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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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人择的理由  

2012-09-29 12:44:44|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:Shea

Mario Livio & Martin J. Rees 文 Shea 编译

地外智慧生命存在吗?甚至我们问这样一个问题都倚赖一个重要的事实:我们的宇宙允许复杂性(例如人类)出现。很显然,人类的生物学细节以及人类的出现取决于地球及其演化过程的某些特征。但是,有一些要求对于任何生命而言可能是普适的:星系、恒星和(可能的)行星必须形成;恒星中的核合成必须合成重元素,例如碳、氧和铁;这些原子又必须处于一个稳定的环境中,在那里它们才能组合形成生物分子。

  我们可以想像具有不同物理学和宇宙常数的宇宙。许多这样“无实际根据的”宇宙不会启动形成高等生命形式的链式过程。例如,一个宇宙拥有和我们相同的物理规律以及相同的物理常数,除了宇宙学常数Λ(物理真空的“压力”)比我们高一个量级,那么这个宇宙就会高速膨胀导致星系无法形成。出现复杂性的其他关键因素包括:(i)重子(质子和中子)的出现;(ii)宇宙并不是无限平滑的,可以形成结构(用宇宙微波背景辐射中涨落的振幅Q来度量);以及(iii)比原子和分子间作用力小1040倍的引力——如果引力不是如此微弱,那么原子和宇宙尺度上的质量、长度和时间就不会有如此大的差异。

  21世纪的物理学面临一个关键的挑战就是确定这些无量纲参数(例如Q和Λ)是否真的是基本的——在一个终极、统一的理论框架下可以被解释——或者仅仅是巧合。在“永久暴涨”(eternal inflation)模型中这些巧合成了可能,在一个指数膨胀的根基上有无穷个分立的“大爆炸”。一些弦理论允许存在大量不同的真空态,每一个都有不同的Λ(甚至还有不同的维度)。这些理论都要求存在大量的小型宇宙(pocket universe)——一个多重宇宙。如果一些物理学常数并不是基本的,那么它们在不同的宇宙中就可以有不同的值。结果,一些小型宇宙就会不允许复杂性和智慧生命在其中演化。很清楚,人类只能在“亲生物”的宇宙中找到自己。我们宇宙中其他一些让人费解的特征仅仅是我们存在并且可以观测到的时期的产物。另一方面,这些常数的偶然值必定落在允许智慧生命演化的范围内。描述和研究亲生物区域产物的过程被称为人择推理。

  人择原理正在开始被认真地研究,尤其是和暗能量的关系。在过去的7年中,宇宙正在加速膨胀已经非常清楚了,暗能量对维持一个几何上平直的宇宙所需的临界密度的贡献达到了大约70%。由此产生的问题是为什么我们一开始或者可能仅仅是现在碰巧处于物质密度和暗能量密度差不多相当的宇宙中。



[图片说明]:宇宙学常数Λ和微波背景涨落Q的图,其中阴影部分为允许复杂性存在的区域。版权:PRESTON HUEY/SCIENCE。

  这些问题曾经是:为什么真空会施加一个力?为什么会存在宇宙学常数Λ?现在我们问:为什么这个力如此的小?如果在暴涨时期存在一个较大的宇宙斥力,这个力是如何以如此高的精度被“关掉”的?在我们目前所处的宇宙中,Λ比理论家认为合适的值小了10120倍。

  根据温伯格的建议,建立了一些拥有随机值宇宙学常数的模型,这一随机分布(在暴涨宇宙学框架下)服从物理学规律。如果假设我们是典型(平凡)的观测者,那么暗能量开始在宇宙能量密度中占主导的时间和宇宙的年龄大致吻合似乎就有一个自然的解释了;如果Λ太大,那么在星系有机会形成之前加速就会压倒引力。

  当假设有多个常数具有随机值时,情况就会变得更加复杂了。例如,大爆炸产生的涨落振幅Q在其他宇宙中可以取不同的值。然而,在人择允许的区域,Λ和Q是相关的,在这个意义上,如果一个宇宙拥有较大的密度涨落振幅,即使加速很可观,结构也依然可以形成。对于Q小于10-6的情况,只能形成小尺度暗物质结构,而且只能出现在宇宙晚期。在这些结构中的气体非常稀薄,无法通过辐射冷却,阻碍了恒星的形成。如果Q大于10-3,大尺度结构会引力坍缩成巨大的黑洞。对于任何给定的Q,如果Λ大于某个确定的值,那么在宇宙加速膨胀时就无法形成星系质量的束缚系统。显然,我们的宇宙正位于人择允许的范围内。但是对于我们的位置究竟有多“特殊”的问题的解答还需要对宇宙中Λ和Q的进一步认识。

  我们认为多重宇宙和人择推理对于科学而言是真实的观点(虽然还是猜测)。对弦理论或者是暴涨的进一步认识也许可以回答我们的大爆炸是否是唯一的,或者仅仅是许多个中的一个。在后一种情况下,一些到目前都认为是基本的物理常数就会是随机的。不过,光是“人择推理”和“多重宇宙”的提法就会使一些物理学家血压升高。这主要有两个原因。

  首先,存在一系列无法观测到的宇宙似乎与“科学方法”(它要求理论是可以通过观测和实验来证伪的)相矛盾,因此是形而上学的。但是,在定义可观测与否上存在一个“模糊”的边界。目前望远镜的观测能力预示了一个“视界”的存在,“视界”之外的东西无法被观测到;另一个对观测而言更基本的极限是粒子视界,在那里大爆炸发出的光子恰好抵达我们这里(有效红移无穷大面)。

  在教科书中最简单的宇宙模型爱因斯坦—德西特模型中,膨胀是减速的,任何一个星系的红移都是减小的,任何位于视界外的星系最终都会进入到视界中;因此在未来它们会变得可观测。但是我们并不处于爱因斯坦—德西特宇宙中:我们处于一个平直但却加速膨胀的宇宙中。在这样一个宇宙中,任何位于视界外的星系将始终位于视界之外。一般来说,一个加速膨胀的宇宙中总会包含我们永远无法观测到的星系。如果由大爆炸产生的“我们的”小型宇宙中存在我们永远无法观测到的星系,那么设想这些星系来自其他的大爆炸——多重宇宙的一部分是不是一种飞跃呢?

  如上文所述,有理论预言许多个大爆炸:一种可能是存在膜世界,许多宇宙嵌在高维空间中。另一个是“永久暴涨”。我们传统意义下的“宇宙”只是巨大宇宙群岛中的一片时空区域。

  我们还不知道这些理论是否是正确的。但是它们是具有推测性的科学,并非是形而上学。可能存在许多大爆炸吗?如果是这样,它们可以用Q、Λ和其他量来描述吗?在多重宇宙中物理学会相同吗?是什么使得我们对无法观测的宇宙有信心?

  回答是清楚的——如果它们被一个可以解释我们所观测到的事物的理论所预言,那么我们就会相信它。我们相信夸克和相对论对黑洞内部的描述,是因为这些理论在其他地方得到了证实。特别地,如果一个理论对可观测的宇宙有可检验和可证伪的预言,那么我们就应该严肃地考虑并且准备接受它对无法直接观测的宇宙(或者是多重宇宙)的预言。

  物理学家反对多重宇宙的第二个原因是人择原理似乎指向了物理学的极限——甚至是“物理学的终点”。但是,我们认为这一反对仅仅是心理学上。最重要的是,物理学家想发现一组唯一确定的自洽方程组来确定所有的微观常数和大爆炸。但是没有理由物理现实一定要按照这些偏好建立。许多物理学家致力于寻找一个能推导出所有基本数值和常数的理论,但是失败也许是他们的最终结果。

  对第一性解释的寻求也许就像开普勒寻求一个能描述太阳系的优美公式一样是徒劳的。如果未来证实了多重宇宙的可能性,那么人择的论据将成为我们的宇宙之所以拥有这些特征的唯一解释。在那个时候,我们没有理由摈弃任何的可能性。从现在我们忽视什么是基本的而什么不是基本的来看,我们应该对一切可能性保持开放的思维。我们传统意义上所说的基本常数和规律也许只是我们这片宇宙所特有的。它们也许可以从支配整个宇宙的某个理论中推出,但是也许也无法被那个理论唯一确定。

  最后,有人可能会问,人择原理是否有预言的能力。原则上讲它有。例如,推测宇宙学常数是唯一的随机变量。正如一些论据所预言的,如果宇宙学常数源自一个平直分布,那么在某个随机的多重宇宙成员中它可能会具有较高的值。但是,在人择允许的范围内,宇宙学常数存在结构和复杂性无法出现的上限。如果我们的宇宙仅仅是整个宇宙中的普通一员(就像哥白尼谦逊地要求的那样),那么预计我们宇宙的宇宙学常数不会比这个上限小很多。如果观测显示宇宙学常数比人择阈值小105倍,那么人择的任何论据都会遭到严重的质疑。但是正如对高红移超新星和宇宙微波背景涨落谱的观测发现宇宙学常数仅比人择阈值小5-10倍,并不与人择预言相矛盾。

  未来十年预期会对暗能量的特性有更好的限制,会进行超对称和对称破缺的实验,也可能会探测到来自暴涨的引力波。这些以及其他无法预料的发现无疑将会给多重宇宙和物理规律的唯一性与否带来希望。我们的宇宙并不是最简洁最简单的。它看似十分随意的混和了允许我们存在的参数。直到确认了我们位于哪种宇宙或者多重宇宙之后,人择推理才会真正成为物理学家手中的武器。

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