三、解密超新星爆发

撰文 汉斯•A•贝蒂(Hans A. Bethe) 杰拉尔德•布朗(Gerald Brown)

贝蒂是1967年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1985年5月《科学美国人》

超新星爆发是从恒星坍缩(即向心聚爆)开始的。那么，它又是怎么改变方向，将大部分的恒星质量向外抛射出去的呢?在某一阶段，恒星物质的向内运动肯定会停止，然后反向运动，由向心聚爆转变成向外爆发。

结合计算机模拟和理论分析，关于超新星爆发机制的整套理论开始慢慢浮出水面。看起来，反转过程中的关键步骤是形成了向外传播的冲击波。

当恒星核心的密度达到原子量级时，坍缩会突然停止。这会在恒星核介质中引发朝着反方向传播的声波，就像锤头砸到铁砧上时锤柄产生的振动。当声波从均匀的恒星核心传播出来时，声波的传播速度会逐渐减慢。这由两个原因造成，一是由于它的局部速度降低;二是它在迎着越来越快的坍缩物质“逆流而上”。到达音速点(传播速度达到声速时所在的区域)时，声波完全停下来。同时，更多的物质还在不断向着恒星核心的核物质硬球坍缩，激发更多的声波。在几分之一毫秒的时间里，声波在音速点汇聚，不断产生压力。坍缩物质通过音速点时，这种压力延缓了物质的坍落速度，造成了速度断层。这种不连续的速度变化触发了激波。

在恒星核心，向内坍缩的物质落到“硬球”的表面后急停，但不是瞬间完全停止。动量会让坍缩超越平衡点，让核心密度达到甚至超过原子核的密度，我们把这一时间点称作“最大压缩”时刻。在最大压缩之后，核物质会反弹回去，就像一个被压缩了的橡胶球。这种反弹会产生更多的声波，汇入不断增强的激波里。

激波有两个特性与声波不同。首先，声波不会对媒介造成永久性的影响，声波通过之后，物质就恢复到先前的状态。而激波的通过会导致密度、压力和熵的巨大变化。其次，正如其名，声波以声速传播。而激波的速度更快，速度值由波的能量决定。因此，一旦音速点上累积的压力形成了激波，向内坍缩的物质就无法把激波限制在音速点了，它会不断向外传播，直达恒星外层的物质。计算机模拟的结果表明，激波的传播速度很快，在30 000千米/秒～50 000千米/秒之间。

恒星外层发生爆炸后，恒星核的命运仍不甚明了。据推测，较轻恒星的爆发会留下一个稳定的中子星。根据威尔逊的计算，超过20个太阳质量的恒星将会留下一个超过两个太阳质量的致密残骸。这种残骸会成为一个黑洞，里面物质的密度会被压缩到无穷大。

四、宇宙中的生命

撰文 史蒂芬•温伯格(Steven Weinberg)

1979年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1994年10月《科学美国人》

正如我们所知，物理学里面有那么几个参量，如果其中任何一个的数值发生了哪怕一丁点儿改变，生命就不可能出现。这些参量中，最著名的是碳12原子的一个激发态的能量。在恒星内部生成重元素的一系列核反应中，有一个必要环节。在这个环节里，两个氦原子核相结合，形成不稳定的铍8原子。在发生裂变之前，铍8原子有时会再吸收一个氦原子核，这就形成了处于上述激发态的碳12原子。接着，碳12原子核会辐射出一个光子，衰变到最低能态的稳定态。在接下来的核反应里，碳结合成氧和氮，以及生命必需的其他重元素。但是，铍8原子捕捉氦原子的过程是一个共振过程，反应速率随着参与反应的原子核的能量而变化，能量过高或过低都不利于反应进行——如果碳12原子的那个激发态的能量高那么一点点的话，它的产生率就要低很多，从而导致铍8原子核在碳形成之前，就可能裂变成了氦原子核。那样，宇宙将几乎全部由氢和氦构成，不会有生命元素存在。

自然常数需要精确到何等程度才能让生命出现，科学家的意见并不统一。碳12的那个激发态的能量为何如此接近共振能量，也有另外的解释。但是，有一个常数似乎确实需要超乎想象的精细调节：这就是真空能，或者说宇宙学常数，它同宇宙膨胀相关。

虽然我们无法计算真空能的大小，但我们能够算出产生真空能的那些能量的大小(例如引力场里量子涨落的能量，量子涨落尺度大小不低于约10-33厘米)。根据我们对目前宇宙膨胀速度的观测结果，真空能有一个上限，而产生真空能的那些能量的总和，要比真空能的上限值大120个数量级。如果对真空能有贡献的那些能量没有相互抵消的话，根据真空能总量的计算，那么在生命出现之前，宇宙可能已经进行完了一次膨胀和收缩的循环，或者膨胀速度太快，以至于不可能形成星系或恒星。

因此，任何形式生命的存在，似乎都需要那些对真空能有贡献的能量彼此相消，而且抵消程度要精确度到小数点后约120位。或许，这种相互抵消将来能得到某种理论的解释，但到目前为止，在弦理论和量子场论中，真空能都含有任意常数，它们必须得到精细调整，以使总真空能足够小，让生命有可能存在。

其实，我们无需假设在基本自然法则或初始条件中，有某些生命或意识在扮演关键角色，上述问题就能得到解释。或许，我们现在所称的自然常数在宇宙的一个部分和另一个部分里并不相同(在这里，“宇宙的不同部分”可以有多种理解，例如可以指宇宙膨胀的某个阶段不同的扩张区域，在这些区域中，各种普遍存在的场取值不同;或指在某些量子天文学研究所提出的不同的量子力学“世界线”)。如果确实如此，那么在宇宙的某些区域中可能发现生命(即便在大部分区域里都没有)，也就不令人吃惊了。

任何进化到可以测量自然常数这个程度的生物，都会发现这些常数的值恰好允许生命存在。在宇宙其他区域，这些常数可能有其他的数值，但那里没有人去测量。不过，这并不是说生命在基本的自然法则中起着某些特殊作用，就像太阳有一颗能孕育有生命的行星，但并不代表生命在太阳系的形成过程中也会起作用一样。