最新：人擇原理錯(cuò)了嗎？丨展卷

宇宙為何如此？這是一個(gè)物理學(xué)家和哲學(xué)家都試圖回答的問(wèn)題。人擇原理在褒貶不一的評(píng)價(jià)中給出了一種可能的解答，但沒有人知道它究竟能走多遠(yuǎn)。

本文節(jié)選自《在這個(gè)宇宙中愛你》（中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2022年4月）第四章 “宇宙為何如此”，題目為編者所加。

撰文丨黃永明

137 億年前，宇宙在大爆炸中創(chuàng)生。30 萬(wàn)年后，第一批原子形成。又過(guò)了大約6 億年，宇宙中的第一批星系誕生。那些最早形成的恒星由大量的氫和少量的氦構(gòu)成，它們?cè)诤司圩兊倪^(guò)程中形成更重的元素，比如碳和氧。而后，恒星在超新星爆發(fā)中將較重的元素釋放出來(lái)，從而形成新的恒星和更重的元素。有了這些元素，我們的地球、我們自身才得以形成。我們的太陽(yáng)是第三代恒星。

這其中最令人驚訝的是，氦原子核在由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成以后，它的質(zhì)量是這四個(gè)粒子質(zhì)量之和的99.3%，另外0.7%的質(zhì)量以熱能的形式被釋放出去。重點(diǎn)在于，0.7% 是一個(gè)極為關(guān)鍵的數(shù)字，假如它是0.6% 或0.8%，我們今天就不會(huì)存在于這個(gè)宇宙中了——因?yàn)?.7% 這個(gè)比例決定了恒星內(nèi)部核聚變的速率，決定了恒星壽命的長(zhǎng)短，進(jìn)而影響了各種元素的出現(xiàn)和比重。

還有宇宙創(chuàng)生之初的膨脹速度，現(xiàn)在看來(lái)，如果它不是極為精巧的話，那么宇宙密度與臨界密度的比值就不會(huì)像現(xiàn)在這樣接近于1。原因在于，如果這個(gè)比值小于1，宇宙早就已經(jīng)坍縮了；如果這個(gè)比值大于1，恒星、星系和我們，今天都不會(huì)存在。

以上僅僅是兩個(gè)例子。更多的類似現(xiàn)象讓人覺得，我們這個(gè)宇宙從創(chuàng)始之初就是被精細(xì)調(diào)整過(guò)的。有宇宙學(xué)家著書立說(shuō)，稱我們宇宙的今天僅僅決定于包括上述二者在內(nèi)的六個(gè)數(shù)字——它們中任何一個(gè)若有些許不同，今天的宇宙結(jié)構(gòu)和人類都不會(huì)出現(xiàn)。

有作家曾用“惡搞”的形式展示過(guò)這種驚人的現(xiàn)象：

1：起初，神創(chuàng)造天地。

2：奇點(diǎn)是空虛混沌，一切物理定律都還不適用。

3：神說(shuō)，要有光，就有了光。他看光是好的，就把光速設(shè)定為299792458 米/ 秒，并讓之恒定不變，不因參照系的改變而改變。

4：神稱波長(zhǎng)范圍在0.39 ～ 0.77 微米之間的光為“可見”，稱這個(gè)區(qū)間以外的光為“不可見”。

5：有可見的，有不可見的，有光明，有黑暗，這是第一日。

……

為什么會(huì)這樣？?jī)H僅是巧合嗎？或者，如此宏大而精妙的宇宙難道就是為我們這些在宇宙中看起來(lái)微不足道的人類而出現(xiàn)的嗎？對(duì)這其中原理的相關(guān)思考曾出現(xiàn)在許多哲學(xué)家的理論中，比如休謨的《自然宗教對(duì)話錄》（Dialogues Concerning Natural Religion）和康德的哲學(xué)。而現(xiàn)代的解釋則僅僅出現(xiàn)在40 多年前。

1620 年，英國(guó)哲學(xué)家培根講述的故事體現(xiàn)了解決疑難的一個(gè)最基本思想。我們姑且把其中的主人公稱為“觀察者”。一些人向觀察者展示了寺廟中掛著的一幅畫，畫面的內(nèi)容是一幫船員。這些人對(duì)觀察者說(shuō)：“你瞧，這些船員出海前都曾在這里向神靈祈求平安，后來(lái)他們就都在海難中生還了。你現(xiàn)在覺得是不是應(yīng)該感謝神呢？”“是的。”觀察者回答說(shuō)，“但是，他們把那些祈愿后死于海難的人又畫在什么地方了呢？”

“這全部都是迷信，不管是星占、夢(mèng)、兆頭、神諭，還是其他什么方式?！迸喔u(píng)論說(shuō)，人們把做成的事歸功于這些無(wú)價(jià)值的事物，而對(duì)于更為頻繁發(fā)生的失敗則視而不見。

培根講的這種現(xiàn)象被稱為“觀察選擇效應(yīng)”（Observation selection effects）。我們?cè)谟^察這個(gè)世界時(shí)所獲得的數(shù)據(jù)受制于我們所使用的儀器儀表，我們所觀察到的內(nèi)容只是全集的一個(gè)子集；同時(shí)，我們所獲得的數(shù)據(jù)還受制于這樣一個(gè)前提：存在一個(gè)觀察者來(lái)收集數(shù)據(jù)，因此偏見無(wú)可避免。

觀察選擇效應(yīng)是“人擇原理”（Anthropic Principle）中的一個(gè)概念。該原理于1973 年由英國(guó)天體物理學(xué)家布蘭登·卡特（Brandon Carter）在紀(jì)念哥白尼誕辰500 周年時(shí)提出。這個(gè)原理認(rèn)為，我們的宇宙之所以是這個(gè)樣子，是因?yàn)橛形覀冊(cè)谟^察；假如宇宙不適合智慧生命存在，那也就沒有智慧生命來(lái)提出這些問(wèn)題了。

卡特在哥白尼誕辰500 周年時(shí)提出這一原理別有一番味道。哥白尼打破了人類中心的宇宙觀，認(rèn)為人只不過(guò)是在一顆環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的行星上而已，并不是整個(gè)宇宙在圍繞自己運(yùn)行。后來(lái)，隨著天文學(xué)的發(fā)展，人類在宇宙中的位置顯得越來(lái)越卑微了。太陽(yáng)也很普通，它只不過(guò)是銀河系千億顆恒星中的一顆，而銀河系也不過(guò)是星系團(tuán)的普通一員，宇宙中又有不計(jì)其數(shù)的星系團(tuán)?？ㄌ氐娜藫裨硭坪跤肿屓祟愒谟钪嬷械牡匚挥兴仙?，讓人有了一種以我為主的感覺，正如他在一篇論述人擇原理的論文中所寫的那樣：“盡管我們所處的位置不一定是中心，但不可避免地，在某種程度上卻處于特殊的地位。”

卡特將人擇原理分為兩種：弱人擇原理和強(qiáng)人擇原理。弱人擇原理認(rèn)為：作為觀察者的我們之所以存在于這個(gè)時(shí)空位置，是因?yàn)檫@個(gè)位置提供了我們存在的可能。而強(qiáng)人擇原理則認(rèn)為：我們的宇宙（同時(shí)也包括那些基本的物理常數(shù)）必須允許觀察者在某一階段出現(xiàn)。

卡特的人擇原理提出后，有許多人對(duì)其作了解讀和發(fā)展。其中最引人注目的是宇宙學(xué)家約翰·巴羅（John D. Barrow）和物理學(xué)家弗蘭克·提普勒（Frank J. Tipler），他們對(duì)弱人擇原理做了這樣的描述：物理學(xué)和宇宙學(xué)的所有量的觀測(cè)值，不是同等可能的；它們偏愛那些能夠使碳基生命得以進(jìn)化的地域出現(xiàn)的數(shù)值，而且這些限定使得宇宙的年齡大到已經(jīng)做到了這一點(diǎn)。他們把“觀察者”換作了“碳基生命”，把卡特在強(qiáng)人擇原理中才提到的基本物理常數(shù)拿到了弱人擇原理中。

巴羅等人的強(qiáng)人擇原理是這樣說(shuō)的：宇宙必須具備允許生命在其某個(gè)時(shí)期得以在其中發(fā)展的那些性質(zhì)。

有些哲學(xué)家認(rèn)為，巴羅等人的提法是具有誤導(dǎo)性的。而實(shí)際上，自從卡特提出強(qiáng)弱人擇原理以來(lái)，人擇原理的不同版本已經(jīng)出現(xiàn)了30 多種，讓人越來(lái)越迷惑于人擇原理的本意。巴羅等人注意到，人擇原理如果要智慧生命產(chǎn)生的話，再讓它們滅絕就顯得無(wú)意義了。于是，他們又提出了“最終人擇原理”：包含智慧的信息處理過(guò)程一定會(huì)在宇宙中出現(xiàn)，而且，它一旦出現(xiàn)就不會(huì)滅亡。

美國(guó)業(yè)余數(shù)學(xué)家馬丁·加德納（Martin Gardner）無(wú)情地嘲笑了巴羅等人的最終人擇原理。他“惡搞”出了一個(gè)“完全荒謬人擇原理”：生命將會(huì)掌握所有的物質(zhì)和力量，不止在一個(gè)宇宙，而是在所有邏輯上可能存在的宇宙；生命將會(huì)傳播到邏輯上可能存在的所有宇宙的每一個(gè)角落，而且將會(huì)儲(chǔ)存所有邏輯上可能被理解的、無(wú)限的知識(shí)。

著名科幻作家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）在他的小說(shuō)《神們自己》（The Gods Themselves）中，描寫了一種來(lái)自平行宇宙的智慧生命，那個(gè)宇宙中的基本物理常數(shù)與我們的不同，主要體現(xiàn)在強(qiáng)相互作用力上。強(qiáng)相互作用力是物理世界中的四種基本力之一，它在我們宇宙中的數(shù)值哪怕只增大2%，就會(huì)嚴(yán)重影響恒星物理，甚至或許會(huì)使得今天的人類不存在。因而，它和許多其他的基本物理常數(shù)一樣，在我們的宇宙中似乎是經(jīng)過(guò)了精細(xì)調(diào)整的。

卡特的人擇原理提出后，便受到了智能設(shè)計(jì)論擁護(hù)者的歡迎。在他們看來(lái)，我們的宇宙之外一定存在著一個(gè)智能因素，它從最開始就把宇宙中的物理常數(shù)精心安排好了，以便生命能夠出現(xiàn)。而卡特則表示，智能設(shè)計(jì)論者完全曲解了他的原意，甚至與原意背道而馳。

實(shí)際上，卡特的人擇原理并不需要智能設(shè)計(jì)者的存在。比如，存在足夠多的平行宇宙，每個(gè)宇宙中的基本物理常數(shù)都不相同，而我們恰好存在于一個(gè)適合進(jìn)化出智慧生物的宇宙中。在弦論中，這樣的平行宇宙可以多達(dá)10^500個(gè)，比我們可觀測(cè)到的宇宙范圍內(nèi)的原子總數(shù)還要多。這么多的宇宙中，只有一個(gè)，才存在你。你所愛的每一個(gè)人，你聽說(shuō)過(guò)的每一個(gè)人，曾經(jīng)有過(guò)的每一個(gè)人，因這個(gè)宇宙的存在而存在。

另一種可能性是，宇宙相當(dāng)相當(dāng)大，我們只能觀測(cè)到“當(dāng)?shù)亍钡臄?shù)據(jù)，而這些常數(shù)并不是在整個(gè)宇宙中普適的，其他地方的常數(shù)會(huì)有所不同。還有一種評(píng)論認(rèn)為，智能設(shè)計(jì)論者把生命僅僅限制在碳基生命中。如果基本物理常數(shù)有微小的不同，那也許就沒有我們了，但未必意味著沒有其他的生命形式。其實(shí)，這也正是有人批評(píng)巴羅等人把卡特措辭中的“觀察者”換成“碳基生命”的原因。

對(duì)于這種種猜想， 著名物理學(xué)家保羅· 戴維斯（Paul Davies）總結(jié)了七種不同的“宇宙真相”：

荒唐宇宙：宇宙只是碰巧成了這個(gè)樣子。

唯一宇宙：某種深藏著的物理協(xié)調(diào)機(jī)制使得宇宙成為這個(gè)樣子。

多重宇宙：存在很多很多的平行宇宙，它們的物理性質(zhì)不同，我們存在于其中應(yīng)該適合生命存在的宇宙中。

智能設(shè)計(jì)：智能設(shè)計(jì)者有意將宇宙設(shè)計(jì)成能夠產(chǎn)生復(fù)雜生命的產(chǎn)品。

生命原理：某種深藏著的原理迫使宇宙朝著能夠產(chǎn)生生命的方向演化。

自明宇宙：一個(gè)解釋閉包或因果回路——可能只有允許意識(shí)的宇宙才能存在。

真宇宙：我們生活在一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真世界里。

一直以來(lái)，人們對(duì)人擇原理的意見分歧從未消失。有的哲學(xué)家認(rèn)為，弱人擇原理簡(jiǎn)直就是一句廢話，而強(qiáng)人擇原理受到的質(zhì)疑則更大。以諾貝爾獎(jiǎng)得主戴維·格羅斯（David Gross）為代表的物理學(xué)家指出，這套理論最大的問(wèn)題在于它無(wú)法被證偽，也就是說(shuō)，你永遠(yuǎn)無(wú)法通過(guò)觀測(cè)手段來(lái)證實(shí)我們生活在多重宇宙之中，或是證實(shí)只存在我們這一個(gè)宇宙。按照格羅斯的說(shuō)法，這壓根就不屬于科學(xué)。

另有物理學(xué)家認(rèn)為，人擇原理是某種程度的“墮落”，因?yàn)榉彩菬o(wú)法用物理定律來(lái)解釋的問(wèn)題都可以用人擇原理來(lái)解釋，這樣就不必再去探究現(xiàn)象背后可能隱藏著的深層次含義了。

目前， 一些物理學(xué)家提出的“混沌暴脹”（Chaotic inflation）理論被認(rèn)為可能是對(duì)多重宇宙的一種暗示。在這一理論中，宇宙大爆炸之后，宇宙經(jīng)歷了一個(gè)分化的過(guò)程，也就是所謂的“暴脹”（Inflation）。暴脹發(fā)生時(shí)，有很多種暴脹方式，得到的每種宇宙都不同，比如首先出現(xiàn)A、B、C、D、E、F、G……，到下一秒的時(shí)候，A 宇宙又會(huì)出現(xiàn)許許多多新的宇宙，我們叫AA、AB、AC、AD……，B 宇宙則會(huì)出現(xiàn)許許多多新的宇宙BA、BB、BC、BD……每種宇宙出現(xiàn)的概率都不同。這其中就有適合生命生存的宇宙。暴脹理論有很多不同的版本，有一個(gè)版本甚至認(rèn)為在大爆炸之前就發(fā)生了暴脹。

宇宙學(xué)界應(yīng)用人擇原理最著名的例子來(lái)自斯蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg），他在1987 年利用人擇原理成功預(yù)言了宇宙學(xué)的常數(shù)值。當(dāng)時(shí)，初步的觀察表明宇宙學(xué)常數(shù)等于零，但溫伯格注意到，根據(jù)人擇原理，宇宙學(xué)常數(shù)應(yīng)該是一個(gè)很小的數(shù)字，但不應(yīng)該為零——只有這樣，星系、恒星和我們才會(huì)存在。他對(duì)宇宙學(xué)常數(shù)的預(yù)言在10 年后被觀測(cè)所證實(shí)。

人擇原理新近的生存土壤是超弦理論。在超弦中，時(shí)空是十維或者十一維的，而我們現(xiàn)實(shí)中可觀測(cè)的世界是四維的。于是，一般認(rèn)為另外六個(gè)空間的維度體積很小并高度卷曲，科學(xué)家把這種現(xiàn)象叫作“緊化”（Compactification）。從超弦的基本理論出發(fā)，對(duì)于不同的緊化手段，人們可以得到不同的描述四維世界的模型。

有人稱超弦理論或許是終極理論。那么作為終極理論，它應(yīng)該能給出這個(gè)世界上各種粒子的性質(zhì)，以及我們所生活的時(shí)空的性質(zhì)，或者說(shuō)引力的性質(zhì)。但是，科學(xué)家目前還做不到。就像前面提到的，超弦目前允許有很多很多的宇宙存在，至于區(qū)分其中到底哪一個(gè)是我們所生活的宇宙，超弦看起來(lái)還做不到，因此人們需要引入人擇原理。

宇宙為何如此？這是一個(gè)物理學(xué)家和哲學(xué)家都試圖回答的問(wèn)題。人擇原理在褒貶不一的評(píng)價(jià)中給出了一種可能的解答，但沒有人知道它究竟能走多遠(yuǎn)。

作者簡(jiǎn)介

黃永明，資深科學(xué)記者，美國(guó)全國(guó)科學(xué)作家協(xié)會(huì)（NASW）會(huì)員。

前往“返樸”公眾號(hào)，點(diǎn)擊圖片小程序或左下角“閱讀原文“購(gòu)買↓↓

特 別 提 示

1. 進(jìn)入『返樸』微信公眾號(hào)底部菜單“精品專欄“，可查閱不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關(guān)注公眾號(hào)，回復(fù)四位數(shù)組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

資料圖片僅供參考

版權(quán)說(shuō)明：歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)，任何形式的媒體或機(jī)構(gòu)未經(jīng)授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載和摘編。轉(zhuǎn)載授權(quán)請(qǐng)?jiān)凇阜禈恪刮⑿殴娞?hào)內(nèi)聯(lián)系后臺(tái)。

標(biāo)簽： 人擇原理 物理學(xué)家 物理常數(shù)