宇宙新观念-幸运的宇宙

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几个世纪来，天文学家一直凝视着夜空，追问宇宙为什么是这样？为什么我们居住的空间是3维，而不是2维，10维或者25维？为什么光速是如此之快而音 速是如此之慢？为什么原子是如此得渺小，而恒星又是如此得硕大？为什么宇宙是如此得年老？我们的宇宙必须是这样吗？或者在其他地方，其他的宇宙，事情会有 所不同吗？
仅仅一个世纪前，人们还认为银河系就是宇宙的全部。现在天文学家知道星系不过是散落在宇宙中的尘埃。而且真正要理解他们可能需要一个更广阔的宇宙——多重宇宙。
一些宇宙学家认为宇宙可以从另一个宇宙中诞生，生长，无穷无尽，就像是蘑菇上的蘑菇，或者是孕育在黑洞中的婴儿宇宙。其他想象中的宇宙可能就处于时空的第5维。

例如，宾西法尼亚大学的宇宙学家麦克斯·泰格马克（Max Tegmark）认为至少存在4个不同的宇宙，从我们熟悉的（离我们无比的遥远）到极为奇异的（时空的结构以及物理规律都有很大的差别）。
剑桥大学宇宙学家、皇家天文学家马丁·瑞斯（Martin Rees）说，研究这些不同的宇宙有助于我们区分我们宇宙的哪些特征是基本而必需的，而哪些仅仅是一种巧合。瑞斯说：“这是一门21世纪的科学，我们将致 力于寻找其中的答案。”因此他也经常被指责相信有其他宇宙的存在。“我并不相信存在其他的宇宙，”瑞斯说：“但是这需要科学地证明。”
一些宇宙学家认为我们现在所观测到的140亿光年的宇宙仅仅是无止境的大爆炸链上的一环。
由麻省理工学院的阿兰·古斯（Alan Guth）博士提出的暴胀理论我们可以很自然的得出这个结果。暴胀理论认为，蕴藏在空间中的反引力（现代粒子物理学的一种假说），在宇宙年龄小于万亿万亿分之一秒时促使宇宙发生了极度的膨胀。
因为暴胀可以是一小团物质变成整个宇宙，所以古斯总喜欢把宇宙比喻成“超级免费午餐”。但是古斯和其他的学者，包括斯坦福大学的安德雷·林德（Andrei Linde）、特福兹大学的亚历山大·维兰金（Alexander Vilenkin）和普林斯顿大学的保尔·斯坦因哈特（Paul Steinhardt），认为暴胀也许是没有止境的。一旦在某个地方发生了暴胀，它就会持续不断地进行下去，产生一个宇宙链，林德称之为“无穷暴胀”。

华盛顿大学的宇宙学家克雷格·霍根（Craig Hogan）说：“一旦你发现可以很简单的从一小团物质制造出整个宇宙，为什么不制造一连串的宇宙呢？”
事实上，古斯说：“暴胀给了多重宇宙理论强有力的支持。”
另外，没有理由期望能够观测到这些宇宙。即使是在我们这个宇宙之内，原始物质极微小的不均匀性，就使得现今的宇宙表现得如此的纷繁复杂。泰格马克和其 他学者认为，如果宇宙足够大，任何可能发生的事情都可能发生。因此只要我们能看得足够远，我们最终将会发现一个与我们的宇宙完全一样的宇宙。
而且，宇宙学家认为，不同宇宙的物理学规律也会千差万别。
古斯注意到，虽然暴胀理论很奇特，但是它还是获得了大多数宇宙学家的认可，因为依照这一理论计算出的结果得到了天文观测的支持。他说，因此我们应该严肃地对待暴胀理论对于其他宇宙的预言。
幸运数字
探测其他的宇宙会使我们重新注意到一场徘徊于科学边缘的哲学辩论，一场关于生命在宇宙中所起作用的辩论。有生命存在的宇宙的物理规律是与众不同的吗？或者用爱因斯坦的话来讲，“宇宙是否还有其他的选择呢？”
在描述所有自然现象的方程中都包含有各式各样的物理常数，例如光速、电子质量，但是并没有一个理论来指定它们确切的值。
也许这些常数是大自然与生俱来的。科学家可以设想人为的改变这些常数的大小，但是他们发现大自然是极为苛刻的。对于生命来说，这些常数仅仅只能在一个很小的范围内变化。
例如，生命必需的碳和氮是红巨星中的氦聚变而成的。
但是维也纳理工大学的海因兹·奥勃海默（Heinz Oberhummer）计算表明，只要强力改变0.5%，就足以使这种反应停止，其结果就是缺少生命必需的原始物质。
因此，这是一个幸运的宇宙吗？
1974年，当时剑桥大学的理论物理学家布拉登·卡特（Brandon Carter）指出，这不仅仅是幸运的巧合，而是我们能够观测这个宇宙的前提。
最终，我们也许不会发现任何有悖于生命存在的物理规律。

这一理论就被卡特称为人择原理。人择原理对于科学家来说意味着很多东西，但是其中最重要的就是人择原理认为宇宙是为生命设计的。或者用物理学家福里曼·戴森（Freeman Dyson）的话说，“宇宙知道我们的存在。”
这一理论使得那些以寻找对大自然的数学解释为目的的科学家很不安。“人择原理处于科学和哲学的边缘，”加州理工学院的弦理论物理学家约翰·史瓦兹（John Schwarz）说：“我们应该通过数学的方法来理解大自然的运转方式。”
诺贝尔奖得主、德克萨斯大学的物理学家史蒂芬·温伯格（Steven Weinberg）称之为“强”版的人择原理。
多重宇宙
“随着理论物理的发展，多重宇宙也许就会展现在我们的面前，”温伯格说。
如果其他宇宙的物理规律或者物理常数有所不同，那也许就不可能有智慧生命的存在，他解释说。
那时人择原理就会丧失它的神秘性，而仅仅成为一个宇宙能否承载生命的规定。
但是仍有不少弦理论学家抱怨人择原理打击他们的信心。其结果就是引发了一场有关“我们可以从弦理论中得到什么”的激烈争论。
“他们虔诚的希望弦理论可以确定宇宙的所有常数，”巴洛（Barrow）博士说，1984年巴洛和福兰克·迪普勒（Frank Tipler）一起撰写了《宇宙学的人择原理》一书。书中认为一旦宇宙中出现了生命，生命就不会消亡。
最近由密歇根大学的物理学家戈登·凯恩（Gordon Kane）和剑桥大学的物理学家马科姆·潘瑞（Malcolm Perry）、安娜·扎特科夫（Anna Zytkow）所写的题为“人择原理终结的开始”的一文中，他们指出，当物理学的统一理论（例如，很有希望的弦理论）建立起来之后，我们就能详细了解物理常数之间的关系，而将人择原理排除在外。
凯恩说：“人择原理并不会向人们所想得那样选择人类。”
但作为回应，华盛顿大学的霍根在题为“宇宙为什么这样”的文章中指出，物理学中充满了复杂的现象，例如量子效应，这就留下了修改物理理论的余地。按照 弦理论，我们所知道的物理学规律仅仅是10维或者11维的宇宙在低能、4维情况下的表现。其结果就是，所谓的“物理学常数”在不同的宇宙中就会不同。
霍根承认这确实有悖于物理学的初衷，他写道，“至少大自然有一些特性可能没有优美的数学解释，我们只能猜测它们是什么样的。”
甚至弦理论学家凯恩也承认，目前弦理论还没有一个最终的形式，他们目前还不清楚“最终”的弦理论方程有多少个解，是一个，几个还是无穷多个。其中每一个解都会对应一个时空、一系列不同的物理常数。
“其中可以承载生命的宇宙就会出现生命，”凯恩说。

暗能量
但是，甚至是一些最出色的物理学家，包括温伯格也不得不依靠人择原理来解释那些最神秘的问题，其中之一就是宇宙在加速膨胀，就像是140亿年前的大爆炸在现今低能情况下的再现。
宇宙学家怀疑宇宙空间本身包含的反引力推动了宇宙的膨胀。这个力以宇宙学常数的形式出现。1917年爱因斯坦首次提出这一概念，之后他称之为“一生中最大的错误”。现在温伯格称之为“真实的危机”。
按照天文观测，其他不可探测的“暗能量”占了现今宇宙质能的2/3，超过现存物质的1-2倍。但是按照现代量子理论的计算，空间本身蕴涵的能量是宇宙职能的10^60倍。这是物理学世上最糟糕的一次理论与观测的比较。
然而，正如1987年温伯格第一次指出的，这个问题对于生命是至关重要的。那时，并没有存在宇宙学常数的证据，物理学家也普遍认为宇宙学常数的值为零。
温伯格在他的论文中使用了人择来保证在宇宙物质密度变化几倍的情况下宇宙常数不变。如果宇宙常数增大一点，宇宙就会高速膨胀，星系就不会形成，也就不会有复杂的生命形式。
现在物理常数的值就是人择的反映，温伯格补充说，现在没有人可以断定存在其他物理常数的宇宙。他把人择原理称为是对宇宙学常数问题的“聪明解释”
“我们可以依靠人择原理来揭示事物为什么这样，”温伯格说。
超越黑暗
对于皇家天文学家瑞斯来说，他认为不需要观测其他宇宙来获得它们存在的证据。他认为更重要的是寻找一个更精确的理论描述宇宙学常数是如何变化的，以及 这些变化又是如何影响宇宙中的生命的。我们宇宙的宇宙学常数应该处于合适的范围之内。对于生命来说，如果宇宙学常数是最大允许值的10%，那也许也是可以 被接受的。
另一个有力的支持就是暴胀理论，无论是在粒子物理理论还是在天文观测方面都证实了它的正确性。
“如果我们有一个理论，它可以告诉我们有一次大爆炸还是很多次大爆炸，那么我们就会知道哪些特征是可以和理论相对应的，哪些是理论所无法解释的，”瑞斯说。

在芝加哥举行的宇宙学年会上，加州大学理论物理研究所的约瑟夫·珀尔金斯基（Joseph Polchinski）指出，目前基本的弦理论方程可能有1060个不同的解，因此其中很有可能存在一个可以承载生命的宇宙。
他开玩笑说，如果有一天宇宙常数只能用人择原理来解释，那么那一天就是他退休的一天。
同时他希望通过天文观测和新的理论来缩小弦理论解的个数，而且排除人择原理作为一种解释的存在。
霍根说，如果从方程可以推导出多重宇宙，我们就应该认真地对待它们。
瑞斯说：“你必须开阔思路，不能拘泥于现状，这是一种科学态度。”

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