别小看电子：它那点质量，决定了宇宙生命能不能存在

宇宙中的大多数基本常数可以稍微大一点或小一点，我们的宇宙仍然会相似。

但电子质量？它连半点玩笑都开不得。

你看到的那个原子传统模型，就是正电荷原子核被负电荷电子环绕的漂亮图片已经一百多岁了。虽然这个过时的玻尔模型早就该退休了，但它告诉我们一个关键事实：原子的大小取决于电子的电荷与质量之比。

如果电子更重或更轻，原子就会更小或更大，同时更难或更容易电离。说白了，整个物质世界的面貌会彻底改变。

我们宇宙的特性与基本常数值息息相关：光速、引力强度、普朗克常数、基本粒子质量等等。对于大多数这些常数，即使大幅增加或减少它们的值，宇宙仍然会保持基本样貌：有恒星、星系和生命潜力。

但有一个基本常数我们几乎不能改变：电子质量。

否则，复杂分子和生命将永远不可能出现。

让我来告诉你为什么。

物理学家的噩梦：一大堆没解释的常数

宇宙最大的谜团之一是：我们对其中基本物体的许多特性毫无解释。

我们有四种基本力，每种力都有自己的相互作用强度，但我们不知道为什么这些力具有当前的绝对和相对强度。

一些粒子带有电荷，但我们不知道为什么电子、质子或任何夸克的电荷具有现在的值。尽管希格斯为基本粒子提供了静止质量，但我们不知道为什么这些质量有现在的值。其他自然常数，如光速，也没有解释就出现了。

总的来说，描述我们目前理解的宇宙至少需要26个独立的基本常数，而我们不知道为什么这些常数有现在的值。

如果其中一些常数太小或太大，我们所知的宇宙将不可能存在；我们的存在本身就是证据，表明自然规律必须与我们的存在可能性一致。

如果引力稍强或稍弱，恒星、星系、行星和生命仍然存在。其他力的强度、夸克的质量或光速的值也是如此。

当然，原子可能有不同的大小，光信号可能需要不同的时间传播，存在的大型结构可能在细节上有所不同，但仍然是一个可能有类似我们生命的宇宙。

但如果电子质量不同，情况就完全不是这样了。

我们是什么组成的？原子、原子、还是原子

说到我们自己，不可否认我们是由原子组成的。每个原子中心是一个小型、紧凑、重且带正电的原子核：包含原子超过99.9%的质量，但极其微小，尺寸以飞米为单位测量（1飞米是微不足道的10^-15米）。

围绕原子核运行的是电子：更小的粒子，相比之下非常轻，但带有负电荷，等于且与每个质子上的电荷相反。我们在巨型粒子加速器中将电子撞击其他电子和各种粒子，确定如果电子有物理"大小"，至少小于10^-19米。据我们所知，它们可能真的是点状的。

然而，原子本身的大小远远大于其组件。

质子和中子结合形成原子核，然后每个原子通常包含与其核中质子数相等的电子数，形成电中性的结构。电子是点状的（或至少不大于10^-19米），原子核的尺度是飞米级（10^-15米），而原子本身通常以埃为单位测量，一埃是相当大的10^-10米，比原子核大约10万倍，比电子本身的物理大小大10亿倍以上。

人体内的原子数量惊人

我们的存在取决于这些原子。

在人体内，如果计算每个质子、中子和电子的数量，你会得到一个巨大的数字：超过10^29，也就是100八万亿。

这些以原子形式结合在一起，最常见的原子是氢，主要在大爆炸中形成。然而，这个宇宙中自然存在约90种不同的原子（称为元素），特定"种类"的原子由其原子核内的质子总数决定。

几十种这些原子是构成一个完整人类所必需的，氧和碳原子占人体质量的大部分。

对人类存在也至关重要的元素有氮、钙、磷、钾、硫、钠、氯、镁和铁，这些加上氧、碳和氢，构成了平均人体99.9%的质量。

除了在大爆炸中形成的氢，所有这些更重的元素都是在恒星中或恒星过程的余波中形成的。只要我们不过多干扰基本常数，我们仍然会有恒星、核聚变和所有这些重元素的创造。

生命起源的标准故事

这是生命在宇宙中产生的标准故事一部分。

我们所知的宇宙始于热大爆炸，在其后，一切扩张、冷却、变得不那么密集，并在引力影响下逐渐变得不均匀，形成团块和集群。

早期，质子和中子从夸克和胶子形成：即使夸克完全无质量（这也是可能的）。如果你将夸克的质量增加或减少10倍甚至100倍，质子和中子的质量变化很小。

这是因为夸克的质量相对于质子的质量微不足道：仅占质子总质量的约1%。即使夸克都完全无质量，质子的大部分质量来自胶子场（即强力的强度），因此调整夸克质量只会略微改变质子的质量。

不久之后，核聚变发生，创造了氦和锂等轻原子核。

数百万年后，当恒星开始从引力塌陷的物质密集收集形成时，核聚变再次出现。同样，即使对基本常数进行实质性修改也不会禁止这种情况发生，使宇宙中充满恒星形成的重元素：碳、氧、氮等等。

一旦星际介质变得足够丰富，形成的下一代恒星将富含足够的重元素，岩石行星（或气态巨行星周围的岩石卫星）可以形成，提高生命最终在宇宙中出现的可能性。

几乎所有基本常数都可以改变，除了电子质量

几乎任何基本常数——光速、引力常数、普朗克常数、夸克质量等——都可以大幅改变，大幅提高或降低，这个宇宙故事的大致轮廓仍然保持不变。

但如果你试图以这种方式调整电子的质量，生命出现的可能性迅速消失。

如果过度增加电子质量，即使在阳光直射下，原子和分子跃迁在常规条件下也将不可能。

同样，如果显著降低电子质量，即使是弱的低能相互作用也会阻止我们长时间拥有任何类型的稳定原子或分子。

只有在我们宇宙中电子质量的实际值，或者至少在那个质量落在非常狭窄的范围内，生命、有机分子，甚至任何类型的复杂化学才可能存在。

我们可以通过比较我们最常见的氢形式（一个单独的质子被一个单独的电子环绕）与只能在实验室条件下短暂制造的特殊"奇异"氢类型：μ介子氢来理解这一点。

μ介子氢的故事

虽然常规、正常物质由质子、中子和电子组成，但当涉及到物质时，这些并不是唯一的可能性。质子和中子由上夸克和下夸克组成，但存在四种其他更重的夸克：奇异、粲、底和顶夸克。

电子可能是最轻的带电粒子，但它有两个更重的不稳定表亲：μ介子和τ介子。

虽然单个质子和电子是稳定的（以及由质子和中子组合成的原子核），但其他类型的物质——由更重的夸克组成或包含μ介子或τ介子的物质不会长期存在。由于弱核相互作用，它们将迅速衰变成更轻、更稳定的"子"粒子。

然而，μ介子是不稳定基本粒子中寿命最长的，平均寿命达到惊人的2.2微秒。

这可能看起来根本不是很长时间，但足以让μ介子与质子形成束缚态，创造一种在许多重要方面不同的奇异氢形式。μ介子与电子一样，是轻子，带有与质子相等且相反的电荷，并且比质子本身轻得多。

然而，与电子相比，μ介子的质量大约是电子的206倍，同时保持相同的电荷。这种更重的质量意味着电力（使电子不会飞离原子核）使μ介子比电子更靠近原子核。

比例直接相关：对于μ介子，一个质量是电子206倍但电荷相同的粒子，μ介子氢的半径是标准氢的1/206。不是约1埃（10^-10米）大小的正常氢原子，μ介子氢原子只有约0.005埃（5 × 10^-13米）大。

μ介子比电子重，不稳定，几微秒后会自发衰变为电子、电子反中微子和μ介子中微子。然而，只要μ介子存在且μ介子氢保持稳定，它与标准氢之间有许多重要区别。

也许最大的区别在于能量水平。

正常（含电子）氢只有特定的能量水平：基态（n=1）、第一激发态（n=2），一直到完全电离态（n=∞），为了提高能量水平，需要合适能量的光子与之相互作用。从基态（最低能量状态）上升到第一激发态，需要10.2电子伏特（eV）的能量；要完全电离，需要13.6 eV的能量。

由于μ介子质量是电子的206倍，所需能量也是206倍。除非2.1千电子伏特（keV）的光子击中它，否则μ介子氢不能被激发，除非至少2.8 keV的光子击中它，否则不能被电离。

我们宇宙中有这种能量的光子，但它们很少：它们是X射线的例子。

像太阳这样的恒星确实发射X射线，但数量很少：只有可见光能量的约万亿分之一。

阳光为地球上的各种原子和分子过程提供动力，包括极其重要的生物光合作用，正是因为大量的太阳能量照射到地球上，生命才有可能。

太阳向它照射的地球每平方米提供约1500瓦功率，大部分能量以可见光、近红外和紫外线形式出现。其中只有约十纳瓦（10^-8瓦）以X射线形式存在。

换句话说，如果电子的静止质量显著高于现在，驱动地球上所有生物过程的基于化学的反应将极其罕见，因为宇宙中发生的能量事件——恒星发光、地热热量、火山爆发等甚至只会很少能够引起原子或分子跃迁。

没有这些，任何类型的复杂化学、链式反应或生物过程都无法可靠发生，更不用说容易和普遍发生。如果电子比现在重，即使只有10倍左右（甚至可能更少），这样的宇宙将无法支持我们所知和理解的生命。

如果电子太轻，则会出现相反的问题。

正如较重的电子意味着更小、更紧密结合和更难激发（或电离）的原子，较轻的电子将转化为相反的条件：更大、更松散结合、更容易激发（或电离）的原子。与较重电子的情况一样，这不仅适用于氢，而是适用于任何和所有原子。

现在考虑可见光光子，它的平均能量约为2或3 eV。如果我们将电子质量减少五倍，仅为现在质量的20%，那么不是原子或分子跃迁在直射阳光下频繁发生，原子和分子键将被彻底破坏，因为这些原子和分子会被完全电离，仅仅是由于暴露在光线下。

阳光有创造的力量，但也有破坏的力量。

正是因为电子质量落入那个"甜蜜点"，原子和分子跃迁通常被阳光直射刺激，但那些键不会被阳光的能量破坏，所以许多反应，包括光合作用，在我们的世界和宇宙中是可能和常见的。

精细调整还是幸运巧合？

人们经常问的一个问题是，当看着自然规律和描述它的基本常数时，我们的宇宙是否为我们的存在而精细调整。

对于大多数规律和大多数常数，普遍理解是增加或减少相互作用的强度或常数的值会改变我们宇宙的某些细节，但它仍会非常像我们所知的宇宙。

即使我们大幅改变10倍、100倍、1000倍或更多，虽然我们的宇宙会有明显差异，但我们熟悉的事物，如原子、分子、恒星、黑洞、核反应、行星、星系，甚至化学和生命，可能仍然以某种形式存在。

但我们宇宙中小尺度物体的基本构建块结构，即原子，对电子质量极其敏感。如果其他一切保持不变，但电子质量与今天的值有实质性差异，无论是显著更轻还是更重复杂的化学和生命过程几乎都将被禁止。

电子太轻会导致一个宇宙，原子和分子太容易被破坏，甚至可见光都会"烹饪"任何试图形成的东西。电子太重，原子和分子就无法离开基态，无法进行所有化学和生物反应所依赖的那些跃迁。

生命在我们的宇宙中当然是可能的，有我们现有的常数。但如果电子质量只稍微改变一点——更重或更轻——宇宙将会更加孤独。

电子质量：宇宙中的完美偶然

在你尝试理解这个点之前，让我再说一次：宇宙中几乎所有的物理常数都可以大幅度改变，而几乎不影响生命存在的可能性。

但电子质量除外！它必须处于一个极其狭窄的范围内，才能让你读到这篇文章，让我写这篇文章，让我们所知道的一切成为可能。

这是巧合吗？是命中注定的精细调整吗？还是多元宇宙中无数可能性的统计必然？

科学无法回答这个问题，但有一件事是确定的：如果你相信生命不是巧合，那么电子质量的"恰到好处"简直就是宇宙给我们的最大礼物。

没有它精确的质量值，你、我和我们所知的一切都不会存在。在无限多的可能性中，我们生活在那个电子质量刚好能让生命蓬勃发展的宇宙中。

如果这不是值得碰杯庆祝的事，我不知道什么是。