我们存在。这个事实能教我们关于这个宇宙的什么呢？

人择原理有引人入胜的科学用途，其中我们存在的简单事实把持深刻的物理教训。不要滥用它！

STARTS WITH A BANG — AUGUST 18, 2022

Ethan Siegel

 

这个宇宙存在我们在这里来观察它这告诉我们很多。它使我们能够对各种参数放上约束并来推断代表它们自己为我们现在日子中知识差距状态和反应的存在。但对我们能从这种推理中学到的也有严重的限制。(Credit: NASA/NEXSS collaboration)

关键要点

     因为我们存在于这个宇宙中，由宇宙演出的规则必须至少与我们的存在可能性是一致的。

这种简单的被称为弱人择原理的认识到能导致一些极端强大的科学和哲学结论。

但要小心：拿上你的假设太远能导致你到一些缺乏必要支持证据的疯狂结论。人择原理一定不能被滥用！

几千年来人类已经沉思了我们存在的意义。从争论是否他们的思维可以被信任的哲学家到来提供对已经试图解释量子物理学和相对论的诡异性的我们现实的准确解释的物理学家，我们已经了解到我们宇宙的某些方面似乎对每个人是客观的真实的，而其他方面依赖于观察者的行为和属性。

尽管科学过程，结合我们的实验和观察已经解开了许多规制我们宇宙的基本物理定律和实体，但仍有许多剩下未知的。然而正如笛卡尔能够来究因“我思故我在”一样，我们存在的事实------“我们是”的事实------也对宇宙有不可避免的物理后果。这里是我们存在能教我们关于我们现实的本质的简单事实。

地球围绕太阳的引力行为不是由于一种看不见的引力拉力，而被更好描述为地球自由的下落过由被太阳主导的弯曲空间。两点之间的最短距离不是一条直线，而是一条测地线：一条被空时的引力变形定义的曲线。宇宙的法则允许但不强制智能观察者的存在。(Credit: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab)

宇宙开始有一套管理规则，我们至少已经能够使其中的一些有意义。我们理解引力怎样在一个连续的非量子水平上工作：通过物质和能量弯曲空时，以及通过弯曲的空时规定物质和能量怎样通过它。我们知道存在的很大一部分粒子（来自标准模型）以及它们怎样通过其他三种基本力相互作用，包括在量子水平上。我们知道我们存在，由那些相同的粒子组成并遵守相同的自然法则。

基于这些事实，物理学家布兰登·卡特（ Brandon Carter）回到1973年制定了两个声明，似乎像它们一定是真的一样：

我们作为观察者存在于宇宙中这里和现在，因此宇宙与我们在空时中这个特定位置的存在是相容的。

我们的宇宙------包括它依赖的基本参数------必须以像我们这样的观察者在某个时候可以存在于它之内这样一种方式存在。

今天这两个声明分别被称为弱人择原理和强人择（Weak Anthropic Principle and the Strong Anthropic Principle）原理。当恰当的使了时它们能使我们得出关于我们的宇宙像是什么样子的令人难以置信的强大结论和约束。

这张粒子和相互作用的图表详细说明标准模型的粒子怎样按照量子场论描述的三种基本力相互作用。当引力被添加进混合物时，我们得到我们看到的可观测宇宙，有我们知道的管理它的定律、参数和常数。暗物质和暗能量等秘密仍然存在。(Credit: Contemporary Physics Education Project/DOE/SNF/LBNL)

一起思考全部这些事实。宇宙有参数、常数和管理它的定律。我们存在于这个宇宙中。因此，决定宇宙怎样运作的一切的总和一定是允许像我们这样的生物进入其中存在。

这似乎像一组简单自证的事实一样。如果宇宙是这样，像我们这样的生物来存在在物理上是不可能的，那么我们就永远不会已经进入存在。如果宇宙有与任何形式的智能生命不相容的属性，那么没有像我们这样的观察者已经进入存在。.

但我们在这里。我们存在。因此，我们的宇宙确实有这样的一个智能的观察者在他之内已经可能的进化的属性。我們在這裡、我們積極參與觀察宇宙的行為的事實意味这个：宇宙是被以這樣一種我們的存在是可能的方式连线的。

这就是一般人择原理的精髓。

这张长时间曝光的图像捕捉许多明亮的恒星、恒星形成区域以及南半球的阿塔卡玛天文台上方的银河系平面。字面上这是我们是在宇宙中的 “观察者”的最强大的方式之一，但目前尚不清楚作为一个智能的观察者在影响宇宙本身方面角色如果有任何的话是什么。(Credit: ESO/B. Tafreshi (twanight.org))

像这种说法似乎不应该是有争议的。它似乎像也没有教我们很多，至少在表面上。但是，如果我们开始观察宇宙多年来呈现给我们的各种物理难题，我们开始看到它对科学发现能刚好是多么强大的一个想法。

我们是由原子组成的观察者------其中许多原子是碳原子------事实告诉我们宇宙一定以某种方式已经创造了碳。轻元素如氢、氦及它们的各种同位素被在大爆炸的早期阶段形成。更重的元素被在各种类型恒星整个它们的声明中形成。

但为了形成那些更重的元素，必须是某种方式来形成碳：元素周期表中的第六种元素。碳以它最常见的形式在它的原子核中有6个质子和6个中子。如果它被在恒星中形成，一定有某种方法来从已经存在在恒星中的其他元素中形成：像氢和氦这样的元素。不幸的是，这些数字算不出来。

这个剖面图展示太阳的表面和内部的各个区域，包括核，这是发生核聚变的唯一位置。随着时间流逝，富氦核心将收缩并加热起来，使氦聚变为碳成为可能。然而，对一个基态之外的碳-12原子核的另外的核态需要额外的必要的反应发生。(Credit: Wikimedia Commons/KelvinSong)

我们知道碳-12的质量以及在恒星中如此丰富的氦和氢原子核的质量。到达那里的最简单方法会是取三个独立的氦-4原子核并同时将它们聚变在一起。氦-4在它的原子核有两个质子和两个中子，因此很容易来想象将其中三个原子聚变在一起会给你碳-12，因此可以创造我们在宇宙中需要的碳。

但是结合了的三个氦核质量太大不能有效地产生碳-12。当两个氦-4原子核一起聚变时它们产生在它衰变回两个氦核之前的铍-8仅约10^-16秒。虽然如果温度足够高偶尔一个第三个氦-4原子核可能参入那里，但能量对产生碳-12都是错误的，有太多的能量。这种反应只是不会给我们足够的我们宇宙需要的碳。

幸运的是，物理学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）了解了人择原理怎样工作并意识到宇宙需要一条从氦制造碳的途径。他理论了如果碳-12原子核有一个激发态，在更高的能量下更接近三个氦-4原子核结合了的静止质量，这个反应可能发生。这种被称为霍伊尔状态的原子核状态五年后被核物理学家威利·福勒（Willie Fowler）发现的，他也发现了形成它的三重α过程，正如霍伊尔所预测的那样。

霍伊尔状态的预测和三重阿尔法过程的发现也许是科学史上对人择究因使用最惊人的成功。这个过程解释在我们现代宇宙中发现的大部分碳的创造。(Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy)

人择原理被成功应用的另一次是对理解宇宙的真空能量是什么的难题。在量子场论中，你能尝试来计算空的空间的能量是什么：称为空间的零点能量。如果你要从一个空间区域移除所有的粒子和外部场------没有质量、没有电荷、没有光、没有辐射、没有引力波、没有弯曲的空时等等------你就会留下有空的空间。

但这个空的空间仍然包含在它们中的物理定律，这意味着它仍然包含整个宇宙中无处不在的波动量子场。如果我们试图并计算这个空的空间的能量密度是什么我们得到一个荒谬的值，这个值太高了：如此之大以至于宇宙在大爆炸后仅一秒钟的一个小分数就重新坍塌。显然，我们从做那个计算得到的答案是错误的。

甚至在空的空间的真空中，无质量、电荷、弯曲空间和任何外部场，自然定律和支撑它们的量子场仍然存在。如果你计算最低能量状态，你可能会发现它并不刚好是零，宇宙的零点（或真空）能量似乎是正的和有限的，尽管很小。(Credit: Derek Leinweber)

因此什么是正确的值呢？虽然我们仍然不知道如何计算它，但今天物理学家斯蒂芬·温伯格（Stephen Weinberg）回到1987年计算了它可能是的一个上限，令人惊讶地使用了人择原理。空的空间的能量决定宇宙多快膨胀或收缩，甚至与宇宙中的所有物质和辐射分开。如果这种膨胀（或收缩）速率太高，我们永远不会在宇宙中形成生命、行星、恒星甚至分子和原子。

如果我们利用我们的宇宙中有星系、恒星、行星甚至在其中一盒上有人类的事实，我们能对宇宙中可能有多少真空能量放上一个超常的限制。温伯格1987年的计算表明它一定至少幅度118个数量级------即一个10^118的因子------比从量子场论计算中获得的值更小。

当暗能量在1998年被经验上发现时，我们第一次测量了这个数字：它比天真的预测更小120个数量级（一个10^120的因子）。甚至没有来执行获得答案所需计算的必要工具，人择原理让我们惊人的接近。

弦景观可能是一个充满理论潜力的迷人想法，但它不能解释为什么像宇宙学常数、初始膨胀率或总能量密度这样的微调参数有它们做的值。尽管如此，理解为什么这个值取它所具有的特定值是一个精细调整问题，大多数科学家假定有一个物理上动机的答案。(Credit: University of Cambridge/CTC)

就在两年前，在2020年，理论物理学家约翰·巴罗（John Barrow）去世，他是结肠癌的受害者。早在1986年，他与弗兰克·蒂普勒（Frank Tipler）合著了一本著名的书《人择宇宙学原理The Anthropic Cosmological Principle》。在那本书中，他们将人择原理重新定义为以下两个陈述：

所有物理和宇宙学量的观测值是相等的可能的，但它们取被那里存在的碳基生命能进化条件限制的值，以及通过宇宙足够古老让它已经这样做了。

宇宙一定有那些其中允许生命在历史的某个阶段在其中发展的属性。

虽然这些陈述在表面上看起来可能与前面的声明等同，但它们加起来的某些东西非常不同。不是像卡特最初所做的那样 “我们的作为观察者存在意味着宇宙的定律一定允许观察者可能存在”，而是我们现在有“宇宙一定允许碳基的智能生命，并且假设的宇宙在那里生命不发展是不允许的。

在恒星形成区域中存在复杂的碳基分子很有趣，但并不是人择要求的。在这里，单糖的一个例子糖醛被描画在一个位置，对应于它们在星际气体云中被检测到的位置。(Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Calçada (ESO) & NASA/JPL-Caltech/WISE Team)

这种对人择原理的高度影响力（和争议性）的重构把我们从要求宇宙不对观察者来存在不可能不可能因为我们确实如此到规定一个宇宙在那里一个智能观察者不发生不能被允许。如果这听起来像是信仰的一个巨大的不被要么科学要么究因支持的飞跃一样你并不孤单。在他们的书中，巴罗和蒂普勒甚至走得更远，对人择原理提供了以下替代解释：

宇宙如它存在的一样被设计有产生和维持观察者的目标。

观察者对带宇宙进入存在是必要的。

有不同基本定律和常数的宇宙的集合对于我们的宇宙的存在是必要的。

这些场景中的每一个都可能为想象力表现一场迷人的盛宴，但它们都代表在逻辑上令人难以置信的推测性飞跃，并做出宇宙目的以及观察者与不一定真实的现实之间的关系假设。

我们当然能想象我们的宇宙以及管理它的定律和常数的一个任意大数的可能结构，我们可以肯定我们的宇宙是承认智能观察者存在的宇宙之一。然而，无论是这个还是任何其他人择论点都不能告诉我们任何有意义的关于没有以某种方式与物理可观察物联系的实体。(Credit: Jaime Salcido/EAGLE Collaboration)

你不必看得太远来断言人择原理做任何或所有以下的：支持一个多元宇宙、为弦景观提供证据、要求我们有一个类似木星的气态巨行星来保护地球免受小行星并解释为什么地球距离银河系中心约26000光年。換句話說，人們正在誤用人择原則來爭辯宇宙一定是這樣的，因為我們以我們有的屬性存在。这不仅是不真实的，而且甚至不是人择原理允许我们来得出结论的。

真相是我们确实存在，自然法则存在，一些伟大的宇宙未知的能被合法地被我们存在的事实约束。从这个意义上说------也许仅从这个意义上说------人择原理有科学价值。但是，一旦我们开始推测关于我们不能探测或测量的关系、原因或现象，我们把科学抛在脑后。

这并不是说这些推测在智力上不是有趣的，但参与它们绝不会像霍伊尔或温伯格的人择预测那样改善我们的宇宙的理解。我们存在的这个简单事实能引导我们朝向理解支配我们宇宙的某些参数实际上是的，但除非我们坚持科学上可测量的东西，至少在原则上。

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/we-exist/