宇宙中的大多數基本常數可以稍微大一點或小一點，我們的宇宙仍然會相似。

但電子質量？它連半點玩笑都開不得。

你看到的那個原子傳統模型，就是正電荷原子核被負電荷電子環繞的漂亮圖片已經一百多歲了。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鍵事實：原子的大小取決于電子的電荷與質量之比。

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，整個物質世界的面貌會徹底改變。

我們宇宙的特性與基本常數值息息相關：光速、引力強度、普朗克常數、基本粒子質量等等。對于大多數這些常數，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。

但有一個基本常數我們幾乎不能改變：電子質量。

否則，復雜分子和生命將永遠不可能出現。

讓我來告訴你為什么。

物理學家的噩夢：一大堆沒解釋的常數

宇宙最大的謎團之一是：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度，但我們不知道為什么這些力具有當前的絕對和相對強度。

一些粒子帶有電荷，但我們不知道為什么電子、質子或任何夸克的電荷具有現在的值。盡管希格斯為基本粒子提供了靜止質量，但我們不知道為什么這些質量有現在的值。其他自然常數，如光速，也沒有解釋就出現了。

總的來說，描述我們目前理解的宇宙至少需要26個獨立的基本常數，而我們不知道為什么這些常數有現在的值。

如果其中一些常數太小或太大，我們所知的宇宙將不可能存在；我們的存在本身就是證據，表明自然規律必須與我們的存在可能性一致。

如果引力稍強或稍弱，恒星、星系、行星和生命仍然存在。其他力的強度、夸克的質量或光速的值也是如此。

當然，原子可能有不同的大小，光信號可能需要不同的時間傳播，存在的大型結構可能在細節上有所不同，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，不可否認我們是由原子組成的。每個原子中心是一個小型、緊湊、重且帶正電的原子核：包含原子超過99.9%的質量，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）。

圍繞原子核運行的是電子：更小的粒子，相比之下非常輕，但帶有負電荷，等于且與每個質子上的電荷相反。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。據我們所知，它們可能真的是點狀的。

然而，原子本身的大小遠遠大于其組件。

質子和中子結合形成原子核，然后每個原子通常包含與其核中質子數相等的電子數，形成電中性的結構。電子是點狀的（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。

人體內的原子數量驚人

我們的存在取決于這些原子。

在人體內，如果計算每個質子、中子和電子的數量，你會得到一個巨大的數字：超過10^29，也就是100八萬億。

這些以原子形式結合在一起，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的質子總數決定。

幾十種這些原子是構成一個完整人類所必需的，氧和碳原子占人體質量的大部分。

對人類存在也至關重要的元素有氮、鈣、磷、鉀、硫、鈉、氯、鎂和鐵，這些加上氧、碳和氫，構成了平均人體99.9%的質量。

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，我們仍然會有恒星、核聚變和所有這些重元素的創造。

生命起源的標準故事

這是生命在宇宙中產生的標準故事一部分。

我們所知的宇宙始于熱大爆炸，在其后，一切擴張、冷卻、變得不那么密集，并在引力影響下逐漸變得不均勻，形成團塊和集群。

早期，質子和中子從夸克和膠子形成：即使夸克完全無質量（這也是可能的）。如果你將夸克的質量增加或減少10倍甚至100倍，質子和中子的質量變化很小。

這是因為夸克的質量相對于質子的質量微不足道：僅占質子總質量的約1%。即使夸克都完全無質量，質子的大部分質量來自膠子場（即強力的強度），因此調整夸克質量只會略微改變質子的質量。

不久之后，核聚變發生，創造了氦和鋰等輕原子核。

數百萬年后，當恒星開始從引力塌陷的物質密集收集形成時，核聚變再次出現。同樣，即使對基本常數進行實質性修改也不會禁止這種情況發生，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（或氣態巨行星周圍的巖石衛星）可以形成，提高生命最終在宇宙中出現的可能性。

幾乎所有基本常數都可以改變，除了電子質量

幾乎任何基本常數——光速、引力常數、普朗克常數、夸克質量等——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整電子的質量，生命出現的可能性迅速消失。

如果過度增加電子質量，即使在陽光直射下，原子和分子躍遷在常規條件下也將不可能。

同樣，如果顯著降低電子質量，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定原子或分子。

只有在我們宇宙中電子質量的實際值，或者至少在那個質量落在非常狹窄的范圍內，生命、有機分子，甚至任何類型的復雜化學才可能存在。

我們可以通過比較我們最常見的氫形式（一個單獨的質子被一個單獨的電子環繞）與只能在實驗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。

μ介子氫的故事

雖然常規、正常物質由質子、中子和電子組成，但當涉及到物質時，這些并不是唯一的可能性。質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定表親：μ介子和τ介子。

雖然單個質子和電子是穩定的（以及由質子和中子組合成的原子核），但其他類型的物質——由更重的夸克組成或包含μ介子或τ介子的物質不會長期存在。由于弱核相互作用，它們將迅速衰變成更輕、更穩定的"子"粒子。

然而，μ介子是不穩定基本粒子中壽命最長的，平均壽命達到驚人的2.2微秒。

這可能看起來根本不是很長時間，但足以讓μ介子與質子形成束縛態，創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，帶有與質子相等且相反的電荷，并且比質子本身輕得多。

然而，與電子相比，μ介子的質量大約是電子的206倍，同時保持相同的電荷。這種更重的質量意味著電力（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：對于μ介子，一個質量是電子206倍但電荷相同的粒子，μ介子氫的半徑是標準氫的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，不穩定，幾微秒后會自發衰變為電子、電子反中微子和μ介子中微子。然而，只要μ介子存在且μ介子氫保持穩定，它與標準氫之間有許多重要區別。

也許最大的區別在于能量水平。

正常（含電子）氫只有特定的能量水平：基態（n=1）、第一激發態（n=2），一直到完全電離態（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（最低能量狀態）上升到第一激發態，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，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發射X射線，但數量很少：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，正是因為大量的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。其中只有約十納瓦（10^-8瓦）以X射線形式存在。

換句話說，如果電子的靜止質量顯著高于現在，驅動地球上所有生物過程的基于化學的反應將極其罕見，因為宇宙中發生的能量事件——恒星發光、地熱熱量、火山爆發等甚至只會很少能夠引起原子或分子躍遷。

沒有這些，任何類型的復雜化學、鏈式反應或生物過程都無法可靠發生，更不用說容易和普遍發生。如果電子比現在重，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，則會出現相反的問題。

正如較重的電子意味著更小、更緊密結合和更難激發（或電離）的原子，較輕的電子將轉化為相反的條件：更大、更松散結合、更容易激發（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。如果我們將電子質量減少五倍，僅為現在質量的20%，那么不是原子或分子躍遷在直射陽光下頻繁發生，原子和分子鍵將被徹底破壞，因為這些原子和分子會被完全電離，僅僅是由于暴露在光線下。

陽光有創造的力量，但也有破壞的力量。

正是因為電子質量落入那個"甜蜜點"，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，包括光合作用，在我們的世界和宇宙中是可能和常見的。

精細調整還是幸運巧合？

人們經常問的一個問題是，當看著自然規律和描述它的基本常數時，我們的宇宙是否為我們的存在而精細調整。

對于大多數規律和大多數常數，普遍理解是增加或減少相互作用的強度或常數的值會改變我們宇宙的某些細節，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、行星、星系，甚至化學和生命，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建塊結構，即原子，對電子質量極其敏感。如果其他一切保持不變，但電子質量與今天的值有實質性差異，無論是顯著更輕還是更重復雜的化學和生命過程幾乎都將被禁止。

電子太輕會導致一個宇宙，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，無法進行所有化學和生物反應所依賴的那些躍遷。

生命在我們的宇宙中當然是可能的，有我們現有的常數。但如果電子質量只稍微改變一點——更重或更輕——宇宙將會更加孤獨。

電子質量：宇宙中的完美偶然

在你嘗試理解這個點之前，讓我再說一次：宇宙中幾乎所有的物理常數都可以大幅度改變，而幾乎不影響生命存在的可能性。

但電子質量除外！它必須處于一個極其狹窄的范圍內，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？是命中注定的精細調整嗎？還是多元宇宙中無數可能性的統計必然？

科學無法回答這個問題，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量剛好能讓生命蓬勃發展的宇宙中。

如果這不是值得碰杯慶祝的事，我不知道什么是。