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

本文節(jié)選自《在這個宇宙中愛你》（中國科學(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。

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撰文丨黃永明

137 億年前，宇宙在大爆炸中創(chuàng)生。30 萬年后，第一批原子形成。又過了大約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，它們在核聚變的過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，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。我們的太陽是第三代恒星。

這其中最令人驚訝的是，氦原子核在由兩個質(zhì)子和兩個中子組成以后，它的質(zhì)量是這四個粒子質(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。重點在于，0.7% 是一個極為關(guān)鍵的數(shù)字，假如它是0.6% 或0.8%，我們今天就不會存在于這個宇宙中了——因為0.7% 這個比例決定了恒星內(nèi)部核聚變的速率，決定了恒星壽命的長短，進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，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像現(xiàn)在這樣接近于1。原因在于，如果這個比值小于1，宇宙早就已經(jīng)坍縮了；如果這個比值大于1，恒星、星系和我們，今天都不會存在。

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

有作家曾用“惡搞”的形式展示過這種驚人的現(xiàn)象：1：起初，神創(chuàng)造天地。2：奇點是空虛混沌，一切物理定律都還不適用。3：神說，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：神稱波長范圍在0.39 ～ 0.77 微米之間的光為“可見”，稱這個區(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。

……

為什么會這樣？僅僅是巧合嗎？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微不足道的人類而出現(xiàn)的嗎？對這其中原理的相關(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，英國哲學(xué)家培根講述的故事體現(xiàn)了解決疑難的一個最基本思想。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。這些人對觀察者說：“你瞧，這些船員出海前都曾在這里向神靈祈求平安，后來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，“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、兆頭、神諭，還是其他什么方式。”培根評論說，人們把做成的事歸功于這些無價值的事物，而對于更為頻繁發(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）。我們在觀察這個世界時所獲得的數(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)容只是全集的一個子集；同時，我們所獲得的數(shù)據(jù)還受制于這樣一個前提：存在一個觀察者來收集數(shù)據(jù)，因此偏見無可避免。

觀察選擇效應(yīng)是“人擇原理”（Anthropic Principle）中的一個概念。該原理于1973 年由英國天體物理學(xué)家布蘭登·卡特（Brandon Carter）在紀念哥白尼誕辰500 周年時提出。這個原理認為，我們的宇宙之所以是這個樣子，是因為有我們在觀察；假如宇宙不適合智慧生命存在，那也就沒有智慧生命來提出這些問題了。

卡特在哥白尼誕辰500 周年時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，認為人只不過是在一顆環(huán)繞太陽運轉(zhuǎn)的行星上而已，并不是整個宇宙在圍繞自己運行。后來，隨著天文學(xué)的發(fā)展，人類在宇宙中的位置顯得越來越卑微了。太陽也很普通，它只不過是銀河系千億顆恒星中的一顆，而銀河系也不過是星系團的普通一員，宇宙中又有不計其數(shù)的星系團。卡特的人擇原理似乎又讓人類在宇宙中的地位有所上升，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：弱人擇原理和強人擇原理。弱人擇原理認為：作為觀察者的我們之所以存在于這個時空位置，是因為這個位置提供了我們存在的可能。而強人擇原理則認為：我們的宇宙（同時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)的所有量的觀測值，不是同等可能的；它們偏愛那些能夠使碳基生命得以進化的地域出現(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。他們把“觀察者”換作了“碳基生命”，把卡特在強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。

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

有些哲學(xué)家認為，巴羅等人的提法是具有誤導(dǎo)性的。而實際上，自從卡特提出強弱人擇原理以來，人擇原理的不同版本已經(jīng)出現(xiàn)了30 多種，讓人越來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程一定會在宇宙中出現(xiàn)，而且，它一旦出現(xiàn)就不會滅亡。

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

著名科幻作家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）在他的小說《神們自己》（The Gods Themselves）中，描寫了一種來自平行宇宙的智慧生命，那個宇宙中的基本物理常數(shù)與我們的不同，主要體現(xiàn)在強相互作用力上。強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%，就會嚴重影響恒星物理，甚至或許會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)過了精細調(diào)整的。

卡特的人擇原理提出后，便受到了智能設(shè)計論擁護者的歡迎。在他們看來，我們的宇宙之外一定存在著一個智能因素，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)計論者完全曲解了他的原意，甚至與原意背道而馳。

實際上，卡特的人擇原理并不需要智能設(shè)計者的存在。比如，存在足夠多的平行宇宙，每個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適合進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10^500個，比我們可觀測到的宇宙范圍內(nèi)的原子總數(shù)還要多。這么多的宇宙中，只有一個，才存在你。你所愛的每一個人，你聽說過的每一個人，曾經(jīng)有過的每一個人，因這個宇宙的存在而存在。

另一種可能性是，宇宙相當相當大，我們只能觀測到“當?shù)亍钡臄?shù)據(jù)，而這些常數(shù)并不是在整個宇宙中普適的，其他地方的常數(shù)會有所不同。還有一種評論認為，智能設(shè)計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，這也正是有人批評巴羅等人把卡特措辭中的“觀察者”換成“碳基生命”的原因。

對于這種種猜想， 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樣子。

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

• 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：智能設(shè)計者有意將宇宙設(shè)計成能夠產(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：一個解釋閉包或因果回路——可能只有允許意識的宇宙才能存在。

• 真宇宙：我們生活在一個虛擬現(xiàn)實的仿真世界里。

一直以來，人們對人擇原理的意見分歧從未消失。有的哲學(xué)家認為，弱人擇原理簡直就是一句廢話，而強人擇原理受到的質(zhì)疑則更大。以諾貝爾獎得主戴維·格羅斯（David Gross）為代表的物理學(xué)家指出，這套理論最大的問題在于它無法被證偽，也就是說，你永遠無法通過觀測手段來證實我們生活在多重宇宙之中，或是證實只存在我們這一個宇宙。按照格羅斯的說法，這壓根就不屬于科學(xué)。

另有物理學(xué)家認為，人擇原理是某種程度的“墮落”，因為凡是無法用物理定律來解釋的問題都可以用人擇原理來解釋，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）理論被認為可能是對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)歷了一個分化的過程，也就是所謂的“暴脹”（Inflation）。暴脹發(fā)生時，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……，到下一秒的時候，A 宇宙又會出現(xiàn)許許多多新的宇宙，我們叫AA、AB、AC、AD……，B 宇宙則會出現(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，有一個版本甚至認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。當時，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、恒星和我們才會存在。他對宇宙學(xué)常數(shù)的預(yù)言在10 年后被觀測所證實。

人擇原理新近的生存土壤是超弦理論。在超弦中，時空是十維或者十一維的，而我們現(xiàn)實中可觀測的世界是四維的。于是，一般認為另外六個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)該能給出這個世界上各種粒子的性質(zhì)，以及我們所生活的時空的性質(zhì)，或者說引力的性質(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)分其中到底哪一個是我們所生活的宇宙，超弦看起來還做不到，因此人們需要引入人擇原理。

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

作者簡介

黃永明，資深科學(xué)記者，美國全國科學(xué)作家協(xié)會（NASW）會員。