那只公鸡就像一个脾气急躁的人。像生活在城市里的某个人，他似乎总是有很多事要做，但从未做成什么事，除了专心于自己来去匆匆。生命不像在乡村里那样：这里每件事物像生命本身一样缓慢运动。为什么人们这样急急匆匆而施了肥的植物生长如此缓慢呢？
——亨宁·曼克尔[27]
如果大自然的常数是缓慢地变化的，那么我们只有一种方式滑向灭亡。我们已经知道，我们的存在是利用了大自然不同的常数数值之间的许多特殊的巧合，而且常数的观测值落在某些很狭窄的窗口，使生命有机会存在。如果这些常数的数值实际上是变动的，会发生什么呢？它们可能滑出允许生命存在的范围吗？在宇宙的历史中是否正好有特殊的年代十分适宜于生命？
有两种情形此时有可能详细地检验传统常数的变化。因为只有当精细结构“常数”α或牛顿的引力“常数”G是变化的时候，我们才拥有包括这些变化的完整理论。这些理论是1915年爱因斯坦创立的著名的广义相对论的推广。[28]它们允许我们将我们的宇宙怎样膨胀的图景延伸到包含这些常数变化的情况。如果我们知道在某个时代与某一变化的大小有关的事，我们就能够利用这个理论来计算在其他时代将会看到什么。按照这种说法，常数是不停变化的假设变得更加容易受到观测的非难。
如果像G和α这些常数的确不随时间变化，那么我们的宇宙的标准历史具有一把宽面刷子的外貌。在最初30万年期间宇宙中的主要能量是辐射，而且温度超过3 000度，这太热了，以至任何原子或分子都无法存在。这宇宙是电子、光波的光子和核子的一大锅汤。
我们称这是宇宙的“辐射时代”。但是大约在30万年时出现一个大变化。物质的能量赶上并超过辐射的能量。宇宙的膨胀速率现在主要是由氢和氦的原子核的密度来支配了。不久温度下降到足够低，首先形成简单的原子和分子。在随后的130亿年里，接连形成更复杂的结构：星系、恒星、行星以及最终是人类。这是称作宇宙历史的“物质时代”。但是这物质时代不会顺利延续直到今天。如果宇宙在那时以足够快的速率继续膨胀，最终物质不会再是物质，而且膨胀正好能逃脱引力的减速控制，就像一枚火箭以超过地球的逃逸速度发射。当此情况发生时，我们说宇宙是处在“曲率支配”的状态，因为快速膨胀产生一个负曲率的天文学空间，正好像接近乘骑的鞍座。
对于不断膨胀的宇宙有三条轨迹可循（见此处）。“封闭的”宇宙膨胀太慢，难以克服引力的减速效应，并最终崩坍回到高密度状态。“开放的”宇宙具有巨大的膨胀能量，超过引力的减速作用且膨胀永远失去控制。介乎两者之间的世界，常称作“平展的”或“临界的”宇宙，在膨胀能量和引力之间具有一种理想的平衡，并永远保持不断膨胀。我们的宇宙是牵引到接近这个临界的或“平展的”今天的状态。
另一个可能性是宇宙的真空能量最终能达到支配通常物质的效应，并引起宇宙膨胀开始加速。值得注意的是，现代的天文学的观测证明，我们的宇宙在相当近的昔日可能已经开始加速，当时宇宙大约处于它今天年龄的四分之三。此外，这些观测暗示我们的宇宙膨胀不会处于曲率支配的状态。自从宇宙大约一秒钟的年龄以来膨胀历史的总体图像见图12.6。这些观测告诉我们，宇宙中大约70％的能量现在是处在真空形态，起着加速膨胀的作用，而差不多剩余的全部都处在物质形态。
图12.6 像我们这样的膨胀的宇宙历史中有三个不同的年代，看来它的现有能量中大约有70％处在未知形态的真空能量，起加速膨胀作用。这类宇宙的膨胀有三个不同的年代，分别受辐射、冷的暗物质和真空能量的支配。
如果精细结构常数有变化，这个故事会有什么发生呢？膨胀实质上不受精细结构常数变化的影响，只要这些变化像观测结果建议的那样微小——比宇宙膨胀缓慢一百万倍——但是急剧地膨胀会影响精细结构“常数”如何改变。
哈佛·桑维克，若昂·马盖若和我研究过宇宙历史的几十亿年间精细结构常数会发生什么样的变化。结论是相当明显而又吸引人的简单。在辐射年代根本没有什么明显的变化。但是一旦物质年代开始，这时宇宙年龄约为30万年，精细结构常数开始非常缓慢地增大其数值。[29]当曲率年代开始时，或者真空能量开始加速宇宙时，这样增长停止了。图12.7显示了具有这样一种特征的宇宙的历史，这个宇宙具有的物质、辐射和真空能量的数值等于我们今天在我们的宇宙中观测到的有关值。
图12.7 在像我们所在的某一宇宙中，精细结构“常数”的预期变化：在宇宙开始加速时，这“常数”停止变化，而且在冷物质占支配地位时期仅有非常缓慢的变化。
这是令人好奇的。它绘制了一幅与一切证据非常符合的图景。我们的宇宙在红移大约为0.5时开始加速，所以在奥克洛反应堆时期精细结构不会有明显的变化。在对应于类星体观测的红移的间隙期间，可以看到这些变化可能具有的形态并且预期在过去α是较小的：恰如我们看到的。如果我继续追溯到红移在1 100附近的情况，从那里微波辐射开始自由地飞向我们，我们预期α的变化应该比现在观测到的灵敏度更小得多。
如果当宇宙膨胀时这些变化真的发生了，那么他们就会有生命演化的结果。我们知道如果精细结构“常数”增长得太大，那么原子和分子将不可能存在，也不可能有恒星形成，因为恒星的中心太冷，难以启动自持的核反应。
因此关键的是宇宙历史的尘埃年代，在此期间精细结构常数增大不会持续太久。没有真空能量或者曲率来使精细结构常数数值稳定增大之势停止下来，就会到达一个不可能有生命的时期。宇宙就会不再适于以原子为基础的生命形态栖居，这些生命形态依靠恒星的能量。
如果以牛顿的“常数”G为代表的引力强度可能有变化，相似的事情也会发生。在辐射年代，它趋向于保持恒定。但是当物质年代开始，其数值也开始下降，直到曲率年代开始。如果宇宙不曾经历一个曲率年代，那么引力只会变得越来越弱，这将使行星和恒星的存在难上加难。这种情况见图12.8。
图12.8 在允许常数发生变化的各种宇宙学理论中，在整个宇宙历史中不断变化的引力“常数”的典型行为。引力强度唯一显著的变化是在冷的暗物质（“尘埃”）支配宇宙的年代，并且由于辐射或控制宇宙膨胀的空间曲率的作用而中断。
这个总体的演化是非常引人注目的。它表明当宇宙处在物质年代时，即使这些常数允许变化，它们只能利用可变化的自由度。如果它们是变化的，那么我们正在进行观测的宇宙正处在某一合适地位的历史期间，此时这些常数拥有的数值允许原子、恒星和行星能够存在。
这里始终有某种神秘的东西存在，为什么我们的宇宙是如此接近今天膨胀的临界状态，以及为什么真空能量是如此令人难以置信地小。我们知道，如果我们太远离临界膨胀速率，那么生命在地球上演化的可能性将会远远小得多，而且也许会同样在宇宙其他任何地方不可能有生命演化。如果宇宙太受曲率的支配，那么膨胀会进行得如此之快，物质的岛屿不可能克服膨胀效应，而收缩形成星系和恒星。另一方面，如果宇宙膨胀太缓慢，它不久就会崩坍回到大坍缩状态。浓密的物质岛屿形成太快，并在恒星和生物化学有机会形成之前就跌落进入大黑洞（见图9.2）。
就真空能量而言，同样如此。如果它有十倍之大，它将会在宇宙历史的早期就启动加速宇宙的膨胀，以致星系和恒星不再有可能从总体膨胀中分离出来。
这两个论证向我们说明，我们不应对发现偏离临界膨胀率不大或者对偏离宇宙中的零真空能量不大而感到惊异。要是它们偏离大，我们就不会在这里了。但是常数变化的可能性为我们提供一个可能的理由：为什么我们不可能观测到恰恰处在临界状态并具有真空能量的宇宙。[30]真空能量和曲率是宇宙的制动器手柄，它们使大自然的常数的变化中断。它们停止这些常数变化。如果它们的变化不被制止，那么它们必将达到会阻碍原子、核子、行星和恒星存在的数值。这宇宙终将变为没有生命，无法包含复杂性的基础材料。那么生命，像一切美好的事物，必定走到尽头。
注释
[1] 王尔德（O. Wilde），《批评家如同艺术家》（1890），载R. Aldington和S. Weintraub编，《袖珍本奥斯卡·王尔德文集》，维京出版社，纽约，1976。
[2] 白朗宁（R. Browning），《罗伯特·白朗宁诗集》，赫里蒂奇出版社，纽约，1971。
[3] G·伽莫夫，《物理学评论通信》，19，759（1967）。萨维多夫（M. P. Savedoff）曾经试图做测量，见“银河外星云中的物理学常数”，载《自然》杂志，178，688—689（1956）。
[4] 阿尔弗（R. Alpher）“大数、宇宙学和伽莫夫”，载《美国科学家》，61，56（1973）。复制得到《美国科学家》许可。
[5] 巴考尔、萨金特和施米特（J. Bahcall, W. Sargent and M. Schmit），《天体物理学杂志》，149，L11（1967）。
[6] 巴考尔和施米特（J. Bahcall and M. Schmit），“精细结构常数随宇宙时间而变化吗？”，载《物理学评论通信》，19，1294—1295（1967）。(www.xing528.com)
[7] M. J. Drinkwater, J. K. Webb, J. D. Barrow and V. V. Flambaum, Not.Roy. Astron. Soc. 295，457（1998）.
[8] 实际上它测量的是gpα2乘积的恒定性，这里gp是质子的“g因子”。我们在这里假定gp是不变的。
[9] 我们再次假定gp是常数。
[10] 这个极限排除了包含与线性源的局域速度的可能变化有关的种种不确定因素。
[11] 科维和桑加利亚（L. L. Cowie and A. Songalia），《天体物理学杂志》，453，596（1995）。
[12] 这些模拟已发展到能预言实验室中原子的谱线和能级的位置，而且维克多·弗朗鲍姆（Flambaum）和他的同事们在新南威尔士大学进行了这项实验。
[13] 这改进了灵敏度，因为对α的灵敏度与原子结构的相对论方面有关，一起构成（αZ）2，这里Z是原子的原子序数（原子核中的质子数）。因此比较具有大Z值和小Z值的不同原子的谱线，在灵敏度上能得到明显的好处，超过观测具有相同Z值一个品种的双线的各种方法。
[14] 莫德林（W. Maudlin），《在前面》的卡通说明（1945）。
[15] 《科学美国人》，1998年11月号，科学和公民“非不变的常数”，Robert J. Scherrer引用。
[16] 在实验室对所需的谱线测量达到必要的精确度（对此在以前看来没有这个需要）是富有挑战性的并且利用较多实验室观测，“多体多重谱线”（MM）方法可从所提供的数据抽取出更多信息。
[17] 这是迈克尔·墨菲（Michael Murphy）为作者准备的。
[18] J. K. Webb, M. T. Murphy, V. V. Flambaum, V. A. Dzuba, J. D. Barrow, C. W. Churchill, J. X. Prochaska和A. M. Wolfe，“关于精细结构常数的宇宙学演化的进一步的证据”，载《物理学评论通信》，87，091301（2001）。包含了来自萨金特的新数据，检测到α的变异的统计学上的显著性要优于7-西格马（σ）。
[19] 这可与在1999年第一轮观测得到的结果比较：
Δα/α=[α（z）-α（现在）]/α（现在）=（-1.09± 0.36）×10-5发表于J. K. Webb, V. V. Flambaum, C. W. Churchill, M. J. Drinkwater和J. D. Barrow，《物理学评论通信》，82，884（1999）。
[20] 阿瑟·斯坦利·爱丁顿，《科学中的新途径》，剑桥大学出版社，剑桥，1935，第211页。
[21] 存在着蓄意引入的其他形式的误差，特别是由政客们在对待选票数据时引发的。例如某个政党有十点声明的，假定没有问题，他们能赢得总体上大多数的选举，那么他们有一个为了所有他们声明的政策的委托授权，而他们在现实中可能只有赞成它们部分内容的多数人的选票。
[22] 这是入射光的折射效应，它依赖于光穿过大气层的厚度且依赖于望远镜所在的地理纬度。这是一个很小的效应，在天文学上通常可以忽略，但它以同样的水平进入成为表观的精细结构的变化。如果修正，它使昔日精细结构常数的数值当与今天它的数值相比依然略小一些。
[23] J. D. Prestage, R. L. Tjoelker和L. Maleki，《物理学评论通信》，74，18（1995）。
[24] 在未来，新的原子干涉仪可能提供一种改善前级极限的途径。现有的这种技术的实验分辨率对α值的移动是敏感的，在1—2小时范围约10-8。在未来，它可能适于检验α的不变性。尽管这样，在近期内尚不存在它能赶上天文学水平精确度的前景。在德祖巴和弗朗鲍姆（V. Dzuba and V. Flambaum），《物理学评论》，A61，1（2000）的新的原子计算推动，托格森（Torgerson）讨论了光学腔提供改善α测量随时间的稳定性[参见《物理学》/0012054（2000）]。他期盼实验室的实验在不久灵敏度随时间的变化达到10-15每年的量级。
[25] 阿韦利诺（P. P. Avelino）等，《物理学评论》，D62，123508（2000）。以及R. Battye，R. Criltenden和J. Weller，《物理学评论》，D63，043505（2001）。
[26] 由于微波温度各向异性观测的灵敏度约为2× 10-5，而最后的散射发生在140亿年前，采用我们的最佳年龄估计，我们不能由这数据得到α的时间变化的一个极限，这数据优于（2× 10-5）／（14×109年）≈1.4× 10-15/每年。
[27] 曼克尔（H. Mankell）著，《转向》，哈维尔出版社，伦敦，2000，第3页。
[28] 包含变G的理论是布朗士-迪克（Brans-Dicke）的引力理论，是卡尔·布朗士和罗伯特·迪克建立的：《物理学评论》，124，924（1961）。包括变G的宇宙学理论是由桑维克（HåvardSandvik），马盖若（João Magueijo）和我本人在2001年建立的《物理学评论通信》，88，031302（2002），贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）作了延伸的发展，《物理学评论》，25，1527（1982）。
[29] 它按宇宙年龄的对数成比例增大；有关的全部细节参阅J.D. Barrow, H. Sandvik和J. Magueijo，“变-α宇宙学的行为”，载《物理学评论》，D65，063504（2002）。
[30] J. D. Barrow, H. Sandvik和J. Magueijo，“关于非-零的扁平度和兰姆达（λ）的人择理由”，载《物理学评论》，D65，123501（2002）。
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