原子數(shù)量驚人
我們的存在取決于這些原子。
在人體內(nèi)，如果計(jì)算每個質(zhì)子、中子和電子的數(shù)量，你會得到一個巨大的數(shù)字：超過10^29，也就是100八萬億。
這些以原子形式結(jié)合在一起，最常見的原子是氫，主要在大爆炸中形成。然而，這個宇宙中自然存在約90種不同的原子（稱為元素），特定"種類"的原子由其原子核內(nèi)的質(zhì)子總數(shù)決定。
幾十種這些原子是構(gòu)成一個完整人類所必需的，氧和碳原子占人體質(zhì)量的大部分。
對人類存在也至關(guān)重要的元素有氮、鈣、磷、鉀、硫、鈉、氯、鎂和鐵，這些加上氧、碳和氫，構(gòu)成了平均人體99.9%的質(zhì)量。
除了在大爆炸中形成的氫，所有這些更重的元素都是在恒星中或恒星過程的余波中形成的。只要我們不過多干擾基本常數(shù)，我們?nèi)匀粫泻阈?、核聚變和所有這些重元素的創(chuàng)造。
生命起源的標(biāo)準(zhǔn)故事
這是生命在宇宙中產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)故事一部分。
我們所知的宇宙始于熱大爆炸，在其后，一切擴(kuò)張、冷卻、變得不那么密集，并在引力影響下逐漸變得不均勻，形成團(tuán)塊和集群。
早期，質(zhì)子和中子從夸克和膠子形成：即使夸克完全無質(zhì)量（這也是可能的）。如果你將夸克的質(zhì)量增加或減少10倍甚至100倍，質(zhì)子和中子的質(zhì)量變化很小。
這是因?yàn)榭淇说馁|(zhì)量相對于質(zhì)子的質(zhì)量微不足道：僅占質(zhì)子總質(zhì)量的約1%。即使夸克都完全無質(zhì)量，質(zhì)子的大部分質(zhì)量來自膠子場（即強(qiáng)力的強(qiáng)度），因此調(diào)整夸克質(zhì)量只會略微改變質(zhì)子的質(zhì)量。
不久之后，核聚變發(fā)生，創(chuàng)造了氦和鋰等輕原子核。
數(shù)百萬年后，當(dāng)恒星開始從引力塌陷的物質(zhì)密集收集形成時，核聚變再次出現(xiàn)。同樣，即使對基本常數(shù)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性修改也不會禁止這種情況發(fā)生，使宇宙中充滿恒星形成的重元素：碳、氧、氮等等。
一旦星際介質(zhì)變得足夠豐富，形成的下一代恒星將富含足夠的重元素，巖石行星（或氣態(tài)巨行星周圍的巖石衛(wèi)星）可以形成，提高生命最終在宇宙中出現(xiàn)的可能性。
幾乎所有基本常數(shù)都可以改變，除了電子質(zhì)量
幾乎任何基本常數(shù)——光速、引力常數(shù)、普朗克常數(shù)、夸克質(zhì)量等——都可以大幅改變，大幅提高或降低，這個宇宙故事的大致輪廓仍然保持不變。
但如果你試圖以這種方式調(diào)整電子的質(zhì)量，生命出現(xiàn)的可能性迅速消失。
如果過度增加電子質(zhì)量，即使在陽光直射下，原子和分子躍遷在常規(guī)條件下也將不可能。
同樣，如果顯著降低電子質(zhì)量，即使是弱的低能相互作用也會阻止我們長時間擁有任何類型的穩(wěn)定原子或分子。
只有在我們宇宙中電子質(zhì)量的實(shí)際值，或者至少在那個質(zhì)量落在非常狹窄的范圍內(nèi)，生命、有機(jī)分子，甚至任何類型的復(fù)雜化學(xué)才可能存在。
我們可以通過比較我們最常見的氫形式（一個單獨(dú)的質(zhì)子被一個單獨(dú)的電子環(huán)繞）與只能在實(shí)驗(yàn)室條件下短暫制造的特殊"奇異"氫類型：μ介子氫來理解這一點(diǎn)。
μ介子氫的故事
雖然常規(guī)、正常物質(zhì)由質(zhì)子、中子和電子組成，但當(dāng)涉及到物質(zhì)時，這些并不是唯一的可能性。質(zhì)子和中子由上夸克和下夸克組成，但存在四種其他更重的夸克：奇異、粲、底和頂夸克。
電子可能是最輕的帶電粒子，但它有兩個更重的不穩(wěn)定表親：μ介子和τ介子。
雖然單個質(zhì)子和電子是穩(wěn)定的（以及由質(zhì)子和中子組合成的原子核），但其他類型的物質(zhì)——由更重的夸克組成或包含μ介子或τ介子的物質(zhì)不會長期存在。由于弱核相互作用，它們將迅速衰變成更輕、更穩(wěn)定的"子"粒子。
然而，μ介子是不穩(wěn)定基本粒子中壽命最長的，平均壽命達(dá)到驚人的2.2微秒。
這可能看起來根本不是很長時間，但足以讓μ介子與質(zhì)子形成束縛態(tài)，創(chuàng)造一種在許多重要方面不同的奇異氫形式。μ介子與電子一樣，是輕子，帶有與質(zhì)子相等且相反的電荷，并且比質(zhì)子本身輕得多。
然而，與電子相比，μ介子的質(zhì)量大約是電子的206倍，同時保持相同的電荷。這種更重的質(zhì)量意味著電力（使電子不會飛離原子核）使μ介子比電子更靠近原子核。
比例直接相關(guān)：對于μ介子，一個質(zhì)量是電子206倍但電荷相同的粒子，μ介子氫的半徑是標(biāo)準(zhǔn)氫的1/206。不是約1埃（10^-10米）大小的正常氫原子，μ介子氫原子只有約0.005埃（5 × 10^-13米）大。
μ介子比電子重，不穩(wěn)定，幾微秒后會自發(fā)衰變?yōu)殡娮?、電子反中微子和μ介子中微子。然而，只要μ介子存在且μ介子氫保持穩(wěn)定，它與標(biāo)準(zhǔn)氫之間有許多重要區(qū)別。
也許最大的區(qū)別在于能量水平。
正常（含電子）氫只有特定的能量水平：基態(tài)（n=1）、第一激發(fā)態(tài)（n=2），一直到完全電離態(tài)（n=∞），為了提高能量水平，需要合適能量的光子與之相互作用。從基態(tài)（最低能量狀態(tài)）上升到第一激發(fā)態(tài)，需要10.2電子伏特（eV）的能量；要完全電離，需要13.6 eV的能量。
由于μ介子質(zhì)量是電子的206倍，所需能量也是206倍。除非2.1千電子伏特（keV）的光子擊中它，否則μ介子氫不能被激發(fā)，除非至少2.8 keV的光子擊中它，否則不能被電離。
我們宇宙中有這種能量的光子，但它們很少：它們是X射線的例子。
像太陽這樣的恒星確實(shí)發(fā)射X射線，但數(shù)量很少：只有可見光能量的約萬億分之一。
陽光為地球上的各種原子和分子過程提供動力，包括極其重要的生物光合作用，正是因?yàn)榇罅康?a class="keyword-search" >太陽能量照射到地球上，生命才有可能。
太陽向它照射的地球每平方米提供約1500瓦功率，大部分能量以可見光、近紅外和紫外線形式出現(xiàn)。其中只有約十納瓦（10^-8瓦）以X射線形式存在。
換句話說，如果電子的靜止質(zhì)量顯著高于現(xiàn)在，驅(qū)動地球上所有生物過程的基于化學(xué)的反應(yīng)將極其罕見，因?yàn)橛钪嬷邪l(fā)生的能量事件——恒星發(fā)光、地?zé)釤崃?、火山爆發(fā)等甚至只會很少能夠引起原子或分子躍遷。
沒有這些，任何類型的復(fù)雜化學(xué)、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)或生物過程都無法可靠發(fā)生，更不用說容易和普遍發(fā)生。如果電子比現(xiàn)在重，即使只有10倍左右（甚至可能更少），這樣的宇宙將無法支持我們所知和理解的生命。
如果電子太輕，則會出現(xiàn)相反的問題。
正如較重的電子意味著更小、更緊密結(jié)合和更難激發(fā)（或電離）的原子，較輕的電子將轉(zhuǎn)化為相反的條件：更大、更松散結(jié)合、更容易激發(fā)（或電離）的原子。與較重電子的情況一樣，這不僅適用于氫，而是適用于任何和所有原子。
現(xiàn)在考慮可見光光子，它的平均能量約為2或3 eV。如果我們將電子質(zhì)量減少五倍，僅為現(xiàn)在質(zhì)量的20%，那么不是原子或分子躍遷在直射陽光下頻繁發(fā)生，原子和分子鍵將被徹底破壞，因?yàn)檫@些原子和分子會被完全電離，僅僅是由于暴露在光線下。
陽光有創(chuàng)造的力量，但也有破壞的力量。
正是因?yàn)殡娮淤|(zhì)量落入那個"甜蜜點(diǎn)"，原子和分子躍遷通常被陽光直射刺激，但那些鍵不會被陽光的能量破壞，所以許多反應(yīng)，包括光合作用，在我們的世界和宇宙中是可能和常見的。
精細(xì)調(diào)整還是幸運(yùn)巧合？
人們經(jīng)常問的一個問題是，當(dāng)看著自然規(guī)律和描述它的基本常數(shù)時，我們的宇宙是否為我們的存在而精細(xì)調(diào)整。
對于大多數(shù)規(guī)律和大多數(shù)常數(shù)，普遍理解是增加或減少相互作用的強(qiáng)度或常數(shù)的值會改變我們宇宙的某些細(xì)節(jié)，但它仍會非常像我們所知的宇宙。
即使我們大幅改變10倍、100倍、1000倍或更多，雖然我們的宇宙會有明顯差異，但我們熟悉的事物，如原子、分子、恒星、黑洞、核反應(yīng)、行星、星系，甚至化學(xué)和生命，可能仍然以某種形式存在。
但我們宇宙中小尺度物體的基本構(gòu)建塊結(jié)構(gòu)，即原子，對電子質(zhì)量極其敏感。如果其他一切保持不變，但電子質(zhì)量與今天的值有實(shí)質(zhì)性差異，無論是顯著更輕還是更重復(fù)雜的化學(xué)和生命過程幾乎都將被禁止。
電子太輕會導(dǎo)致一個宇宙，原子和分子太容易被破壞，甚至可見光都會"烹飪"任何試圖形成的東西。電子太重，原子和分子就無法離開基態(tài)，無法進(jìn)行所有化學(xué)和生物反應(yīng)所依賴的那些躍遷。
生命在我們的宇宙中當(dāng)然是可能的，有我們現(xiàn)有的常數(shù)。但如果電子質(zhì)量只稍微改變一點(diǎn)——更重或更輕——宇宙將會更加孤獨(dú)。
電子質(zhì)量：宇宙中的完美偶然
在你嘗試?yán)斫膺@個點(diǎn)之前，讓我再說一次：宇宙中幾乎所有的物理常數(shù)都可以大幅度改變，而幾乎不影響生命存在的可能性。
但電子質(zhì)量除外！它必須處于一個極其狹窄的范圍內(nèi)，才能讓你讀到這篇文章，讓我寫這篇文章，讓我們所知道的一切成為可能。
這是巧合嗎？是命中注定的精細(xì)調(diào)整嗎？還是多元宇宙中無數(shù)可能性的統(tǒng)計(jì)必然？
科學(xué)無法回答這個問題，但有一件事是確定的：如果你相信生命不是巧合，那么電子質(zhì)量的"恰到好處"簡直就是宇宙給我們的最大禮物。
沒有它精確的質(zhì)量值，你、我和我們所知的一切都不會存在。在無限多的可能性中，我們生活在那個電子質(zhì)量剛好能讓生命蓬勃發(fā)展的宇宙中。
如果這不是值得碰杯慶祝的事，我不知道什么是。
熱門跟貼