地外智慧生命存在嗎?為什麼人擇原理有其合理性?

「物理學和宇宙學的所有量的觀測值，不是同等可能的；它們偏愛那些應該存在使碳基生命得以進化的地域以及宇宙應該足夠年老以便做到這點等等條件所限定的數值。」

—— 弱人擇原理

Weak Anthropic Principle

約翰·巴羅 & 弗蘭克·蒂普勒，1986

原文：Mario Livio & Martin J. Rees

編譯：Shea

地外智慧生命存在嗎？甚至我們問這樣一個問題都倚賴一個重要的事實：我們的宇宙允許複雜性（例如人類）出現。很顯然，人類的生物學細節以及人類的出現取決於地球及其演化過程的某些特徵。但是，有一些要求對於任何生命而言可能是普適的：星系、恆星和（可能的）行星必須形成；恆星中的核合成必須合成重元素，例如碳、氧和鐵；這些原子又必須處於一個穩定的環境中，在那裡它們才能組合形成生物分子。

圖片來源：《E. T. 外星人》

我們可以想像具有不同物理學和宇宙常數的宇宙。許多這樣「無實際根據的」宇宙不會啟動形成高等生命形式的鏈式過程。例如，一個宇宙擁有和我們相同的物理規律以及相同的物理常數，除了宇宙學常數Λ（物理真空的「壓力」）比我們高一個量級，那麼這個宇宙就會高速膨脹導致星系無法形成。出現複雜性的其他關鍵因素包括：

（i）重子（質子和中子）的出現；

（ii）宇宙並不是無限平滑的，可以形成結構（用宇宙微波背景輻射中漲落的振幅Q來度量）；

（iii）比原子和分子間作用力小1040倍的引力——如果引力不是如此微弱，那麼原子和宇宙尺度上的質量、長度和時間就不會有如此大的差異。

21世紀的物理學面臨一個關鍵的挑戰就是確定這些無量綱參數（例如Q和Λ）是否真的是基本的——在一個終極、統一的理論框架下可以被解釋——或者僅僅是巧合。在「永久暴漲」（eternal inflation）模型中這些巧合成了可能，在一個指數膨脹的根基上有無窮個分立的「大爆炸」。一些弦理論允許存在大量不同的真空態，每一個都有不同的Λ（甚至還有不同的維度）。這些理論都要求存在大量的小型宇宙（pocket universe）——一個多重宇宙。如果一些物理學常數並不是基本的，那麼它們在不同的宇宙中就可以有不同的值。結果，一些小型宇宙就會不允許複雜性和智慧生命在其中演化。很清楚，人類只能在「親生物」的宇宙中找到自己。我們宇宙中其他一些讓人費解的特徵僅僅是我們存在並且可以觀測到的時期的產物。另一方面，這些常數的偶然值必定落在允許智慧生命演化的範圍內。描述和研究親生物區域產物的過程被稱為人擇推理。

人擇原理正在開始被認真地研究，尤其是和暗能量的關係。在過去的7年中，宇宙正在加速膨脹已經非常清楚了，暗能量對維持一個幾何上平直的宇宙所需的臨界密度的貢獻達到了大約70%。由此產生的問題是為什麼我們一開始或者可能僅僅是現在碰巧處於物質密度和暗能量密度差不多相當的宇宙中。

宇宙學常數Λ和微波背景漲落Q的圖，其中陰影部分為允許複雜性存在的區域 | 圖片來源：PRESTON HUEY/SCIENCE

這些問題曾經是：為什麼真空會施加一個力？為什麼會存在宇宙學常數Λ？現在我們問：為什麼這個力如此的小？如果在暴漲時期存在一個較大的宇宙斥力，這個力是如何以如此高的精度被「關掉」的？在我們目前所處的宇宙中，Λ比理論家認為合適的值小了10120倍。

根據溫伯格的建議，建立了一些擁有隨機值宇宙學常數的模型，這一隨機分布（在暴漲宇宙學框架下）服從物理學規律。如果假設我們是典型（平凡）的觀測者，那麼暗能量開始在宇宙能量密度中佔主導的時間和宇宙的年齡大致吻合似乎就有一個自然的解釋了；如果Λ太大，那麼在星系有機會形成之前加速就會壓倒引力。

當假設有多個常數具有隨機值時，情況就會變得更加複雜了。例如，大爆炸產生的漲落振幅Q在其他宇宙中可以取不同的值。然而，在人擇允許的區域，Λ和Q是相關的，在這個意義上，如果一個宇宙擁有較大的密度漲落振幅，即使加速很可觀，結構也依然可以形成。對於Q小於10-6的情況，只能形成小尺度暗物質結構，而且只能出現在宇宙晚期。在這些結構中的氣體非常稀薄，無法通過輻射冷卻，阻礙了恆星的形成。如果Q大於10-3，大尺度結構會引力坍縮成巨大的黑洞。對於任何給定的Q，如果Λ大於某個確定的值，那麼在宇宙加速膨脹時就無法形成星系質量的束縛系統。顯然，我們的宇宙正位於人擇允許的範圍內。但是對於我們的位置究竟有多「特殊」的問題的解答還需要對宇宙中Λ和Q的進一步認識。

我們認為多重宇宙和人擇推理對於科學而言是真實的觀點（雖然還是猜測）。對弦理論或者是暴漲的進一步認識也許可以回答我們的大爆炸是否是唯一的，或者僅僅是許多個中的一個。在後一種情況下，一些到目前都認為是基本的物理常數就會是隨機的。不過，光是「人擇推理」和「多重宇宙」的提法就會使一些物理學家血壓升高。這主要有兩個原因。

圖片來源：wikipedia

首先，存在一系列無法觀測到的宇宙似乎與「科學方法」（它要求理論是可以通過觀測和實驗來證偽的）相矛盾，因此是形上學的。但是，在定義可觀測與否上存在一個「模糊」的邊界。目前望遠鏡的觀測能力預示了一個「視界」的存在，「視界」之外的東西無法被觀測到；另一個對觀測而言更基本的極限是粒子視界，在那裡大爆炸發出的光子恰好抵達我們這裡（有效紅移無窮大面）。

在教科書中最簡單的宇宙模型愛因斯坦—德西特模型中，膨脹是減速的，任何一個星系的紅移都是減小的，任何位於視界外的星系最終都會進入到視界中；因此在未來它們會變得可觀測。但是我們並不處於愛因斯坦—德西特宇宙中：我們處於一個平直但卻加速膨脹的宇宙中。在這樣一個宇宙中，任何位於視界外的星系將始終位於視界之外。一般來說，一個加速膨脹的宇宙中總會包含我們永遠無法觀測到的星系。如果由大爆炸產生的「我們的」小型宇宙中存在我們永遠無法觀測到的星系，那麼設想這些星系來自其他的大爆炸——多重宇宙的一部分是不是一種飛躍呢？

如上文所述，有理論預言許多個大爆炸：一種可能是存在膜世界，許多宇宙嵌在高維空間中。另一個是「永久暴漲」。我們傳統意義下的「宇宙」只是巨大宇宙群島中的一片時空區域。

我們還不知道這些理論是否是正確的。但是它們是具有推測性的科學，並非是形上學。可能存在許多大爆炸嗎？如果是這樣，它們可以用Q、Λ和其他量來描述嗎？在多重宇宙中物理學會相同嗎？是什麼使得我們對無法觀測的宇宙有信心？

(WMAP)繪製的宇宙微波背景輻射圖 | 圖片來源：wikipedia

回答是清楚的——如果它們被一個可以解釋我們所觀測到的事物的理論所預言，那麼我們就會相信它。我們相信夸克和相對論對黑洞內部的描述，是因為這些理論在其他地方得到了證實。特別地，如果一個理論對可觀測的宇宙有可檢驗和可證偽的預言，那麼我們就應該嚴肅地考慮並且準備接受它對無法直接觀測的宇宙（或者是多重宇宙）的預言。

物理學家反對多重宇宙的第二個原因是人擇原理似乎指向了物理學的極限——甚至是「物理學的終點」。但是，我們認為這一反對僅僅是心理學上。最重要的是，物理學家想發現一組唯一確定的自洽方程組來確定所有的微觀常數和大爆炸。但是沒有理由物理現實一定要按照這些偏好建立。許多物理學家致力於尋找一個能推導出所有基本數值和常數的理論，但是失敗也許是他們的最終結果。

克卜勒理解的太陽系 | 圖片來源：wikipedia

對第一性解釋的尋求也許就像克卜勒尋求一個能描述太陽系的優美公式一樣是徒勞的。如果未來證實了多重宇宙的可能性，那麼人擇的論據將成為我們的宇宙之所以擁有這些特徵的唯一解釋。在那個時候，我們沒有理由擯棄任何的可能性。從現在我們忽視什麼是基本的而什麼不是基本的來看，我們應該對一切可能性保持開放的思維。我們傳統意義上所說的基本常數和規律也許只是我們這片宇宙所特有的。它們也許可以從支配整個宇宙的某個理論中推出，但是也許也無法被那個理論唯一確定。

最後，有人可能會問，人擇原理是否有預言的能力。原則上講它有。例如，推測宇宙學常數是唯一的隨機變量。正如一些論據所預言的，如果宇宙學常數源自一個平直分布，那麼在某個隨機的多重宇宙成員中它可能會具有較高的值。但是，在人擇允許的範圍內，宇宙學常數存在結構和複雜性無法出現的上限。如果我們的宇宙僅僅是整個宇宙中的普通一員（就像哥白尼謙遜地要求的那樣），那麼預計我們宇宙的宇宙學常數不會比這個上限小很多。如果觀測顯示宇宙學常數比人擇閾值小105倍，那麼人擇的任何論據都會遭到嚴重的質疑。但是正如對高紅移超新星和宇宙微波背景漲落譜的觀測發現宇宙學常數僅比人擇閾值小5-10倍，並不與人擇預言相矛盾。

宇宙中暗物質與暗能量的比例變化 | 圖片來源：見水印

未來十年預期會對暗能量的特性有更好的限制，會進行超對稱和對稱破缺的實驗，也可能會探測到來自暴漲的引力波。這些以及其他無法預料的發現無疑將會給多重宇宙和物理規律的唯一性與否帶來希望。我們的宇宙並不是最簡潔最簡單的。它看似十分隨意的混和了允許我們存在的參數。直到確認了我們位於哪種宇宙或者多重宇宙之後，人擇推理才會真正成為物理學家手中的武器。

（註：本文寫於2012年）

題圖來源：space.com

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