可以回答哲學問題的宇宙學理論

2021-01-14 SDSZ天文探秘

在這宇宙中,每一個生存過的人,都相應有一顆星星在天空閃耀

                                                ——阿瑟·克拉克

    你步履匆匆地走著,習慣性地穿梭在瑣碎的日常事務中。你把目光聚焦在這薄薄一層地殼上所發生的事,除了躺下睡覺,那遙遠天穹上的事物好像與你無關。但是,當你熬了通宵,只為趕DDL時,來自太陽系邊緣的隕石正在太陽的輻射下熠熠生輝;當你閉上雙眼,準備安然入睡時,數以億計的宇宙射線正對準地球狂轟濫炸;當你終於擠上了地鐵,正暗自竊喜時,數米口徑的望遠鏡正斜躺在夏威夷的山頂,諦聽著宇宙的脈搏。

    距離你舒適床鋪僅僅十幾公裡外,死一般的孤寂和電磁波永恆的噪音是那裡唯一的主角。你有沒有想過,為什麼這一層薄如面紗般的大氣,卻分割了生命與虛空?為什麼在這四百多億光年直徑的宇宙中,你,剛好出現在了這顆鬱鬱蔥蔥的星球上?為什麼宇宙中的常數是如此的精確,以至於哪怕改變小數點後的第十位,也會導致生命的徹底消失?


這是一個較為複雜的理論,理解時有一定難度。本文將儘量做到由淺入深,請諸位不要放棄,反覆思考文中內容。

    在我們正式開始前,先淺述下另一種理論。它通過同樣精妙,卻極其簡單的方法嘗試解決問題,它的名字是——弱人擇原理

它是這樣表述的:


「宇宙中被觀察到的現象,必須允許觀察者的存在。」


    其實這句話在邏輯上是非常正確的,事實上就是A推出A這樣的廢話。不信?那來看看人擇原理的逆否命題:


「如果一個現象不可能有觀察者,那麼此現象不可能被觀察到。」


    事實上,弱人擇原理其實說的就是「我們之所以處在這麼一個特殊的宇宙中,是因為假如宇宙不允許生命的出現,我們就不可能提出『為什麼我們的宇宙這麼特殊?』這樣的問題了」這件事。


    有沒有覺得這有些過於唯心和詭辯了?那麼恭喜你,你和很多科學家的想法是一樣的。這一原理似乎並沒有解決問題,只是將其滯後了。

    那麼,經過了剛才的熱身,現在調整下呼吸,跟上腳步,我們即將潛入宇宙自然選擇理論的核心部分。


宇宙自然選擇理論(以下簡稱宇然理論)只需要你接受兩件事情:

1.宇宙是在黑洞中誕生的


2.宇宙可以進化

    讓我們來類比下生物中的進化論:生命的複雜性是進化的必然結果,隨著時間的推移,生命必然在自然選擇的作用下走像更加適應環境的方向,這一過程叫做進化。

    受到生物進化論的啟發,一位理論物理學家李·斯莫林提出了宇然理論,原理如下:


由於宇宙是由黑洞產生,那麼在宇宙中的每一個黑洞一旦形成,這個黑洞中便會開啟一次大爆炸,導致這個黑洞中宇宙的誕生,我們姑且叫它黑洞宇宙-1吧。而在黑洞宇宙-1中又會誕生許多黑洞,而這些黑洞,又會通過大爆炸在其內部產生新黑洞宇宙-1-1,黑洞宇宙-1-2,等等。


    但是,物理學家惠勒提出,在每次誕生的子宇宙中,其基本物理常數又與母宇宙的有細微的差別,也就是說,新產生的宇宙產生了一次微小而隨機的「突變」,而其中一些變化提高了新宇宙產生黑洞的能力。

    好似生物進化,宇宙級別的「自然選擇」會篩選出那些造黑洞造得又快又多的,因為它們具有遺傳學的優勢,在不斷進行的宇宙誕生大賽中,只有它們才能脫穎而出。於是,各個宇宙在造黑洞這方面越來越厲害了。

那造那麼多黑洞有什麼用呢?

幸運的是,生命的誕生和黑洞的誕生有一個共同點:兩者都需要恆星。

能造出更多恆星意味著可以有更多的行星系統,而行星係數量的增多意味著出現智慧生命的概率也隨之提高。

Bang!人類出現

 肯定有人會說:「這故事講得好!但我選擇人擇原理」(霧)

但是,這個理論真正強大之處就在於:

它是可以被證明的!

    ​但在這之前,先不要著急,請不要忘記我們一開始提出的兩個假設——黑洞是否可以誕生宇宙?

    ​這是目前為止最令人生疑的觀點。事實上,除了些模糊的佐證以外,我們並不能完全證明。

    ​

    黑洞誕生宇宙的觀點來源於斯莫林的導師——德維特,他假設當黑洞坍塌時,其質量並不是完全集中在奇點——一個密度無限大,無法用物理學解釋的點上。相反,這些質量在黑洞的奇點附近不斷彈跳,卻也無法逃脫黑洞的事件視界。正是這種不斷的反彈形成了一個新的時空區域,從而給新的宇宙誕生提供了舞臺。


    當然,在我們得到那深不可測的量子引力理論之前,一切細節都有待商榷。但是,當我們接受了這一看似違反常識的理論後,讓我們進入下一個問題:宇宙常數是否真的可以改變?

    既然宇宙學常數是決定宇宙性質的根本物理量,那麼改變它也就一定要發生在最高能量的場所,而坍塌的黑洞中央剛好滿足這點。(如果要深究的話可能是弦理論帶來的額外維度的配置改變造成的,在此就不做展開了)

    儘管斯莫林本人也承認其這一理論看起來有些詭異,但對於一個理論來說,重要的不是它是否符合直覺,關鍵是要反問:如果這是真的呢?它會產生什麼後果?它可以被檢驗嗎?

    在這個理論中,我們的宇宙有極大概率屬於那些早已掌控全局,宇宙常數最適合製造出黑洞的宇宙中的一員。

所以,我們的宇宙是最優解嗎?


    我們都知道,恆星是由大量的氣體雲在自身引力的吸引下形成的。但是,由於大多數的星雲溫度有200開爾文,星雲內部的原子和分子由於溫度過高而無法聚集。因此,只有將氣體冷卻至僅比絕對零度高几開爾文,才能夠形成恆星。而如果一團氣體中只含有大爆炸產生的氫和氦,那麼其冷卻過程是及其緩慢的。那些重元素和分子能夠讓氣體迅速冷卻,並形成恆星。而到目前為止,一氧化碳是最高效的冷卻劑,沒有之一。此外,恆星還需屏蔽來自其他區域的加熱效應——而碳氫化合物和微小的冰粒恰好可以做到這點。

    因此,如果沒有碳氫氧這樣的元素存在,宇宙誕生黑洞的效率會極大的降低。當然,這些元素也是生命誕生所必須的。

    另一種,也是最重要的一種檢驗這一理論的方法略微有些複雜。

    要想證明這個理論,意味著我們必須找到某種常數,使其僅僅與加快黑洞誕生有關,而與生命的誕生無關。因為根據人擇原理,現有宇宙應該僅在關於生命誕生方面的設定十分精確,而不需要將黑洞增殖的參數也調整至最適值。

    我們知道,大多恆星死去後都會產生中子星,這些只有行星大小的球密度卻高的嚇人。這些即將坍塌成為黑洞的星體搖搖欲墜,但只有當其到達一定質量上限時才會轉變為黑洞。而在大質量中子星的中央,會有部分中子轉化為奇夸克,這些粒子的密度比中子更大,於是這樣的中子星也就更有可能轉化為黑洞。並且奇夸克的質量越低,中子也就更有可能轉變為奇夸克,也就意味著更小的中子星也可以形成黑洞了。

    聰明的讀者可能已經發現,這一性質要求我們的宇宙對奇夸克的質量進行最優化,使得中子星和黑洞之間的隔斷最小。斯莫林算出了這個數值,大約為太陽質量的兩倍。這就意味著,在最佳的宇宙中,不應該存在超過2倍太陽質量的中子星。


    當然,這一理論有不少反對者,姑且在這裡放上一個個人認為比較理性的意見,供大家參考。

pbs spacetime的作者認為這一理論實際上割離了生命的誕生與最適宇宙之間的關係,而僅僅通過「生命的誕生恰好和黑洞誕生的原因重合」這一極端的巧合聯繫上,假如黑洞需要靠像鈹、硼這樣的元素產生,就根本不會出現生命。這其實仍然是一種訴諸幸運的解釋,而這與其「尋找一種生命誕生的自然解釋」的本意相悖。

不管怎麼說,這一理論是真是假,它都給予了我們一種全新的視角來思考宇宙,來思考萬物間的聯繫,而這恰好是我們,這些沉浸於無盡的現實問題中、將探索未知的勇氣擱置一邊的人,所最需的。


參考資料

https://www.bilibili.com/video/BV1m7411W7dr

http://www.zhihu.com/question/20094118/answer/13959578

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