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如果少一点自我的遮蔽,我们心灵的镜子便能多一点映照出宇宙。

——莫里斯·德鲁翁(1918~2009,法国小说家)[1]

宇宙学家早就意识到,宇宙的大尺寸属性和生命是否能够存在之间存在某种惊人的紧密联系。乍一看,这件事有点儿怪。宇宙很大,数不尽的恒星和星系朝各个方向延伸了数百亿光年。这些东西怎么会跟此时此地、在一个不起眼的星系里绕一颗普通恒星转动的我们发生联系呢?

这种意外的联系之所以会存在,是因为宇宙的膨胀将空间和时间连在了一起。宇宙刚开始膨胀时,“生命”存在的基础,也就是能够形成复杂分子结构的化学元素,例如碳、氧和硅都不是现成的。宇宙最初三分钟的原初核合成仍未将那些元素制造出来,而只是产生了氘、氦和锂。不过,这些生命所需的元素都是经过百亿年的煅烧之后才被恒星制造出来的。这个过程涉及到一系列核反应,先是两个氦核合成了铍,再加入一个氦核就合成了碳,再加入一个氦核就合成了氧,依此类推。这种过程发生于恒星死亡的时刻,当死亡的恒星发生爆炸,形成一颗超新星时,所产生的化学元素就会散布到宇宙空间中去。最终,这些化学元素形成了宇宙尘埃、小石块,然后聚集成行星,进而组成分子和人类。

想要产生碳元素以及像太阳这样以氢为燃料的稳定恒星,维持生命所必需的环境,就需要让恒星花费数十亿年来完成炼金术的过程。这就是为什么我们不应为宇宙如此古老而感到惊讶。任何化学复杂性所需的砖块都需要经过长时间的烧制才能产生。又因为宇宙在膨胀,如果宇宙已经很老了,那么宇宙的体积必然会很大——百亿光年之广。假如宇宙跟银河系一样大,让其一千亿颗恒星孕育行星系统的话,看起来有足够大的空间滋养大量的生命。但这样一款经济型宇宙的年龄也就一个月左右。这点时间根本不足以让恒星演化,烧制出生命复杂性所需的砖块。

【图片出处:www.physics.sfsu.edu】

如果把目光转向可见宇宙的其他方面,我们会发现,为了允许生命存在,这些方面的属性也必须落入相应的取值范围。我们已经提到过,宇宙的膨胀速度可以比临界速度更快,或更慢。如果宇宙年轻时的膨胀速度过快,恒星和星系就无法形成了,因为物质会分得太开,牛顿、金斯和栗弗席兹的引力不稳定性就无法让物质结团了。相反,如果膨胀速度比临界速度还慢很多,物质在宇宙早期就会结成致密的团块,宇宙中就会充满黑洞而不是以氢为燃料的恒星。我们再一次发现,不该为宇宙的膨胀速度非常接近临界速度而感到惊讶。如果不接近的话,我们就不会存在于宇宙中了。

为什么宇宙的膨胀速度在临界速度附近保持了如此长的时间?暴胀宇宙模型提供了一个简单的解释(图10.2)。[2]乍看之下,这种思维方式很怪异。我们通常称之为“人择原理”。这不是一个理论,无法被证明或证伪(它是正确的),而是一种方法论的原理,能够防止你从证据中得出错误的结论。这个原理告诉我们,宇宙拥有生命的存在和演化所必需的属性,所以我们不可能发现自己生活在一个没有这样属性的宇宙中。许多事情都可以归结为,烧制生命复杂性的单元需要足够长的时间,这些结论我们已经知道了,所以可见的宇宙必然非常宽广。这同时也说明宇宙必然十分寒冷、十分昏暗。经过了百亿年的膨胀,空间中辐射物质的温度必然持续下降,宇宙的尺寸每增大一倍,温度就下降为原来的一半。漫长的膨胀降低了宇宙的物质密度,所以今天平均每立方米的空间中只有一个原子。经过了百亿年的膨胀,物质的密度如此之小,辐射的温度如此之低,宇宙中几乎没有什么东西能够照亮我们的夜空。即使利用爱因斯坦的E=mc2大法将宇宙中所有物质瞬时转化为光,我们也看不到任何显著的现象。空间中辐射物质的温度只是经历了一个不起眼的上升,从3开上升到15开。因此,夜空十分昏暗是因为宇宙十分古老。宇宙的夜空曾经十分明亮,到处都像太阳表面一样耀眼夺目,那时宇宙大约25万岁,尺寸只有现在的千分之一左右。当时的温度太高了,任何恒星、行星、分子、原子都无法形成。没有观测者能见证如此夺目的夜空。

【图10.2 膨胀速度偏离了临界速度的宇宙或者会在恒星形成以前就经历一场大塌缩,或者膨胀得太快,物质抵不过宇宙膨胀的影响,无法结合成星系和恒星】

这种看待我们的宇宙结构以及其他我们能想象到的宇宙结构的新视角,统一了我们对生命和宇宙的认识。这种视角同时也能防止我们从天文观测证据中得出错误的结论。在第4章中我们看到,保罗·狄拉克发现不同自然常数的取值之间存在某种巧合,如果将特定的常数组合在一起,就能得到两个约等于1039的大数。他认为,这两个数值如此之大,又如此接近,说明自然常数的背后必然存在某种未知的方程或者未知的自然法则。正如我们前面所看到的那样,狄拉克的想法的新奇之处在于,其中一个大数来自于真正的自然常数的组合,而另一个大数则涉及宇宙的年龄,狄拉克把宇宙的年龄也当成了某种常数。但是宇宙的年龄会随着时间增长,为了让两个1039保持相等,他就得强行要求其他传统的自然常数也要随着时间变化。他选择了牛顿的万有引力常数G,要求它会随着宇宙年龄的增长而变小,与时间呈反比。这是一种激进的想法,但这个想法没什么根据。罗伯特·迪克指出,大数之间所谓的巧合不过是换个说法说明,我们观察宇宙时,宇宙所经历的时间刚好来得及让恒星形成,并处于稳定地燃烧氢元素的时期。我们不可能在恒星形成之前就开始观察宇宙,观测者也不可能在所有的恒星都耗尽了各自的能源后还能悠然自得,所以狄拉克说的巧合一点儿也不巧妙。由于忽略了天文观测中观测者所扮演的角色,狄拉克就得到了错误的结论。诞生于大爆炸的宇宙存在几个特殊的时期,如恒星可以形成并能够稳定地存在的时期,原子可以形成的时期,等等。稳态宇宙理论给宇宙套上了一套紧身衣,要求其历史中不存在特殊的时期,但这个要求严重地违背了天文学的观测证据。

狄拉克并没有公开接受迪克的批评,而是声称,他很乐意承认我们不会在恒星形成之前就开始观察宇宙,但他又认为,说恒星耗尽能源后就不可能存在观测者是没有道理的:

按照迪克的假设,只有在一段特殊的时期内才有可能存在宜居的行星。在我的假设中(也就是G会随时间变化),在无穷远的未来,这种行星依然能够存在,而生命永远不会灭绝。这两种假设谁对谁错尚未有定论。我倾向于那个允许生命无限延续的假设。[3]

值得注意的是,早在1933年1月,狄拉克就已经确定了自己的生命观,并在笔记本上花了三页的篇幅阐述了他的理解,这些文字和上述生命在宇宙中无限延续的想法极其相似。他的哥哥菲利克斯自杀后不久,狄拉克拒绝用传统的宗教方式进行悼念,而是转向另外一种形式的信仰,即为生命的存在寻找意义和目的,并将这些想法记了下来。他的私人笔记已经隐隐透露出他后来的宇宙观:

[我的]信仰是,人类会永远繁衍下去,能够毫无限度地发展和进步下去。为了我内心的安宁,这是我必须作出的假设。如果一个人能够以某种方式为无限的发展环节贡献绵薄之力,活着就有价值的。[4]

虽然在公开场合对观测者决定宇宙学观测的想法不置可否,狄拉克在与伽莫夫私下联系时还是有所表示的。正如我们所看到的那样,如果G的数值曾经比现在大得多,就会改变太阳的演化和地球的温度,导致非常严重的后果,于是狄拉克的引力常数随时间变化的理论很快就被否定了。但是狄拉克又提出了一种很不靠谱的说法为之辩护,假设太阳系围绕银河系转动时,碰巧路过了巨大的尘埃云。太阳额外地吸积了一些物质,质量有所增加,刚好抵消了G的数值变小所产生的影响,于是太阳对地球的引力能够保持不变。伽莫夫认为这相当不太可能,而且很“不雅观”——伽莫夫所说的“雅观”,意思是狄拉克应该用优美的数学形式来表达这个神话故事般的物理理论。为什么整个宇宙的G都变化了,而太阳吸积的物质正好能够抵消G的变小?然而,在1967年11月写给伽莫夫的信中,狄拉克竟然出人意料地用某种人择原理的说辞为自己进行了辩解:

我不认同你对我的吸积假说的反对理由。我们可以假设,太阳曾经穿过某种致密的云层,致密到可以让太阳俘获充足的物质,以保证地球在109年中都保持适宜的温度。你可能会说这不太可能,因为云层的密度不太可能刚好达到这个目的。我同意。这不太可能。但这种类型的不太可能并不是重点所在。假如我们考虑所有存在行星的恒星,其中只有极个别的恒星穿过了密度适当的云层,于是相应的行星才得以长时间保持恒定的温度,以使高级生命能够发展壮大。正如我们先前所想的那样,存在人类的行星不会很多。但是只要存在一个这样的行星就足以解释现实了。因此,太阳可能有那么一段极不寻常又不太可能发生的历史,我们没有理由反对这个假设。

有趣的是,狄拉克从来没有用这样的理由来解释大数巧合。

回想一下我们会发现,这种类型的“人择”理由同样也使得20世纪50年代的稳态宇宙模型看起来疑点重重。在大爆炸理论中,宇宙的年龄大致与膨胀速率的倒数相当,天文学家把宇宙当下的膨胀速率观测值称为“哈勃常数”。

在稳态宇宙理论中,宇宙不存在年龄一说(年龄是无限大的),因此,膨胀速率就成为宇宙的一个完全独立的属性,需要单独进行解释。天文观测表明,像太阳这样的稳定恒星的年龄非常接近宇宙的年龄,但显然比后者小一些,这个特点在大爆炸模型中是完全正常的。形成星系,然后形成恒星,然后是行星,然后是天文学家,历史环环相扣。[5]因此,在大爆炸理论中,宇宙现在的膨胀速率大约等于恒星年龄的倒数一点儿也不奇怪。[6]但在稳态宇宙理论中,这完全是个巧合。

天文学家逐渐搞清楚了宇宙中生命的存在与否对各个物理学常数的敏感度。就像宇宙的膨胀速率稍微一变,就会对生命产生剧烈的影响一样,改变自然界中相互作用的强度,改变基本粒子的质量,都会导致恒星和原子无法形成,进而改变宇宙的历史进程。[7]这种关于生命对物理学常数和宇宙结构的敏感度(或不敏感度)的计算,后来被称为“人择”观点。[8]这种观点有时会说,我们观测到的宇宙在某些方面被“微调”过了,因此有利于生命的演化。如果某些常数的取值发生一点点改变,那么幸运之窗就会关闭,原子和恒星就无法形成了,生命的复杂性也就无法显现了。

确定其中一些概念的含义是一个非常棘手的问题。我们定义的“生命”包含多广的范围?自然常数的“一点点”变化又是多少?所有这些常数都是相互独立的吗,还是说这只不过是一种表面现象,实际的原因是我们缺乏一个完备而统一的物理学理论?

直到20世纪80年代末,这种看待现实的观点都还是让人觉得古怪。大多数宇宙学家认为,我们只有一个宇宙,宇宙拥有它所拥有的性质;从科学的角度讲,再没什么可说的了。你可以走得稍微远一些,设想在形而上学的意义上还存在很多(甚至所有)可能的宇宙,而我们的宇宙则恰好处于这个展览馆里一个允许生命存在的区域。[9]为了解释这个状况,你可以借助哲学或宗教的观点来讨论宇宙是否允许存在生命。但假如宇宙只有一个,而它又不适宜生命存在的话,我们就不可能坐在这儿讨论这个问题了。

只有一个宇宙的论调还有一个关键的假设,那就是所有自然常数以及宇宙的所有性质都是完备而唯一的,其中不存在任何灵活性,不存在另一个与我们的自然法则、自然常数略有不同的宇宙。想象你用麦卡诺组合玩具搭成了一个三角形和一个正方形,并在拐角处拧上螺丝。这两者大不相同。正方形不是刚性的:如果把顶部向右拉,把底部向左拽,就会将正方形流畅地变成一个平行四边形(图10.3)。但是三角形可不吃这一套,它是刚性的。[10]

【图10.3 铰链将杆子连接成刚性的三角形:如果不把它折弯,就无法将它自然地变成别的形状。铰链连接成的正方形就不是刚性的了:我们可以将它自然地变成平行四边形】

物理学的定律和常数是像刚性的三角形一样,独一无二;还是像灵活的正方形一样,存在无限种可能,其中一些比较类似,而另一些则迥然不同呢?实际上,在正方形的例子中,我们已经对其连接处和边长施加了某种限制。同理,即使存在多套不同的常数和定律,也不意味着一切皆有可能。在可量化的自然常数背后,仍然可能存在一种支配一切的约束条件。像爱因斯坦这样寻找一个万有理论(他的“统一场论”,或者爱丁顿的“基本理论”)的物理学先行者,坚信物理学家能够找到关于这个世界的唯一的终极描述。事实上,他们试图用数学的对称性和纯粹的思考来寻找这样的基本原理。这个目标远远超出了当时的实验水平。你只能寄希望于什么时候有一种美妙的数学结构会从书中跳出来,然后说道:“这就是唯一的可能!”

如果你问爱因斯坦如何看待其他宇宙,或者其他类型的多重宇宙,其中的自然常数的大小与我们的观测结果大相径庭,他可能会不怎么感兴趣。有一次,爱因斯坦给他的老朋友、一辈子的通信对象伊尔斯·罗森塔尔–施耐德(Ilse Rosenthal-Schneider)写信说道:

在一个合理的理论中,不应该存在只能凭经验确定的无量纲常数。当然,我无法证明这一点。但是我也无法想象在一个统一的、合理的理论中,会存在这样一种常数——如果造物主心血来潮对此略加改变,一个性质不同但同样有效的世界就会出现……从纯粹逻辑的角度讲,如果自然法则中的无量纲常数可以取别的值,那么这样的常数就不应该存在。在我看来,凭借我对“上帝的信仰”,这一点是显而易见的,但是持有相同观点的人寥寥无几。[11]

参考资料

[1] M. Druon, The Memoirs of Zeus, Charles Scribner’s and Sons, New York (1964).

[2] 宇宙的膨胀持续了多长时间取决于暴胀持续了多长时间。

[3] P. A. M. Dirac, ‘Reply to R. H. Dicke’, Nature 192, 441 (1961). 1980年,我收到了狄拉克为这个问题亲笔撰写的说明,其中的措辞和他1938年首次提出时的一模一样。

[4] 转引自:G, Farmelo, The Strangest Man, Faber & Faber, London, (2009), p.221.

[5] J. D. Barrow, ‘Life, the Universe, but not quite Everything’, Physics World, Dec., pp. 31–35 (1999).

[6] M. J. Rees, Comments on Astrophysics and Space Physics. 4, 182 (1972); M. Livio, Astrophy. J. 511, 429 (1999).

[7] 关于这个理论的具体内容和相关研究在1986年之前的发展历史,参见:J. D. Barrow and F. J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle, Oxford University Press, Oxford (1986). 最近有关变动自然常数的内容,参见:J. D. Barrow, The Constants of Nature, Jonathan Cape, London (2002).

[8] 英国神学家弗里德里希·泰南特(F. R. Tennant,1866~1957)在他1930年出版的《哲学神学》第二卷(Philosophical Theology, vol. 2, Cambridge University Press, Cambridge, p. 79)中首次将“人类的”(anthropic)一词引入了宇宙学。泰南特设想了能够作用在整个宇宙尺寸上的设计和各种类型的目的论,借此这个宇宙将落入“人类的范畴”(anthropic categories),从众多可能的世界中脱颖而出,得以允许智慧生物存在。关于泰南特的成果,更详细描述参见:J. D. Barrow and F. J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle, Oxford University Press, Oxford (1986), section 3.9.

[9] B. Carter, ‘Large Number Coincidences and the Anthropic Principle in Cosmology’, in M.S. Longair (ed.), Confrontation of Cosmological Theories with Observational Data, IAU Symposium, Reidel, Dordrecht (1974), p. 132. 卡特第一次在现代天文学中提到了“人择原理”(anthropic principle)一词,不过以前也有一些哲学家提到过这个词。

[10] 在杆状结构可以拼接成的二维凸多边形中,只有三角形是刚性的。这解释了为什么高压线铁塔是由相互嵌套的三角形结构组成的,为什么有两个横栅的门很常见。更多内容,参见:J. D. Barrow, 100 Essential Things You Didn’t Know You Didn’t Know, Bodley Head, London (2009), chapter 1.

[11] 关于这封信的更多内容,参见:J.D. Barrow, The Constants of Nature, J. Cape, London (2002) chapter 3.

关于本文

约翰•D. 巴罗(John D. Barrow),生于1952年,是英国剑桥大学应用数学与理论物理学系教授,也是一位高产的科普作家。本文选自巴罗的新作《宇宙之书》,在这本书中,巴罗带我们领略了一座妙趣横生的宇宙陈列馆,其中藏有各式各样匪夷所思的宇宙,它们都是人类智慧的结晶。松鼠Sheldon为本书中文版译者。小红猪将节选部分章节刊载。

《宇宙之书》节选汇总

巴罗在本书的序言中写到“ 时下,关于宇宙的书可谓洋洋大观。这又是一本关于宇宙的书,但我们的故事将围绕着一个不同寻常却未曾被重视的事实展开,那就是阿尔伯特·爱因斯坦已经向我们展示了怎样描述可能的宇宙——从整体上描述宇宙。”。或许你也和本书的译者一样,最初以为本书讲的是“ 标准宇宙学模型”——人类对于宇宙给出的最精确描述,可其实,本书的故事远比这匪夷所思,你将见识“物理定律可以随时间和地点不同而发生变化的宇宙、拥有额外隐藏的时空维度的宇宙、永恒的宇宙、位于黑洞之中的宇宙、毫无预兆就突然终结的宇宙、碰撞的宇宙、暴胀的宇宙,以及由其他东西变来的宇宙——甚至从虚无之中冒出来的宇宙。”……

【《宇宙之书》中文版,译者:李剑龙(Sheldon),详情点击豆瓣页面

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14 Responses to “[小红猪]颠覆狄拉克的信仰——人择的宇宙”

  1. kimloo说道:

    “这两者大不相同。正方形不是刚性的:如果把顶部向右拉,把底部向左拽,就会将正方形流畅地变成一个平行四边形。”有点小不专业哈...正方形也是平行四边形的一种,所以它不可以“变成”平行四边形。

  2. Atry说道:

    根据凉择原理,宇宙是在三年前由凉宫春日造出来的。

    人择原理不科学,很难设计出实验证实或反证它。而凉择原理的可证伪性完爆人择原理

  3. wuqizi说道:

    宇宙学家总是把问题扯谈到很遥远的事情,而宇宙如何影响着人类的生存和发展从来就没有好好的研究过,地球周而复始发生冰川,冰川消退,海侵,海退。难道这些不就是太阳绕银心运动的结果造成的!

    • coldrocky说道:

      抱歉,貌似就是没有关系哦。太阳绕银心的运动是周期的,一圈2.5亿年左右。除非你说的那些变化符合同样的周期,不然就谈不上关联的。

  4. Nasy说道:

    我为什么活着?
    因为如果我没活着,就没人问我为什么活着了

  5. hunke说道:

    当需要一个“恰好的”、精细无比的常数时,我就想到进化论。进化,也许只有进化可以产生一些看似不可能的,精细无比的事物。

  6. suanyige说道:

    很好奇!喜欢。

  7. suanyige说道:

    喜欢看

  8. sandreply说道:

    人择原理是人们针对现有物理定律进一步追问“为什么”之后无奈的回答,它似乎不能当成科学原理来应用,否则就可能出现“过度优化”。
    我经常被儿子连续几个为什么追问得哑口无言,人择原理似乎是个懒惰的终极答案,但我懒得用啊。

  9. Xptom说道:

    为什么不是宇宙的膨胀速度决定了我们的物理定律?这不是巧合

  10. Vera说道:

    很有意思,但人择原理充其量是方法论,并不能作为考虑问题的出发点