2009年6月21日星期日

人择原理(一)

(博主按:一直以来打算写一点关于人择原理的东西。虽然我并不完全相信它,但我认为目前的确不能完全排除某种人择的假定。另一方面,讨论人择原理的文献已经足够深入与庞杂,因此与其自己瞎写,不如找一篇介绍性的文字与各位同学共同欣赏。以下的文章来自物理学家Stenger为The Encyclopedia of Nonbelief所撰写的词条。我的翻译遵循灵活原则,达意即可。好在这不是文学作品。原文较长,计划分三次贴出。)


 


人择原理


Victor J.Stenger


鲜于中之 译


 


1、人择条件


 


1919年,数学物理学家Hermann Weyl提出这样一个问题:为何两个电子之间的电磁力与万有引力的比值N1是一个如此巨大的数:10的39次方。使Weyl感到疑惑的是,这样大的数为何会成为事实。按照他的直觉,在描写系统的物理性质时,那些诸如圆周率之类的不带任何单位的“纯”数,应当只在1附近的小范围内出现。否则,为什么会是10的39次方,而不是57次方或者-123次方?Weyl认为,存在某种规律,是它选择了10的39次方。


接下来在1923年,天文学家Arthur Eddington也表达了类似的观点:“很难想象在一个描写事物的方案中出现一个比1差很多量级的纯数,不过我们也可以解决这个问题。途径就是:考虑这个世界中所有粒子的总数。我们可以将其他纯数与这个量联系起来。至于粒子总数本身,则可能是由某种偶然因素决定的。”他估计的这个粒子总数N的量级,大致在10的79次方,今天被称为“Eddington常数”。瞧,N差不多就是N1的平方。


到了1937年,物理学家Paul Dirac意识到,N1与另一个纯数同量级,那就是恒星的典型寿命与光穿过质子用时的比N2。他发现这两个看似无关的数的量级大体相同。如果说出现一个量级很大的纯数已经很不可思议了,那么另一个与此无关的纯数恰巧和这个纯数同在一个很大的量级,这是否更不可思议?


再后来,1961年,天体物理学家Robert Dicke指出:N2必须足够大,以使恒星的寿命足够长,这样它才能合成足够多的重元素,比如碳。更进一步,他说,对一个有重元素的宇宙而言,N1和N2必须同量级。这是人称“人择条件”的第一个例子。这个条件是说,为了生命出现在宇宙中,这些看似无关的物理量间的联系似乎是必须的。


从文献中可以找出大量运用人择条件的例子,以下几个尤其突出:


1、电磁力比万有引力强39个量级。如果不是这样大的量级,那么在生命有可能产生之前很早,恒星就塌缩掉了。


2、宇宙的能量密度要比某些理论估计小120个量级。假若宇宙的能量密度恰如某些理论所估计的那样大的话,这个宇宙早就爆碎了。


3、电子的质量一定要比中子与质子的质量差还小。这样一来,自由的中子就可以衰变成质子、电子和反中微子。否则,中子将会是稳定的,于是早期宇宙中的大部分电子和质子将会合成中子。这样几乎没有多余的质子(也就是氢元素)存留下来,作为恒星的燃料。


4、中子必须比质子重,但不能重得太多。因为,原子核之所以能把中子束缚住,就是依靠能量守恒来阻止核内的中子衰变。如果中子太重,那么它在原子核内也没法躲开衰变。没有中子,也许就无法合成重元素。然而重元素是构造一个像生命这样的复杂系统所必须的。


5、碳原子核的激发能大致在7.65百万电子伏特(MeV)左右。如果不是这样,恒星无法为生命合成足够多的碳元素。值得指出,天文学家Fred Hoyle使用这个人择条件,在碳核激发能被实验真正测到之前就预言了它。


 


2、人择原理:三个版本


 


Brandon Carter1974年,天文学家Brandon Carter提出了 “人择原理”的概念。这个原理声称:人择条件并不只是偶然的结果,而是以某种方式植入了宇宙的结构中。他本人提出了两个版本的人择原理。其中的“弱人择原理”(WAP)为:


    我们必须接受这样的事实:我们在宇宙中的位置必须被特别地设定,以使其与我们作为观测者这个事实相容。


Carter的强人择原理(SAP)说:


    宇宙(以及依赖于它的各种参数)必须使得它自己能在某个时刻创造出观测者。


更多作者随后提出了人择原理的其他版本,在文献中可找到不下三十种。这里我只引述三个,它们是数学家John Barrow和物理学家Frank Tipler在关于此主题的大作中提出的。其中的两个是对Carter表述的改装。Barrow & Tipler 的弱人择原理说:


    物理量与宇宙量的观测结果对于各个不同的数值并不等可能。它们的取值需要被这样的条件所限制:应当存在一个区域来产生以碳元素为基础的生命(碳基生命),而且为了做到这一点,宇宙必须足够老。


注意,Barrow & Tipler要求存在“碳基生命”,而Carter只是要求存在“观测者”。这是一个更好的选择,因为很多人择调节的确与碳元素有关,不管是直接还是间接。


Barrow & Tipler的强人择原理说:


    宇宙必须有这样的性质,它们允许生命在其演化历史的某个时段出现。


注意,这三位先生都强调宇宙“必须”具有某些性质以允许生命出现,至少是允许“观测者”出现。于是,强人择原理暗示宇宙中内嵌了某种意图或目的。


Barrow & Tipler 补充了“终极人择原理”(FAP):


    智能的信息过程一定要出现在宇宙中。而且一旦出现,就不会消失。


这里需要请读者注意,“人择原理”和“人择条件”的说法都是误称。因为,除了提出人类所属的“碳基生命”,这些条件中并没有要求出现人类,也没有要求碳基生命一定要进化出智能。


 


3、人择,意味着什么?


 


大部分物理学家和宇宙学家将弱人择原理视作同义反复。的确,各种自然常数当然要调节到适合我们这种形式的生命出现。否则我们就不会出现在这里讨论这些问题了。


然而人择条件的难题的确使人吃惊。人们想知道,对于宇宙的规律,它意味着什么。Barrow & Tipler提出了强人择原理的三种可能结果:


(A)    存在唯一的宇宙,它为产生并支持“观察者”的目的而设计。


(B)    必须有观察者出现,宇宙才能存在。


(C)    我们宇宙存在的条件是,存在大量不同宇宙构成的系综。


有宗教倾向的人将条件(A)视为上帝作为造物主存在的证据,而且这个上帝恰好就是那个为他们所崇拜的上帝。他们问道:如果不是为着一个目的、为着创造生命乃至人类的目的,宇宙如何可能获得这样一组经过精巧调节而适宜生命出现的物理参数呢?


然而这段讨论没有要求这个造物主就是某种特殊信仰中的上帝。实际上,“设计”似乎也能被解释为一个自然的过程,例如类似达尔文进化论中自然选择的过程,或者是今天的科学还无法解释的某种内建于宇宙中的结构。


结论(B)来自对量子力学带有神秘意味的误读。虽然近年来大量的通俗读物都以此为基础,但是几乎没有物理学家严肃对待它。


陈述(C)提出,存在多宇宙。我们恰好生活于其中一个适宜我们这种类型的生命生存的宇宙。我们将在稍后讨论这种可能性。


 


预告:


4、微调,旁观者的游戏?
5、真空能的难题

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