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人择原理错了吗?丨展卷

宇宙为何如此?这是一个物理学家和哲学家都试图回答的问题。人择原理在褒贬不一的评价中给出了一种可能的解答,但没有人知道它究竟能走多远。

本文节选自《在这个宇宙中爱你》(中国科学技术出版社,2022年4月)第四章 “宇宙为何如此”,题目为编者所加。

撰文丨黄永明

 

137 亿年前,宇宙在大爆炸中创生。30 万年后,第一批原子形成。又过了大约6 亿年,宇宙中的第一批星系诞生。那些最早形成的恒星由大量的氢和少量的氦构成,它们在核聚变的过程中形成更重的元素,比如碳和氧。而后,恒星在超新星爆发中将较重的元素释放出来,从而形成新的恒星和更重的元素。有了这些元素,我们的地球、我们自身才得以形成。我们的太阳是第三代恒星。
 

这其中最令人惊讶的是,氦原子核在由两个质子和两个中子组成以后,它的质量是这四个粒子质量之和的99.3%,另外0.7%的质量以热能的形式被释放出去。重点在于,0.7% 是一个极为关键的数字,假如它是0.6% 或0.8%,我们今天就不会存在于这个宇宙中了——因为0.7% 这个比例决定了恒星内部核聚变的速率,决定了恒星寿命的长短,进而影响了各种元素的出现和比重。

 

还有宇宙创生之初的膨胀速度,现在看来,如果它不是极为精巧的话,那么宇宙密度与临界密度的比值就不会像现在这样接近于1。原因在于,如果这个比值小于1,宇宙早就已经坍缩了;如果这个比值大于1,恒星、星系和我们,今天都不会存在。
 

以上仅仅是两个例子。更多的类似现象让人觉得,我们这个宇宙从创始之初就是被精细调整过的。有宇宙学家著书立说,称我们宇宙的今天仅仅决定于包括上述二者在内的六个数字——它们中任何一个若有些许不同,今天的宇宙结构和人类都不会出现。

 

有作家曾用“恶搞”的形式展示过这种惊人的现象:1:起初,神创造天地。2:奇点是空虚混沌,一切物理定律都还不适用。3:神说,要有光,就有了光。他看光是好的,就把光速设定为299792458 米/ 秒,并让之恒定不变,不因参照系的改变而改变。4:神称波长范围在0.39 ~ 0.77 微米之间的光为“可见”,称这个区间以外的光为“不可见”。5:有可见的,有不可见的,有光明,有黑暗,这是第一日。

……

 

为什么会这样?仅仅是巧合吗?或者,如此宏大而精妙的宇宙难道就是为我们这些在宇宙中看起来微不足道的人类而出现的吗?对这其中原理的相关思考曾出现在许多哲学家的理论中,比如休谟的《自然宗教对话录》(Dialogues Concerning Natural Religion)和康德的哲学。而现代的解释则仅仅出现在40 多年前。
 

1620 年,英国哲学家培根讲述的故事体现了解决疑难的一个最基本思想。我们姑且把其中的主人公称为“观察者”。一些人向观察者展示了寺庙中挂着的一幅画,画面的内容是一帮船员。这些人对观察者说:“你瞧,这些船员出海前都曾在这里向神灵祈求平安,后来他们就都在海难中生还了。你现在觉得是不是应该感谢神呢?”“是的。”观察者回答说,“但是,他们把那些祈愿后死于海难的人又画在什么地方了呢?”

 

“这全部都是迷信,不管是星占、梦、兆头、神谕,还是其他什么方式。”培根评论说,人们把做成的事归功于这些无价值的事物,而对于更为频繁发生的失败则视而不见。
 

培根讲的这种现象被称为“观察选择效应”(Observation selection effects)。我们在观察这个世界时所获得的数据受制于我们所使用的仪器仪表,我们所观察到的内容只是全集的一个子集;同时,我们所获得的数据还受制于这样一个前提:存在一个观察者来收集数据,因此偏见无可避免。
 

观察选择效应是“人择原理”(Anthropic Principle)中的一个概念。该原理于1973 年由英国天体物理学家布兰登·卡特(Brandon Carter)在纪念哥白尼诞辰500 周年时提出。这个原理认为,我们的宇宙之所以是这个样子,是因为有我们在观察;假如宇宙不适合智慧生命存在,那也就没有智慧生命来提出这些问题了。
 

卡特在哥白尼诞辰500 周年时提出这一原理别有一番味道。哥白尼打破了人类中心的宇宙观,认为人只不过是在一颗环绕太阳运转的行星上而已,并不是整个宇宙在围绕自己运行。后来,随着天文学的发展,人类在宇宙中的位置显得越来越卑微了。太阳也很普通,它只不过是银河系千亿颗恒星中的一颗,而银河系也不过是星系团的普通一员,宇宙中又有不计其数的星系团。卡特的人择原理似乎又让人类在宇宙中的地位有所上升,让人有了一种以我为主的感觉,正如他在一篇论述人择原理的论文中所写的那样:“尽管我们所处的位置不一定是中心,但不可避免地,在某种程度上却处于特殊的地位。”

 

卡特将人择原理分为两种:弱人择原理和强人择原理。弱人择原理认为:作为观察者的我们之所以存在于这个时空位置,是因为这个位置提供了我们存在的可能。而强人择原理则认为:我们的宇宙(同时也包括那些基本的物理常数)必须允许观察者在某一阶段出现。
 

卡特的人择原理提出后,有许多人对其作了解读和发展。其中最引人注目的是宇宙学家约翰·巴罗(John D. Barrow)和物理学家弗兰克·提普勒(Frank J. Tipler),他们对弱人择原理做了这样的描述:物理学和宇宙学的所有量的观测值,不是同等可能的;它们偏爱那些能够使碳基生命得以进化的地域出现的数值,而且这些限定使得宇宙的年龄大到已经做到了这一点。他们把“观察者”换作了“碳基生命”,把卡特在强人择原理中才提到的基本物理常数拿到了弱人择原理中。
 

巴罗等人的强人择原理是这样说的:宇宙必须具备允许生命在其某个时期得以在其中发展的那些性质。

 

有些哲学家认为,巴罗等人的提法是具有误导性的。而实际上,自从卡特提出强弱人择原理以来,人择原理的不同版本已经出现了30 多种,让人越来越迷惑于人择原理的本意。巴罗等人注意到,人择原理如果要智慧生命产生的话,再让它们灭绝就显得无意义了。于是,他们又提出了“最终人择原理”:包含智慧的信息处理过程一定会在宇宙中出现,而且,它一旦出现就不会灭亡。
 

美国业余数学家马丁·加德纳(Martin Gardner)无情地嘲笑了巴罗等人的最终人择原理。他“恶搞”出了一个“完全荒谬人择原理”:生命将会掌握所有的物质和力量,不止在一个宇宙,而是在所有逻辑上可能存在的宇宙;生命将会传播到逻辑上可能存在的所有宇宙的每一个角落,而且将会储存所有逻辑上可能被理解的、无限的知识。

 

著名科幻作家艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)在他的小说《神们自己》(The Gods Themselves)中,描写了一种来自平行宇宙的智慧生命,那个宇宙中的基本物理常数与我们的不同,主要体现在强相互作用力上。强相互作用力是物理世界中的四种基本力之一,它在我们宇宙中的数值哪怕只增大2%,就会严重影响恒星物理,甚至或许会使得今天的人类不存在。因而,它和许多其他的基本物理常数一样,在我们的宇宙中似乎是经过了精细调整的。

 

卡特的人择原理提出后,便受到了智能设计论拥护者的欢迎。在他们看来,我们的宇宙之外一定存在着一个智能因素,它从最开始就把宇宙中的物理常数精心安排好了,以便生命能够出现。而卡特则表示,智能设计论者完全曲解了他的原意,甚至与原意背道而驰。

 

实际上,卡特的人择原理并不需要智能设计者的存在。比如,存在足够多的平行宇宙,每个宇宙中的基本物理常数都不相同,而我们恰好存在于一个适合进化出智慧生物的宇宙中。在弦论中,这样的平行宇宙可以多达10^500个,比我们可观测到的宇宙范围内的原子总数还要多。这么多的宇宙中,只有一个,才存在你。你所爱的每一个人,你听说过的每一个人,曾经有过的每一个人,因这个宇宙的存在而存在。
 

另一种可能性是,宇宙相当相当大,我们只能观测到“当地”的数据,而这些常数并不是在整个宇宙中普适的,其他地方的常数会有所不同。还有一种评论认为,智能设计论者把生命仅仅限制在碳基生命中。如果基本物理常数有微小的不同,那也许就没有我们了,但未必意味着没有其他的生命形式。其实,这也正是有人批评巴罗等人把卡特措辞中的“观察者”换成“碳基生命”的原因。
 

对于这种种猜想, 著名物理学家保罗· 戴维斯(Paul Davies)总结了七种不同的“宇宙真相”:

荒唐宇宙:宇宙只是碰巧成了这个样子。

唯一宇宙:某种深藏着的物理协调机制使得宇宙成为这个样子。

多重宇宙:存在很多很多的平行宇宙,它们的物理性质不同,我们存在于其中应该适合生命存在的宇宙中。

智能设计:智能设计者有意将宇宙设计成能够产生复杂生命的产品。

生命原理:某种深藏着的原理迫使宇宙朝着能够产生生命的方向演化。

自明宇宙:一个解释闭包或因果回路——可能只有允许意识的宇宙才能存在。

真宇宙:我们生活在一个虚拟现实的仿真世界里。
 

一直以来,人们对人择原理的意见分歧从未消失。有的哲学家认为,弱人择原理简直就是一句废话,而强人择原理受到的质疑则更大。以诺贝尔奖得主戴维·格罗斯(David Gross)为代表的物理学家指出,这套理论最大的问题在于它无法被证伪,也就是说,你永远无法通过观测手段来证实我们生活在多重宇宙之中,或是证实只存在我们这一个宇宙。按照格罗斯的说法,这压根就不属于科学。

 

另有物理学家认为,人择原理是某种程度的“堕落”,因为凡是无法用物理定律来解释的问题都可以用人择原理来解释,这样就不必再去探究现象背后可能隐藏着的深层次含义了。
 

目前, 一些物理学家提出的“混沌暴胀”(Chaotic inflation)理论被认为可能是对多重宇宙的一种暗示。在这一理论中,宇宙大爆炸之后,宇宙经历了一个分化的过程,也就是所谓的“暴胀”(Inflation)。暴胀发生时,有很多种暴胀方式,得到的每种宇宙都不同,比如首先出现A、B、C、D、E、F、G……,到下一秒的时候,A 宇宙又会出现许许多多新的宇宙,我们叫AA、AB、AC、AD……,B 宇宙则会出现许许多多新的宇宙BA、BB、BC、BD……每种宇宙出现的概率都不同。这其中就有适合生命生存的宇宙。暴胀理论有很多不同的版本,有一个版本甚至认为在大爆炸之前就发生了暴胀。
 

宇宙学界应用人择原理最著名的例子来自斯蒂芬·温伯格(Steven Weinberg),他在1987 年利用人择原理成功预言了宇宙学的常数值。当时,初步的观察表明宇宙学常数等于零,但温伯格注意到,根据人择原理,宇宙学常数应该是一个很小的数字,但不应该为零——只有这样,星系、恒星和我们才会存在。他对宇宙学常数的预言在10 年后被观测所证实。
 

人择原理新近的生存土壤是超弦理论。在超弦中,时空是十维或者十一维的,而我们现实中可观测的世界是四维的。于是,一般认为另外六个空间的维度体积很小并高度卷曲,科学家把这种现象叫作“紧化”(Compactification)。从超弦的基本理论出发,对于不同的紧化手段,人们可以得到不同的描述四维世界的模型。

 

有人称超弦理论或许是终极理论。那么作为终极理论,它应该能给出这个世界上各种粒子的性质,以及我们所生活的时空的性质,或者说引力的性质。但是,科学家目前还做不到。就像前面提到的,超弦目前允许有很多很多的宇宙存在,至于区分其中到底哪一个是我们所生活的宇宙,超弦看起来还做不到,因此人们需要引入人择原理。
 

宇宙为何如此?这是一个物理学家和哲学家都试图回答的问题。人择原理在褒贬不一的评价中给出了一种可能的解答,但没有人知道它究竟能走多远。

 

作者简介

黄永明,资深科学记者,美国全国科学作家协会(NASW)会员。

 



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