人择原理与宇宙学参数问题

吴玉梅

(江苏科技大学马克思主义学院，镇江 212000)

1 前言

现代宇宙学中有一些基本参数，用以描述宇宙从微观到宏观的结构，可以把它们看作是宇宙学参数。这些参数的取值以及它们之间的比率，都决定了宇宙的演化和结构。这些宇宙学参数只要有微小的改变，都有可能改变整个宇宙的演化进程，比如说，宇宙中就无法产生人类这样的智慧生命。这就是所谓的“微调(fine-tuning)”([1]，pp11—39)。如何对微调进行解释就是所谓的宇宙学参数问题。“人择原理”(anthropic principle)(1)现在也有人把“anthropic principle”改为“anthropic reasoning”。比如牛津大学的哲学教授博斯特罗姆(Nick Bostrom)在研究“anthropic principle”时就一直采用的是“anthropic reasoning”。是目前可能给宇宙学参数问题提供“解释”的唯一学说。

人择原理是美国科学家卡特(Brand Cater)于1973年提出的一个宇宙学学说(2)人择原理存在各种不同的表述，分别为弱人择原理、强人择原理以及最终原理。其中“弱人择原理”被许多科学家承认且应用于他们各自的研究领域，而“强人择原理”和“最终原理”却受到了很多科学家的质疑。本文所涉及的是弱人择原理与宇宙学参数问题内容考察。，该学说认为宇宙之所以是我们现在观察到的样子，是因为如果宇宙不是这样，人类就无法存在。卡特重点强调了人作为宇宙的观察者对物理学基本参数取值的选择意义([2]，pp291—298)。在此之前，美国科学家迪克(Robert Dicke)就已经提出用“物理学家的存在”来解释基本常数之间存在“巧合”关系[3]。换言之，现代宇宙学中，人择原理的提出就是为了解释基本常数“恰当”取值和“巧合”关系的。

国内关于人择原理与宇宙学参数问题的历史考察和哲学上的分析已经有过一些研究资料：如高达声探讨了人择原理所带来的主客体之间的改变的影响[4]；刘苏燕对人择原理与物理学基本参数的关系以及所涉及的哲学问题作了综合性的讨论[5]。由于霍金(Stephen Hawking)对于人择原理有很多研究，国内还有一些关于人择原理的介绍是通过研究霍金的科学思想表现出来。章红宝、江光华研究了霍金的天人观及其哲学意义[6]；苏保君对霍金科学哲学思想的探讨中也涉及了人择原理[7]。本文以历史的视角从三个方面来考察人择原理在宇宙学参数问题的运用与争论。首先是考察迪克、卡特、卡尔(Bernard Carr)、里斯(Martin Ress)等人从人择角度重新解释宇宙学参数“巧合”现象[8—12]；其次是考察霍金、林德(Andrei Linde)等科学家从人择视角探讨宇宙初始条件问题以及宇宙的唯一性问题[13—17]；第三，是考察温伯格(Steven Weinberg)等人关于宇宙学常数Λ问题的人择解释以及由此带来的对人择原理预言的争议18—22。

2 宇宙学基本常数“恰当”和“巧合”现象的“新解释”

各种宇宙学参数以及它们之间某些神秘的关系可能隐藏着关于架构宇宙的基础法则的观点由来已久。从毕达哥拉斯学派“数”的宇宙论到开普勒的和谐宇宙到18世纪以来在德国流行的数字神秘主义，人们都试图在数的基础上直接建构宇宙模型。20世纪二三十年代，爱丁顿(Arthur Eddington)曾试图通过几个物理学基本常数来建构宇宙，进而找到符合整个宇宙建构的第一原理[8,9]。然而，由于爱丁顿的这些工作太具思辨性，并未引起科学家太多关注。几乎是在同一时期，狄拉克(Paul Dirac)的“大数假说”反而引起了一些科学家的注意[6]。

狄拉克的“大数假说”试图对“大数巧合”现象即宇宙的所有粒子总数、宇宙哈勃年龄与引力耦合常数三者之间存在一个简单且巧妙的数学关系提供解释。狄拉克认为“大数巧合”现象是固定不变的，而其中的引力学常数则与宇宙存在时间成反比关系[10]。“大数巧合”是人择原理提出的直接原因。1961年，迪克讨论狄拉克的“大数假说”时，他否定了“大数假说”中引力学常数随时间变化而变化的假设，认为“物理学家的存在和马赫原理”就足够解释“大数巧合”现象[3]。迪克认为人类的存在是这三个大数能满足“巧合”的原因，且人类也只能在这种“巧合性”满足的阶段才能存在，因此，人类能观察到宇宙中这三个参数的“巧合关系”是顺理成章的[3]。卡特在1973年重新对迪克的这个思想进行了阐述，且把这个思想称为“人择原理”。

卡特在20世纪60年代就开始研究各种宇宙学参数，且注意到了迪克和狄拉克对于“大数巧合”的两种不同解释。很显然，相较而言，卡特认为迪克“物理学家的存在”的解释相较于狄拉克“引力耦合常数的变化”的解释更具有吸引力。卡特认为“人择原理的效应是，我们可以期待的观察结果严格受到我们作为观察者存在所必需的条件的限制”([2]，p291)。卡特的人择原理强调了人作为观察者对这些参数的选择效应。值得注意的是，卡特在此次报告中也提及了所谓的“世界集合”(world ensembles)概念，认为宇宙可能具有所有可能的初始条件，下文会有阐述。卡特的人择原理引起了一部分科学家的注意，这其中包括卡特的导师惠勒(John Wheeler)以及其他的科学家如卡尔、里斯、霍金等。

卡尔和里斯除了提及“狄拉克大数巧合”与人择原理相关以外，他们还考虑了另外一些参数之间的关系，认为这些关系可能具有“人择的”内部关系。比如用来描述比原子更小的尺度上的结构的基本常数，其中包括弱和强相互作用耦合常数gw和f，而这两个常数与上述提及的两个参数之间是相互独立的关系，他们提出：“可以假定这些常数与α和αG是独立的，但是在这些参数之间有某种‘人择的’内部联系。”比如中微子能从一个恒星处于超星时期的包层中释放的条件大致为αG—αw4(αw=gme2c/h3是弱精细结构常数)，重元素能够从它们产生的地方扩散到整个空间对于生命大概是必要条件，那么超新星就是基本的。此外，αG和αw之间的关系也解释了宇宙中产生的氦(helium production)的质量为什么是总质量的约25%。如果αG和αw之间没有恰当的关系，其中αw稍微小一点或大一点，氦的产生率要么100%(在这种情况下将没有任何水产生，而水是生命能够出现的另一种预先要求)，要么氦的产生率为0%(此时，星球的演化将会截然不同)。

卡尔和里斯认为人择的模型虽然没有为这些参数之间的关系提供真正的物理解释，但是解释了为什么是这种比率数值。他们写道：“在f(强作用耦合常数)和α之间基本粒子质量比率的巧合对于各种化学过程都是必须的。存在足够独立的人择限制来确定α和αG的数量级，对αw和f的数量级的确定也同样如此。虽然类似思考并没有提供一个真正的物理解释，但是这些思考有可能表明了这些基本比率为什么具有这样的测量值。”[11]

此外，卡尔和里斯还分析能够演化生命的恒星系统，提出生命只在恒星系统中恒星处于“主星序”的时间段里时才能出现，因为只有这个时间段才是适合生命演化的。以太阳系为例，在太阳的“主星序”时间里，太阳的能量输出来源于稳定的氢燃烧，只有这种状态下的太阳才能维持适合地球生物的条件。值得注意的是，这种情况下，对于恒星的要求又存在一定的区分。因为不是所有恒星都能转换成一个稳定的由氢燃烧支撑的“主星序”恒星，只有当一个恒星的粒子总数包含有1056—1058个粒子时才行。如果总量比它小，由它们的引力维持在一起的物质可以通过在更低温度下的电子“排斥原理”的力来支持，它们将不会有足够的温度来产生核聚变，除非通过外部压力的挤压；如果总量比它大，恒星会因为辐射压力效应，变得非常脆弱和不稳定。此外生命的存在要求有比氢和氦重的元素出现，而重元素的产生和扩散都是在超新星中进行的。核物理为宇宙的元素丰度提供了依据，但为什么是这样的元素丰度却由人择原理提供了可能的解释。此外，类似质子和中子质量比率刚好是我们现在观察得到的比率，对于生命的产生也具有重要的意义[11]。

卡尔和里斯的工作之后，巴罗(John Barrow)和提普勒(Frank Tipler)在1986年也对这些宇宙中存在的基本参数的取值作了总结。相较于卡尔、里斯保守性地使用人择原理，他们更激进些。而且他们还在此基础上提出了强人择原理以及最终原理等([12]，p290)。总之，一些科学家试图用人择原理来解释宇宙学参数的“恰当”取值和“巧合”关系。

3 宇宙学参数的唯一性

人择原理为宇宙学参数为何如此取值提供了解释，那么宇宙学参数的取值是唯一的吗？宇宙真的被如此唯一地确定了吗？霍金和柯林斯(Barry Collins)1973年在《天体物理学报》上发表了《为什么宇宙是各向同性的？》一文。他们在文章中探讨了宇宙从初始演化至今可能需要具备的条件，认为宇宙具有任意的初始条件，能够满足人类演化的初始条件的宇宙只是所有宇宙中一个小子集，而人择原理为这个小子集的存在提供了解释[13]。

宇宙的初始条件问题，一直是霍金关注的宇宙学问题之一。事实上，当宇宙微波背景辐射(CMBR)被发现之后，大爆炸模型也很快被科学家认可了，此时思考宇宙的开端具有怎样的性质是很自然的行为。然而广义相对论却预言自己对宇宙的开端的描述是失效的，很多科学家试图解决这个问题。如霍金就试图把量子力学与广义相对论结合起来解释宇宙的开端。林德则通过把人择原理与“紊乱的爆炸宇宙模型”也就是暴涨宇宙模型结合起来解决宇宙初始条件问题[14]。1982年7月，林德在英国剑桥召开的主题为“极早期宇宙”的纳菲尔德研讨会上报告了“非奇异再生暴涨宇宙”(nonsingular regenerating inflationary universe)，提及通过人择原理与多重宇宙模型的结合可以避免原有的宇宙模型初始条件的奇点问题。林德的这个多重宇宙模型假设宇宙中存在无数个没有因果联系的迷你宇宙，这些迷你宇宙的各种参数的取值都是不同的，而我们生存的世界就是属于那些参数取值符合产生人类的迷你宇宙[14]。

1989年，林德在发表的《暴涨之后的生命与宇宙学常数问题》一文中探讨了在“婴儿宇宙模型”(baby universe theory)背景下将人择原理应用于基本粒子的质量、耦合常数和真空能密度评估的可能方案[15]。婴儿宇宙模型中各个适合人类发展的小宇宙会变得越来越空，从而会变得不再适合生命存在。林德认为除非在旧宇宙不适合生命生存之前可以进行迁移，从而到达新的适合生命生存的宇宙，这种可能的发生极其有赖于真空能密度也就是宇宙学常数Λ的取值(3)宇宙学常数问题后文会有比较详细的探讨。([16]，p353)。另外，林德在文中探讨了这些婴儿宇宙模型中，各类作用力、耦合常数等完全不同的取值的可能，这些可能性通过人择原理可以获得相较于其他理论在此类问题上的更可靠性。

林德提出仅在确定真的有不同的空间和物质属性的不同宇宙时，人择原理对于宇宙初始条件的选择才有意义。如果不是如此，任何谈及电子质量、精细结构常数等等变化的，都完全无意义。他写道：“对这种质疑的一个回应是宇宙的波函数同时描述了观察者和宇宙的其余部分中所有可能的状态，包括所有可能的紧致变量和自发对称性破缺。这种测量可以提高我们对于观察者的属性的认知，同时能得到剩下的世界的信息，就如通过测量EPR实验中一个粒子的自旋，然后得到另外一个粒子的自旋信息一样。”([16]，p225)

在上述对宇宙初始条件问题研究中，可以看到林德的宇宙模型中支持一个包含了所有类型的迷你宇宙(mini-universe)集合，即使那些产生几率非常低的宇宙也包含在里面。事实上，卡特在1973年的报告中就已经提到人择原理涵盖了一个重要概念——世界集合(world ensembles)概念。卡特认为“世界集合”的特点是这个集合包含了所有可预想的初始条件和所有基本常数的无数宇宙，他如此描述“世界集合”的可能意义：“存在的任何有机体被描述为一个观察者有可能仅是针对某种限制参数集合而言，这种特定限制参数集合的存在是从世界集合里分离出来的一个特殊的可辨识的子集。”([2]，p296)

霍金运用费曼的历史求和法和人择原理提出了类似的宇宙集合论，且在此基础上对传统的宇宙学研究方法给出了新的看法，他认为传统的“自下而上”(bottom-up)的研究进路即从过去推演未来可能在宇宙学的研究中并不适合，而“自上而下”(top-down)即由现在推演到过去的进路是研究宇宙的新方式[17]。

宇宙唯一，描述宇宙的定律唯一，宇宙学常数的取值唯一、确定，这是物理学家要求和渴望的一种完美状态。林德对此提出了异议，他认为他的宇宙模型不仅解决了科学的具体问题，同时也为物理学家带来某种新的方法论上的思考，这种思考即是物理学家对于宇宙所有特征最好具有唯一性的要求和渴望并不恰当。他说：“物理学家主要的渴望之一就是能架构一个理论，这个理论能毫不含糊地预测我们宇宙中所有基本粒子所有参数的观察值。理想主义的研究者强迫很多人去相信描述我们的宇宙的理论是美丽和唯一的。然而，根本就没有这种暗示要求基本粒子的所有参数必须唯一且可靠。”([16]，p223)

4 宇宙学常数Λ问题和人择原理的预言能力

通过天文学观察到的宇宙学常数Λ的取值与量子理论下推导出的宇宙学常数的取值在量级上存在着巨大的差异，也就是说现存的理论无法对Λ取值如此微小提供解释。为了弄清观测所得的总的宇宙学常数的消失或者说如此微小的问题，理论物理学家奋斗了多年，令人遗憾的是并没有能够得到什么满意的答案。即便是完全新的描述世界的理论——超弦理论中，得到的宇宙学常数也一般是比较大的，而这种情况下空间会卷曲得很厉害，这与我们熟悉和生活的三维欧几里德几何空间是不一样的([18]，页180—181)。这就是所谓的宇宙学常数问题。宇宙学常数问题在1980年代末因为引入人择原理从而引发很大规模的对于问题本身以及人择原理的思考和争论。

宇宙学常数是爱因斯坦(Albert Einstein)1917年把他的广义相对论运用于整个宇宙时为了得到静态解，从而引入的一个能在大距离上产生某种斥力的项的常数。爱因斯坦希望通过这一常数项的添加来平衡宇宙中的引力作用。如原初的场方程“Rμν-1/2gμνR=8πG/c4Tμν”添加入常数项“Λgνμ”，变为“Rμν-1/2gμνR+Λgμν=8πG/c4Tμν”。关于宇宙学常数Λ的物理意义在之后才有进一步的阐述，现在一般把它理解为与真空能密度有关。宇宙学常数是描述宇宙性质的一个非常重要的参数。在宇宙演化的初始阶段，宇宙学常数Λ的取值决定了宇宙可否形成类似于我们今天看到的宇宙。比如我们宇宙中Λ的值比现在观察到的值更大就无法形成星系、恒星、生命等，因此，这些宇宙中也就没有观察者。

1987年，对于观察到的Λ如此微小的取值，温伯格另辟蹊径，他指出：“我们当前了解到的宇宙膨胀率表明Λ的有效值远少于我们在目前任何已知有关基本粒子的现实理论中由量子涨落产生的数值。在持续未能找到关于宇宙学常数微小的微观解释之后，看来应该去其他理论(方向)寻求解决方式，如‘人择的’方向。也许宇宙学常数必须足够小才能允许宇宙演化成今天的宇宙(这个宇宙几近空而平坦)，否则，没有今天的宇宙就不会有科学家，也就没有科学家来担心这个问题了。”[19]

人择原理给Λ问题的限制条件是假如存在无数的宇宙，且这些宇宙中Λ的取值都是不一样的，那么我们能为自己找到位置的唯一宇宙，应该是总的Λ很小的那一个，因为只有这样生命才可能出现和演化。具体说，如果总的Λ很大，而且是负的，那么宇宙将经历它自己的膨胀和收缩的生命轮回，不会为我们的生命留下成长的时间；相反，如果总的Λ是巨大的正数，那么宇宙将永远膨胀下去，但是Λ产生的排斥力在宇宙初期会阻止物质发生引力收缩，这样就没有星系和恒星的形成，也就没有生命存在的空间。也许真正的弦理论正是我们需要的(如果说真有那样一个理论)，它会把Λ限定在一个适合生命出现的小数值的相对狭小的范围内。

温伯格认为研究Λ对于大引力系统的产生的影响是比较具有可操作性的，因为“在一个连续的膨胀宇宙中，Λ(不像电价、质量)只能够通过一种方式影响生命的演化”。然而“一旦足够大的引力界限系统形成，Λ将不再对它的动力系统产生任何影响了，对于生命的最终演化也如是。特别是，如果宇宙膨胀的递减指数时间比智慧生命演化要求的时间短，Λ也不会有任何不同(注意，我在这里并没有要求Λ必须具有一个与天文学知识一致的值，但是只有它有一个与生命的出现一致的值时，才能量度它)”[19]。换言之，Λ在一个连续膨胀的宇宙中，仅对“大的引力系统”的形成有影响，当宇宙的“大的引力系统”形成以后，Λ的取值就与宇宙接下去的演化无关联了。总之，温伯格通过人择原理给出的限制，预言了真空能密度常数的一个人择上限ρν为550ρ0；而且给出了在什么条件下，人择原理对于Λ微小的解释可能是失效的，反过来就是如果我们这些条件都符合的话，人择原理的解释就经受住了经验的检验。

温伯格的上述工作引发了人们对于什么是人择原理的预言的讨论。历史学家克劳(Hegel Kragh)在《何时是人择预言：霍伊尔碳-12共振态》中提出过如果是人择的预言，必须满足两个要求：“关于自然中的属性或现象：(1)是因为宇宙生命的存在而推导出来或因为宇宙生命的存在而受到启发；(2)预测时，这些属性或现象是未知的。”他接着写道：“如果第二个条件不满足，大量的现象都可以被认为是人择的。”[20]很显然，按照克劳的要求，温伯格运用人择原理解决宇宙学常数问题的过程显然不属于“人择的预言”。

而马里奥·利维奥(Mario Livio)在《人择的理由》一文中也提及人择原理是否具有预言能力的问题，他在文中是以温伯格的宇宙学常数的人择阀值作为例子来说明的，他写道：“有人可能会问，人择原理是否有预言的能力，原则上讲它有。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)，那么预计我们宇宙学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阀值小105倍，那么人择的任何论据都会遭到严重的质疑。但是如果正如对高红移超新星和宇宙微波背景辐射涨落谱的观测发现宇宙学常数仅比人择阀值小5—10倍，并不与人择预言矛盾。”[21]利维奥这一段描述显然是默认了温伯格的工作是一个人择预言，这里利维奥提到另一个词叫“预言能力”，也就是说一个理论有没有预言跟它预言是不是有效是两回事，而一个理论要被人接受似乎必须达到这两点：(1)有预言其他理论没有预言的结果；(2)预言结果是有效的，且越详细越好。从这两点来说，利维奥似乎对于人择原理的预言能力持保留意见。

5 结语

综上所述，人择原理与宇宙学参数之间的连接其实就是人与宇宙关系的体现。而人与宇宙的关系进入严肃的科学问题的探讨这本身就是一种新现象。这种新现象导致科学家对科学审美甚至科学信仰进行了重新思考。

首先，人择原理使现代宇宙学家对人的观察者身份的意义进行了重新思考。人不再是自哥白尼时代以来宇宙中的尘埃，而是我们自己宇宙的选择者。宇宙学参数的取值不是由某些基本的理论决定的，而是由一些强加给宇宙的限制决定的，这些限制的存在仅仅是因为我们存在的事实——也即是说，只有具有这种宇宙学参数的取值才有利于智慧生命的出现。是不是有可能我们宇宙的性质是由我们的存在决定的？或者，我们的宇宙对于我们的生命是“微调”的？([22]，p237)

其次，人择原理使现代宇宙学家对原来的信仰和追求重新进行了审视。林德和利维奥等都描述过多数物理学家对科学目标的追求：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。无论如何，没有理由认为世界的显示一定要按照这些偏好建立。尽管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。而从人择原理和多重世界视角，也不失为一种考虑。

当然，按照人择原理的“微调”理解，很多科学家因此生发出不满，因为这种“微调”很容易就被理解为一向被科学家在科学研究中所排斥的目的论[1]。而人择原理的“宇宙集合论假说”解释效力自林德1982年提出“紊乱暴涨宇宙模型”，且在里面把人择原理同多重宇宙结合起来以后，就遭到了很多科学家的反驳。人们反对多重宇宙从而反对人择原理的理由是，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，也有科学家认为这一反对仅仅是心理学上的。

致 谢感谢我的博士生导师中国科学院人文学院孙小淳教授对本论文提出许多宝贵意见，并多次对论文进行修改。