為甚麼宇宙允許我們存在？人擇原理正在悄悄揭示宇宙的深層規律？

幾千年來,人類一直在追問一個最根本的問題, 我們爲什麼存在? 我們的存在究竟意味着什麼? 從早期的哲學家開始,人們就不斷懷疑。 我們的感官和思想真的可靠嗎? 它們是否足以讓我們準確理解現實世界? 而到了現代,物理學家又把這個問題推向了更深處, 試圖解釋量子力學和相對論中那些看似反直覺甚至怪異的現象。 在這個探索過程中,我們逐漸意識到, 宇宙中的某些事實對所有觀察者來說都是客觀成立的, 而另一些事實卻不可避免地依賴於觀察者本身的狀態、位置甚至行爲。 儘管通過科學方法、實驗和觀測, 我們已經發現了許多支配宇宙的基本物理定律和基本實體, 但必須承認,我們對宇宙的認知依然存在巨大空白。 不過,正如笛卡爾曾經通過純粹理性得出的那句著名結論, 我思,果在我們自身的存在本身就是一個無法迴避的事實, 而這個事實並不僅僅是哲學上的陳述, 它同樣會對宇宙的物理性質產生必然的影響。 換句話說,我們存在這件事, 本身就能告訴我們一些關於現實本質的重要信息。 接下來,我們就來看看,僅僅從我們存在這一簡單事實出發, 究竟能對宇宙的真實面貌學到些什麼。 首先,宇宙顯然遵循着一套明確的規則, 而其中的一部分,我們已經有了相當清晰的理解。 我們知道,在非量子尺度上, 引力的運作方式可以通過廣義相對論來描述, 物質和能量會彎曲時空, 而被彎曲的時空又反過來決定物質和能量如何運動。 我們也已經認識了宇宙中大量存在的基本粒子, 它們構成了所謂的標準模型, 並通過另外三種基本相互作用發生聯繫, 這些規律在量子層面同樣適用。 而最重要的一點是, 我們自己正是由這些粒子構成的, 也同樣服從這些自然定律。 正是基於這些事實, 物理學家布蘭登·卡特在1973年提出了兩個看似不言自明, 卻意義深遠的表述。 第一,我們作爲觀察者, 存在於宇宙之中,存在於此時此地的時空座標上, 因此,宇宙在這一時空位置上, 必然是與我們的存在相同的。 第二,我們所處的這個宇宙, 包括它所依賴的所有基本物理參數, 必然以某種方式存在, 使得像我們這樣的觀察者在某個時刻能夠出現。 這兩句話, 今天被稱爲弱人則原理和強人則原理。 如果使用得當, 它們並不是空洞的哲學感嘆, 而是能夠幫助我們對宇宙的性質, 實際上是施加極其強有力的限制, 並得出真正有價值的科學結論。 把這些事實放在一起認真想一想, 宇宙有一整套決定它如何運作的參數、 常數和物理定律, 而我們正生活在這個宇宙之中, 因此,一個幾乎無法迴避的結論是, 所有決定宇宙如何運行的因素加在一起, 必須允許像我們這樣的生命在其中誕生。 乍一聽,這似乎是一組再簡單不過, 幾乎不正自明的事實。 如果宇宙的物理性質根本不可能讓像我們這樣的生物存在, 那麼我們就根本不會出現。 如果宇宙的基本參數與任何形式的智慧生命都不相容, 那自然也就不會有像我們這樣的觀察者。 但是實事,我們就在這裏, 我們確實存在, 這本身就意味着, 我們的宇宙具有某些特定的性質, 使得智慧觀察者在其中, 有可能進化出來。 換句話說, 僅僅是我們能觀察宇宙這一事實, 就已經暗示宇宙的底層結構被設置成允許我們存在的樣子。 這正是人則原理最核心的思想。 表面上看, 這個說法似乎並不怎麼驚人, 甚至談不上有多深刻。 它既不像一個大膽的新理論, 也不像一次顛覆性的發現。 但當我們回頭審視多年來宇宙拋給物理學家的那些難題時, 就會發現, 人則原理在科學發現中竟然擁有出乎意料的強大解釋力。 舉一個非常關鍵的例子, 我們是由原子構成的觀察者, 而這些原子中有相當一部分是碳原子。 這件事本身就對宇宙提出了一個硬性要求, 宇宙必須以某種方式成功地製造出碳。 我們知道, 像氫、氦以及它們的各種同位素這樣的氫元素, 誕生於宇宙大爆炸後的早期階段, 而更重的元素則是在不同類型的恆星中, 在其一生的演化過程中逐漸形成的。 問題在於, 要形成這些更重的元素, 就必須先形成周期表中的第六號元素——碳。 最常見的碳原子——碳十二, 在原子核中包含六個質子和六個中子。 如果碳是在恆星內部生成的, 那麼它就必須由恆星中已經大量存在的元素拼裝而來, 比如氫和氦。 但麻煩恰恰出在這裏, 簡單計算發現, 過程並不順利。 我們非常清楚碳十二的質量, 也知道恆星中極爲豐富的氫和氦各自的質量。 看起來, 最直接的方式, 是讓三個獨立的氦四原子和同時融合在一起。 畢竟, 每個氦四都包含兩個質子和兩個中子, 三個加起來, 正好得到碳十二。 然而, 現實卻並不配合這種理想方案。 三個氦和直接融合, 在物理上極其低效。 當兩個氦四原子核心發生融合時, 只會形成P8, 而這種原子核極其不穩定, 只能存在大約式的-16次放尿, 隨後立刻衰變回兩個氦和。 即便在極高溫環境下, 偶爾有第三個氦四原子核插進來, 能量條件依然對不上, 體系的能量太高了, 並不適合生成穩定的碳十二。 如果情況真的如此, 那我們的宇宙就幾乎不可能產生足夠的碳。 幸運的是, 物理學家弗雷德或一而深刻理解的人 則原理所蘊含的邏輯。 他意識到, 既然我們存在而我們又依賴碳, 那麼宇宙中必然存在一條從氦到碳的可行路徑。 於是, 他大膽提出了一個預測, 如果碳十二原子核存在一種激發態, 其能量恰好接近三個氦四原子和總質量對應的能量, 那麼這種反應就可以順利發生。 這個特殊的核態, 後來被稱爲霍伊爾態。 更令人震撼的是, 僅僅五年之後, 和物理學家威力, 弗勒真的在實驗中發現了這一能級結構, 並證實了產生它的三阿爾法過程, 幾乎完全符合霍伊爾當年的預測。 這正是原則原理在科學中被正確使用時所能展現出的力量。 原則原理的另一個成功應用是解決理解宇宙真空能量之謎。 在量子場論中, 我們可以嘗試計算空空間的能量, 這被稱爲空間的零點能。 如果你從某個空間區域移除所有粒子和外部場, 沒有質量, 沒有電荷, 沒有光, 沒有輻射, 沒有引力波, 沒有彎曲時空等等, 剩下的就是空空間。 但這個空空間仍然包含物理定律, 這意味着它仍然包含遍佈宇宙各處的量子掌握場。 如果我們嘗試計算這個空空間的能量密度, 我們會得到一個荒謬的, 過高的數值, 這個數值如此之大, 以至於會導致宇宙在大爆炸後極短的時間內就坍縮。 顯然, 我們通過這種計算方法得到的答案是錯誤的。 那麼, 正確的數值究竟是多少呢? 儘管我們至今仍然不知道如何計算它, 但早在1987年, 物理學家史迪芬·溫伯格就利用原則原理, 巧妙地計算出了它可能存在的上限。 即使撇開宇宙中的所有物質和輻射, 真空能量也會決定宇宙膨脹或收縮的速度。 如果膨脹速度過快, 宇宙中就永遠無法形成生命, 行星, 恆星, 甚至連分子和原子都無法形成。 如果我們利用宇宙中存在星系, 恆星, 行星, 甚至其中一顆行星上存在人類這一事實, 我們就可以對宇宙中可能存在的真空能量設定極其嚴格的限制。 溫伯格在1987年的計算表明, 它必須比量子場論計算得出的數值小至少118個數量級, 也就是小時的118次方倍。 1998年, 單按能量被實驗發現時, 我們第一次測量到了這個數值, 它比簡單的理論預測只小120個數量級。 即使沒有必要的工具來進行計算以得出最終答案, 人則原理也讓我們離真相非常接近。 2020年, 理論物理學家約翰·巴羅因·傑長埃去世。 早在1986年, 他與富蘭克·蒂普勒合著了一本重要的著作《人則宇宙學原理》。 在這本書中, 他們將人則原理重新定義爲以下兩個論斷, 所有物理量和宇宙學量的觀測值並非等概率的, 而是受到以下兩個條件的限制, 一是存在能夠演化出探擊生命的場所, 二是宇宙必須足夠古老,足以讓生命得以演化。 宇宙必須具備某些特性, 使其能夠在歷史的某個階段孕育生命。 儘管這些論斷表面上看起來與之前的論斷相似, 但它們實際上表達了截然不同的含義。 卡特最初的觀點是我們作爲觀察者的存在意味着, 宇宙的法則必須允許觀察者的存在, 而現在我們得到的結論是宇宙必須允許探擊智能生命的存在, 而那些不允許這種生命存在的家鄉宇宙是不被允許的。 這種對人則原理極具影響力地重新詮釋, 將我們從宇宙不能使觀察者的存在稱爲不可能, 因爲我們確實存在這一論斷, 推向了不允許存在一個無法產生智能觀察者的宇宙這一論斷。 如果你覺得這聽起來像是一個巨大的信仰飛躍, 既沒有科學依據,也缺乏理性支持, 那麼你並非孤身一人。 在他們的書中,巴羅和蒂普勒甚至更進一步, 提出了以下幾種對人則原理的另類解釋。 宇宙以其現在的形式存在, 其設計目標是爲了產生和維持觀察者, 觀察者是宇宙存在的必要條件。 爲了我們宇宙的存在, 必須存在一個由具有不同基本定律和常數的宇宙組成的集合。 所有這些設想或許都能激發人們豐富的想象力, 但它們都代表着邏輯上的巨大飛躍, 並且對宇宙的目的以及觀察者與現實之間的關係 做出了未必正確的假設。 我們不難發現, 有人聲稱人則原理具有以下一項或多項功能, 支持多元宇宙理論, 據行星來保護地球免受小行星撞擊, 並解釋爲什麼地球距離銀河系中心約26000光年。 換句話說, 人們濫用人則原理聲稱宇宙之所以是現在的樣子, 是因爲我們以我們現在的特性存在。 這不僅不正確, 而且人則原理根本無法得出這樣的結論。 事實是, 我們確實存在, 自然法則也確實存在, 而我們存在的這些事實確實可以對一些宇宙中 尚未解開的謎團提供合理的限制。 從這個意義上說, 或許也只有從這個意義上說, 人則原理才具有科學價值, 但一旦我們開始推測那些 我們無法探測或測量的關係、原因或現象, 我們就脫離了科學的範疇。 這並不是說這些推測沒有智力上的趣味性, 但參與這些推測並不能 像霍伊爾或溫伯格的人則原理預測那樣 增進我們對宇宙的理解。 我們存在的簡單事實 可以引導我們理解支配宇宙的某些參數究竟必須是什麼, 但前提是我們必須堅持科學上可測量的事物, 至少在原則上是如此。 所以, 人則原理真正告訴我們的 並不是宇宙是爲人類而存在的, 也不是某種帶有目的論色彩的答案。 它提醒我們的是一件更微妙也更嚴格的事情, 我們的存在本身就是對宇宙物理規律的一種篩選結果。 正因爲我們存在宇宙的基本常數、 粒子性質和演化力時, 才必然落在一個極其狹窄 卻又真實存在的範圍之內。 當被謹慎、剋制地使用時, 人則原理不是科學的捷徑, 而是一種約束條件。 它幫助我們排除不可能的宇宙 逼近真實的那一個。 從碳的形成到恆星的燃燒, 再到智慧生命最終能夠提出這些問題, 宇宙並不需要關心我們, 卻必須允許我們。 而理解這一點, 或許正是我們理解自身位置 以及宇宙本身的一個重要起點。