宇宙为什么是今天这个样子 而不是别的样子?它为什么精妙 得如此令人惊叹?

文章作者:管理一号 | 2019-10-31
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如果没有人类存在,宇宙还会不会是今天这个样子?

当然不会。

因为宇宙是为人类而定做的。

这就是所谓的“人择原理”。

因为有了人类,才会有现在的宇宙。

这似乎像是一种颠倒因果的狡辩,不过也蕴藏着很深的道理。

宇宙有设计者吗?

走过一块荒地时,假使你碰 到一块石头,你会相信石头一直 就在那里;但若你碰到的是一只 表,你就会想是有人丢在那里的。为什么仅因为一个是石头,一个 是表,你的想法便是两样呢?

表的结构精微复杂,各个部 件衔接准确,它不容置疑地显现 了人的规划。即使一个从未见过 表的人见了表之后,也会相信,这 种机械设备是一个有智慧的人为 了必定的目的而规划出来的,而 石头,则不可能是规划出来的。

其实不然,石头是大自然设 计出来的,而大自然,又是世界设 计出来的。而就其构造和复杂性 而言,世界自身就像是一只表,只 不过比表大得多罢了。

宇宙之井然有序似乎是不言 自明的。不管我们把目光投向何 方,我们所看到的物质和能量的 散布都不是混乱无序的,相反,它 们严格地依照从简略到杂乱的有 序结构组织,从原子到分子,到晶 体、生物,再到恒星、星系等等, 莫不是井井有条,按部就班。而 且,物质体系的行为也不是偶尔 的、随机的,而是有章法、成体系 的。科学家们面临大自然难以捉 摸的美和精妙时,常常感到一种 敬畏和惊奇。

宇宙是为我们定做的——人择原理

不仅如此,更令人惊叹的地 方还在于,咱们这个精妙绝伦的 国际不能稍有增减,不然的话就 没有人类呈现,这个国际或许就 没有观察者了。为了使国际中有 生命,就需要将许许多多偶然事 件联络到一起,但存在这种联络 的可能性实际上非常小,而咱们 的国际却令人难以置信地做到了。如果让一只山公乱弹钢琴,它能 弹出一首国际名曲吗?显然,这 是不可能的。但是,某一次,它竟 然弹出了一首名曲!简直不可能 发作的事居然变成了事实!国际 中产生生命就像山公弹名曲相同 难以想象。

宇宙为什么是今天这个样子 而不是别的样子?它为什么精妙 得如此令人惊叹?宇宙学家们指 出,原初宇宙根本就不是处于一 种有序的状况之中,而是接近于 热平衡。咱们现在所观察到的各 种常见结构——星系、恒星、原子 ——在大爆炸时都不存在。但从 原初的混沌中竟然产生出宇宙现 在的有序结构,这到底是怎么产 生的呢?

这样的问题甚至连科学家也 不知道该怎么回答。不过有一种 理论很古怪也很有趣,这便是人 择原理。人择原理是说,世界之所 所以这种姿态,是因为生命(特别 是人类生命)的存在,是因为世界 需求人类这个观察者,因而,世界 不可能是其他姿态,而只能是人 类看到的这种姿态。

宇宙的历史为什么是150亿年?

宇宙的历史为什么是 150 亿 年(当然,这并不是一个准确数 字),而不是更长或更短?

由于,我们人类要能存在,就 必须有一颗恒星(比如说太阳)和 一颗在适当距离围绕它运动的行 星(比如说地球),而行星必须是 由合适的化学元素混合物(特别 是要有碳、氮、氧和大爆炸遗留下 来的原始氢)构成,这些 元素在生命过程中 起着关键作用。

那么,构 成地球和我们 身体的元素是 从 哪 里 来 的 呢?大爆炸只产生了氢、氦等很 少的几种轻元素,没有碳、没有 氧、也没有铁。那时的化学反应非常单调,那些最早的恒星周围肯 定也不会有行星。

宇宙是为我们定做的——人择原理

然而,咱们身体中的碳和其 他重元素正是在这些最早的恒星 内部加工合成的。在咱们的太阳形成之前,可能已经有好几代这 样的前期恒星完整地阅历了它们的生命轮回,它们一遍又一遍地 加工着原子,将太古时的氢转变 成各种重元素,正是这些重元素 成为构建生命的一砖一瓦。前期 恒星在命运结束时爆炸,将重元 素扩散到空间,形成了能够产生 包含太阳在内的后代恒星和行星 的尘土云,这阅历了几十亿年的 时刻。

50 亿年前,咱们的太阳 系就在这样的尘土云中形 成,其中的碳、氧和铁原子 就是这种尘土云的化石,正 是这些原子导致了复杂的化学 现象,使太阳系中的某些行星充 满生机,也使生命的终究产生成 为了或许。原子的化学反应形成 了分子,分子形成细胞,进而形成 一个细菌、一只昆虫,最后,才智 的人类诞生了!

这是一段绵长的岁月。生命 在一个适宜行星上不断进化,直 到呈现能够留心周围事物、对宇 宙大小感到好奇的智能生物,又 要数十亿年时光。也就是说,这一切并非出于 偶然:当智慧生命作为世界调查 者呈现时,世界有必要足够陈旧,使 某些恒星现已完结它们的演化,以发生像氧和碳那样的元素, 然后由这些元素构成生命;世界也有必要足够年轻,使得某些恒星 仍然在提供能量以保持生命。150 亿年,这是一个恰到好处的时间 长度。

宇宙演化中如此巨大的时间 跨度同时也提出了另一个问题:“咱们的宇宙为何如此之大?”初 看之下,宇宙之大似乎意味着我 们在其中是多么微乎其微,但广 阔的宇宙其实正是咱们存在所必 需的!宇宙中那苍茫的空间并非 多余的累赘,它是咱们上台露脸 之前一系列事情漫长开展的结果, 是为咱们的到来而准备的。

恰到好处的核力

咱们都是恒星的孩子,但是, 假如核物理规律略有改动,咱们 的“爸爸妈妈”(恒星)将不可能有“孩 子”(咱们)。由于咱们哪怕略微改 变分配核物理的常量,则发生在 恒星以及超新星中生成的原子或 许会变得不稳定,甚至底子就不可能生成,生命所依赖的重元素 也就不能在恒星上制造出来。

因而,能够想象,为了使生命 在我们世界中构成,一大批物理 常量的取值清楚明了有必要限制在 一个极窄的范围内。由于这种巧 合事情发作的可能性极小,因而 为了发明生命,世界或许就精确 地挑选了那些值,例如它的年龄, 它的化学组分,它的尺寸,以及它 的物理过程。

举例来说,在原子核内有一 种力,它将核内质子和中子紧紧 绑缚在一起,这就是核力(即“强 力”)。核力支配着微观世界,使核 聚变成为一种满足强大的动力,为恒星运送耐久的热量,为人类 的出现提供了条件。

核力的强弱决定了恒星的命 运,假如原子核内的核力稍弱,质 子就不可能与中子聚到一同,我 们就只能得到一个氢原子(氢原 子中只含有一个质子和一个电子) 组成的简单国际。在这个国际里, 恒星照样还会形成,但是,它们将不会有核燃料,它们将会缩短变 冷,终究成为一堆僵死的废料。假如核力稍强,原子核中就会至少 有2个质子紧紧捆在一同,只含有 一个质子的氢就不会产生,成果 恒星也不能生成核燃料,水也不 复存在。

宇宙是为我们定做的——人择原理

核力的强弱还决议了碳的存 亡。我们的生命以碳为基础,碳原子核中包含有六个质子和六个中 子,它是世界“精密调制”的结果。碳是由三个氦核(每个氦核含有 两个质子和两个中子)结合而成 的,可是三个氦核一起走到一起 的机会很少,所以整个进程也是 分步进行的,首先是两个氦核彼 此结合,构成铍核(含四个质子和 四个中子),然后铍核再同另一个 氦核结合,构成碳核。

但是铍核是不稳定的,很快 就会衰变,以至于很难有时机遇 到一个氦,更不用说相互结合到 一同。既然如此,碳为什么还是形 成了呢?原来,碳原子核存在一 种特别性质,即与其他能量之间 存在一种“共振”,从而增加了铍 核在衰变之前一刹那捕获另一个 氦核的时机。这种“共振”是一种 十分偶然的现象,在接下来碳捕 获另一个氦核构成氧的过程中, 这种现象不再存在。这种关键的 “共振”效应对核力的改变十分敏 感,哪怕是小到百分之几的改变, 都会严峻约束碳的生成量,并直 接危及我们的存在。

引力:又一个恰到好处

如果咱们正准备对另一个行 星上的智慧生命发表演说,那自 然应该从引力开端。引力使行星 保持在自己的轨道上,也使恒星 聚集成一团,如果没有引力的作 用,恒星内部的热力将使星内物 质分崩离析,恒星将会像千百万 亿颗氢弹那样轰然起爆。在更大的尺度上,全部星系也是由引力 支配。没有什么物质、也没有什么 粒子能逃过它的把握,甚至连光 也是如此。引力操控着宇宙的膨 胀,也许还操控着它的最终命运。

引力至今仍深藏奥妙,大自 然中没有哪种根本力比它更令人 困惑。引力弱得令人吃惊,地球的 万有引力把一根茸毛吸引到地上 上,可你只需轻轻一吹,它就会被 吹离地上。那么,引力又何以会有 如此的支配力,不仅将我们钉在 地上,并且将月亮和行星高擎在 各自的轨道上?这是因为,质量 越大,引力越大,你可以将一根羽 毛吹离地上,但你绝不可能将一 个人吹离地上。因而,引力主要在 宏观物体间起效果,它的效果范 围遍及整个世界。

引力决议着宇宙中的秩序。如果引力太弱,空气就不能盘绕 地球,行星也不能围着太阳转,宇 宙就不或许像现在这样井然有序。如果地球的引力太强,即便是一 只昆虫也要靠粗大健壮的腿来支撑自 己,实际上也没有动物能长得比 昆虫更巨大,任何像人类这样块 头的东西都会被引力压跨。

宇宙是为我们定做的——人择原理

在一个强引力的世界中,星 系的形成速度将快得多,星系本 身的标准也会很小。星体不再是 广泛散布,而是稠密地聚集在一 起,使得彼此间频繁地相遇碰撞, 导致稳定的行星系统难以形成, 生命找不到立锥之地。而且,恒星 的寿命也很短促,一颗恒星只能 存活1万年,而不是100亿年,分子的杂乱化学反应底子不能从容 打开,恒星将在咱们这样杂乱的 生命形状尚未来得及进化成功时 就焚烧尽了。咱们很走运,引力让 咱们有机会一步步进化,也让我 们既不至于脱离地上,也不至于 被压跨。

事实上,在大爆炸后世界结 构从无到有的过程中,引力起到 了关键的调控作用,如果引力太 强,世界就难以暴胀,不能构成广 阔的星系海洋;如果引力太弱, 物质将四散而去,底子不能构成 星系。

精心调制的膨胀

假定用一个橘子代表太阳,那么,地球就是一粒千分之一毫 米大小的颗粒,在20米开外绕橘 子运行,而在这样的对比中,离我 们最近的那些恒星也在1万公里开 外,足见宇宙的空旷。如果把所有 的恒星都分解开来,将它们的原 子均匀撒播到宇宙中,那么,每十 立方米的空间里将仅有一个原子, 即使加上星际尘埃和星际气体, 每十立方米的空间里也仅有两个 原子。由此可以看出,宇宙中的物 质分布是何等稀疏。

在最近的几十年中,科学家 们已经认识到,宇宙中实际存在 的比我们所能看到的要多得多, 这些隐藏着的东西主要是性质不 明的“暗物质”。据估计,暗物质 要占宇宙总质量的 90% 以上。

暗物质无处不在,它飘散在 宇宙的每一个角落,但它不发光, 没有任何能被测出的辐射。因此, 科学家至今还不知道暗物质究竟 是什么,有些科学家猜测难以捉 摸的中微子就是暗物质。中微子 不带电荷,几乎不与任何普通原 子发生相互作用,因此它不发光, 而且它质量极其轻微,并以光速 运动,这就决定了它很难被检测 和捕获到。

宇宙起源于大爆炸,而大爆 炸不仅产生了我们所看到的一切 物质,而且也产生了我们看不见 的许多物质,这其中就有中微子。中微子非常稳定,它在大爆炸1毫 秒之后就保存下来了,不会衰变 成任何别的东西,因此,我们今天 的宇宙应当沉浸在中微子的海洋 中。据科学家预测,大约每立方厘 米空间有100万个中微子。

这是一个极为惊人的数字, 这表明我们每个人的身体内大约 1000 亿个中微子,它们时刻在以 光速运动,闪电般地穿过每一个 人的身体,结果每秒钟就有1万亿 亿个中微子穿透人们的身体。由于中微子与普通物质间的作用极 为微弱,因此这种不停顿的侵袭 丝毫不为我们所察觉。尽管每个 中微子的重量只有一个原子重量 的一亿分之一,但是,由于其数目 远远超出原子,所以其整体重量 大得惊人,远远超过可见物质的 总重量,这对宇宙的最终命运产 生深远影响。

还有其它一些粒子被认为是 暗物质,比如旋子、超光子、电磁 极子等等。也有科学家怀疑某些 天体是暗物质,例如,有一种“冷” 行星,它们不属于任何恒星,自由 穿行于星际空间,它们的数量可 能很大,但却观测不到。还有一种 猜测更加不同凡响——暗物质可 能是在早期宇宙的极端高压下形 成的原子大小的黑洞

不管暗物质是什么,它对于 我们目前的宇宙结构都至关重要。我们知道,我们的宇宙正处于膨 胀之中,所有的星系正在彼此远 离。如果没有足够的暗物质,那 么,宇宙中的星系都将如脱缰之 马而四处飞散,正是暗物质掣住 了星系,使生命有了立足之地。

暗物质使宇宙的膨胀得到了 精心调制,正是因为有了暗物质, 宇宙目前的膨胀速率和密度都处 于一个临界值上,适合产生生命, 膨胀速率太慢、密度太大,或膨胀 速率太快、密度太小,都不能使生 命产生。

三维空间与一维时间

我们的空间是三维的,其中 有点(零维)、线(一维)、面(二 维)和体(三维)。但是这个系列 到此就中断了,尽管在数学上我 们可以想象一种维数的空间。“三”这个数字究竟有何特殊之处 呢?

从古希腊时代开始,几何学 家们就已经注意到不同维度的有趣性质。例如,在两维中,我们可 以画出有任意多条边的正多边形 (如等边三角形、正方形、正五边 形、正六边形等等)。但是在三维 之中,却只存在五种正多面体,在 四维中,存在六种这样的多面体, 而在更高的维度中,则只存在三 种。

三维世界的一个结果是,其 中引力和电磁力都遵从平方反比 定律,例如,你离地心的距离加 倍,你的重量将减到四分之一。而 一个四维世界的力则遵循立方反 比定律,在那样的世界里,如果你 离地心距离加倍,你的重量会减 到只有八分之一。

正像牛顿认识到的那样,行 星的轨道是通过引力与其运动的 向心力之间的平衡来维持的。根 据引力平方反比定律,当一颗行 星发生轻微变化时,对其轨道仅 有微小的扰动。从这个意义上来 讲,我们太阳系中行星的轨道都 是稳定的。但是,如果引力遵从的 是立方(甚至更大的)反比定律, 那么,这种平衡就会丧失。结果,行星轨道运动的速度如果变慢 (哪怕变化幅度很小),行星就会 以更快的速度跌入太阳,因为立 方反比的力在靠近太阳的过程中 增强得过于迅猛。相反,行星轨道 运动的速度如果稍微加快,那行 星就会很快向外飞旋,落入黑暗 之中。

因此,空间维数多于三确实 存在问题。那么我们能够在一个 少于三维的世界里生活吗?这里 最好的论证非常简单:“扁平国 度”(或者任何二维的面)都会对 复杂结构存在一种内在的限制。在这里,不可能存在任何一个线 路不互相交叉的复杂网络,也没 有一个体内有管道(例如消化道) 穿过而没有被一分为二的生物。在一个一维的“线性国度”里,条 件会更加严酷。

当然,时间是我们感受到的 第四维。为了确定一个事件,我们 需要四个数字:用三个空间坐标 描述其发生的地点,用另外的第 四个坐标告诉其发生的时间。

在我们的宇宙中,“时间的箭 头”总是从过去指向未来。如果将 一部关于日常时间的影片倒过来 放映,那就会显得非常怪异,事件 的原因和结果将被颠倒:打碎了 的杯子会复原,死了的人会复 活⋯⋯

但我们的存在正是取决于这 种不可逆转的效应。否则,粒子永 无休止地在原始火球中循环碰撞, 宇宙永远不会膨胀,也不会变冷。那样,就根本不会有恒星的生成, 更不会有任何复杂的化学过程, 生命也就不可能出现。

为什么会有这一切?

宇宙中如此精密的巧合事件 远远不止这些,所有这些巧合无 不暗示着宇宙是有目的的,而且 这个目的就是为了人类的出现。早在上世纪 50年代,就有科学家 指出:“宇宙的大小不是随意的, 而是由生物因素制约的。”这就是 “人择原理”的最初。但这个 论点似乎过于荒谬,并没有引起 太多的。

宇宙学家对人择原理的兴趣, 一直要等到 1974年,英国学者布 兰登·卡特提出需要区分“弱人择 原理”和“强人择原理”之后,才 真正高涨起来。

弱人择原理认为,在某种意 义上,宇宙对其如何从大爆炸中 浮现出来做了“选择”。它在大爆 炸伊始,就选择了适当的引力强 度、膨胀速率、核力大小、暗物质 密度,等等,等等。正是因为有了 这样的选择,恒星才有足够长的 时间产生我们身体里的重元素, 原子在生命有机会孕育之前不至 衰变得太快,我们今天才能作为 观察者在这儿诘问“宇宙为何是 这样子?” 换言之,我们存在于宇宙中并问有关宇宙的这些问题, 这个事实意味着,宇宙的 很多数值已经被施加了大 量的严格限制条件,使宇 宙只能是今天这个样子。

强人择原理则更进一 步认为,宇宙对如何从大 爆炸中浮现出来根本就是 无法选择的,在某种意义 上是为人类“定做的”。这 就是说,宇宙必须具备这 样的性质——允许生命在 其某个历史阶段中成长, 除此之外,它别无选择。因 此,当我们观察宇宙,确认 众多物理事件和天文事件 早已在共同发挥对我们有 益的作用时,它在某种意 义上几乎像是已经知道我 们将要来到这个宇宙。

人择原理似乎是一个 倒因为果的理论,它把人 类产生的原因说成了结果,或者 干脆就是一个蛮不讲理的理论, 好像是在说:“我们之所以在这 里,就是因为我们在这里。”这话 说了就像没说一样,而且,这样的 理论既不能检测,也不能否定。因 此,当科学家们第一次听到人择 原理的表述时,他们立即被弄糊 涂了,这是对还是错?

多重宇宙中的“绿洲”

许多科学家都不喜欢人择原 理,因为它似乎有些强词夺理,而 且也没有什么预见性。从某种意 义上讲,这个理论过于成功,使复 杂的宇宙很简单就得到了“解 释”。实际上这样一来,我们可以 不要科学了,只要说明某某事物 对人的存在是必需的,就算得到 解释了。

有的科学家还讽刺道,一块 岩石的形成,基本上也需要同样 的定律和常数,为什么不说宇宙是为了有一天出现岩石而设计的 呢?为什么不说“石择原理”呢?

宇宙是为我们定做的——人择原理

但是,人择原理却有着更深 的含义,它与量子理论是相一致 的。量子理论认为,粒子永远处于 各种各样不同的状态中,在你对 一个粒子进行观测之前,你永远 不会确切知道它的状态,它是所 有可能状态的总和。

那么,根据这样的理论,对于 宇宙来说,情况也是如此。大爆炸 之前的宇宙可能处于无穷多的状 态之中,只有当暴胀开始,一切沿 着既定的方向发展,直至产生生 命对它进行观测时,宇宙才是今 天这个样子。

在这里,多重宇宙理论再次 浮现出来。也许存在一个由很多 宇宙构成的集合,在这集合中会 有物质和能量的各种可能的安排, 其中每一种被安排的宇宙都各有 不同,而我们所感知的宇宙只是 这庞大集合中的一员。要想估算 出这庞大集合中所有事件究竟会 按多少种不同的系列发生,几乎 是不可能的。一盘国际象棋的下 法有几十亿种,一盘围棋的变化 更是多达几百几千亿种。而与宇 宙集合中的万千变化相比,这些 棋类的可能变局实在是微不足道。

在这无穷多的宇宙集合中, 它们要么是空虚的,要么太短命, 要么太过弯曲,或者在其他某方 面出差错,所以绝大部分宇宙不 适合生命存在。然而,在数目极少 的宇宙中偶然地出现了合适的条 件,于是生命发展了起来。这就是 说,其它宇宙都是贫瘠的,而我们 的宇宙则是多重宇宙中的一片 “绿洲”。显然,生命将要感知到的 只能是这些偶然的宇宙,而且,这 些生命还要建立一些理论,大谈 他们所居住的宇宙是多么不可思 议。假如宇宙不是现在这个样子 的话,我们也就不会在这里大发 惊奇之语了。

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