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布兰登·卡特:大自然的常数与宇宙学的重要性

时间:2023-11-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:——弗里曼·戴森[24]迪克的方法对理解宇宙学的大数的普遍重要性首先被布兰登·卡特所利用。卡特读了邦迪的关于宇宙学的教科书,了解到有关大数的符合,[25]但并不沉迷于稳定状态理论,这理论是邦迪著作的中心内容。这就是卡特所谓的弱人择原理的一个应用,这原理是:我们能预期观测到的必定受我们作为观测者出现的必要条件的限制。[29]后来,卡特懊悔用了“人择原理”这个术语。

布兰登·卡特:大自然的常数与宇宙学的重要性

在这个宇宙里,我真的不会感到自己像一个异类。我考察这宇宙和研究它的结构细节越多,就越能发现更多的证据表明,宇宙在某种意义上必定知道我们会来到。

——弗里曼·戴森[24]

迪克的方法对理解宇宙学的大数的普遍重要性首先被布兰登·卡特所利用。那时他是剑桥的天体物理学家,但他现在在巴黎的默东工作。卡特读了邦迪的关于宇宙学的教科书,了解到有关大数的符合,[25]但并不沉迷于稳定状态理论,这理论是邦迪著作的中心内容。邦迪喜欢假设,由于大自然的定律必定是始终相同的,宇宙的所有其他总的方面应该展示出空间和时间方面的相同的一致性[26]稳定状态理论是精确地根据这个推论——宇宙的总体结构平均说来始终是相同的。邦迪承认无法追随爱丁顿试图解释大数而用他的基本理论所作的计算。相反,他更加直率地谈到狄拉克的方案使引力常数成为时间变量,将它看成是另一个否定稳态理论原理:

狄拉克……是针对着稳定状态理论的基本论点,由于它假定不但宇宙变化而且原子物理学的常数随它而变。在某些方面,它几乎可以说是通过显示变化是如何无限制的来强化稳定状态的论据的,这些变化可能想像出现于不断变化的宇宙中。[27]

作为考虑到迪克的就我们对某些大数的符合关系的观测的不可避免性的解释的结果,卡特看到强调有关宇宙均一性的最高的哲学假设的极限是重要的。自从哥白尼证明地球不是位于已知天文世界的中心以来,天文学家们已利用哥白尼原理这一术语支持这一假设:即在宇宙中我们决不能认为我们的地位有任何特殊。当爱因斯坦通过寻找他的方程组的解第一次探索宇宙的数学描述时,已隐含这种假设,保证在宇宙中每个位置都是相同的:相同的密度,相同的膨胀速率和相同的温度。稳态状态论者再跨出一步寻找宇宙在宇宙历史每一时刻也是相同的。当然,实际的宇宙不可能到处严格相同,但它是一个很好的近似,当人们在足够大的空间作平均时,看来就是如此,达到精度约十万分之一。

卡特反对在某些更特殊情况不加区别应用哥白尼原理,因为显然存在一些限制在宇宙中某地某时能有观测者出现:

哥白尼教给我们一个很合理的教训是一定不要无缘无故地假设我们在宇宙中占据一个有特权的中心地位。遗憾的是,有一种强烈的(并不总是潜意识的)将这个观念延伸到有疑问的教条的倾向,意思是我们的情况在任何意义上都不可能享有特权。[28]

卡特强调哥白尼原理的作用是受这一事实的鼓励,即这个表述采取了在克拉科夫召集的国际天文学会议上一个演讲的形式,该会议是配合哥白尼诞生500周年纪念而举行的。

迪克的论证表明有足够的理由预期生命将会在大爆炸宇宙开始膨胀几十亿年之后走上舞台。这件事说明大数巧合中,有一个巧合是由这类观测者观测到的一个不可避免的现象。这就是卡特所谓的弱人择原理的一个应用,这原理是:(www.xing528.com)

我们能预期观测到的必定受我们作为观测者出现的必要条件的限制。[29]

后来,卡特懊悔用了“人择原理”这个术语。这个形容词“人择的”已经是诸多混乱的根源,因为它意味着在这个争论中,有某些东西聚焦于人类。情况显然不是这样。它应用于所有观察者,不管它们有何形式和生物化学。但是,如果它们在生物化学上不是由恒星制备的元素构成的,那么对它们来说是不可避免的宇宙的具体特征将不同于对我们而言也是不可避免的东西。然而,只要生物体有可能根据硅化学或物理学形成,这一论据实际上不会改变。所有比化学上的惰性气体氢、氘(3)和氦重的元素如碳都是恒星制备的,而且需要几十亿年来创造和分布。后来,卡特宁愿用术语“自选择原理”强调观测者选择存在的必要条件的途径,从所有可能的宇宙中选出允许观测者存在的某个子集。如果你没有意识到作为在宇宙中的一个观测者已经限制了你可望观测的宇宙类型,那么你可能会引入某些不必要的重大的原理,或者对物理学定律作不必要的变化来解释宇宙的非寻常的方面。原型的例子有杰拉德·惠特罗的讨论宇宙的年龄和密度[30]以及罗伯特·迪克对大数的解释。

卡特考虑了自我选择我们的存在对我们所做的天文学观测的种类的影响,这是由于读了邦迪的书里有关大数符合关系而受到的鼓舞。在不知道迪克1957年和1961年的论证的情况下,卡特还注意到考虑以下问题的重要性:我们对宇宙的观测不可避免地要接近于对一个典型恒星的典型的氢燃烧寿命的观测。狄拉克曾引入变化常数的假设来解释这些巧合,卡特对这种不必要的做法印象很深:[31]

他利用这种巧合关系作为一种对彻底偏离标准理论的鼓励,这种做法是完全错误的。

当时,当我最初看到狄拉克的错误时,我只是简单假设它是由于不带情感的疏忽引起的,易于说明,由于在20世纪30年代这个开创性时代,人们对恒星演化的普遍理解尚处在初步状态,而它的作者很可能已经认识到并作了改正。我的积极性在于努力表述某件事情,使之达到(如我想像的)非常明晰的地步,如以明确的规则的形式阐述人择原理,我后来的认识部分地提供了这种积极性。我认识到,这些(众所周知的)错误(如狄拉克的错误)的根源不是限于碰巧失察或信息缺乏,而是植根于更深藏的情感偏见,这种偏见可与前一世纪“猿猴或天使”之争挑起早期抵制达尔文的思想的偏见相比拟。在狄拉克自己的例子中,我才意识到这一点,当时我了解他(狄拉克)的反应,其时他的注意力显然顺着“人择的”思路推理(有关大数巧合)……这是1961年迪克第一次指出的。这一反应导致直接拒绝接受得出迪克的(依我的意见是无懈可击的)结论的推理思路。此结论即“对狄拉克的宇宙学在统计学方面的支持被发现有失误”。狄拉克提出的理由在现代科学争论的情况中是相当令人惊异的:在做出一个无事实基础的(和表面上难以置信的)论断后,宣称他本人的理论的大意是“生命须永无终止”,他用惊人的声明总结他的论证说,在他本人的理论和通常的理论之间选择……“我宁可选择允许无休止生命的可能性”。我发现这里的令人惊异之处当然是这种优先的建议可能与这种论证有关……狄拉克的错误对于促进认真表述人类的和其他有关的原理提供了一个有益的鉴诫。[32]

弱人择原理自然地应用于帮助我们理解这些变量为什么取这些值的范围,我们发现它们的量值就取在接近我们的空间和时间的范围内。但这些量的组合之间存在着“巧合”,这些被认为是真正的大自然常数。我们不可能用我们生活的宇宙已有几十亿年之久、我们生存于相对较低的密度和温度的条件下这一事实来解释这些巧合。卡特作出的对这个问题的回答是更加属于推测性的。如果大自然的常数是不可能变化的,并且以独特的方式被编成程序进入宇宙的总体结构,那么可能存在某些迄今仍然未知的理由,为什么在宇宙历史中的某个阶段宇宙中一定会存在观测者?卡特给它起个绰号叫强人择原理,它说:

宇宙(以及因此它所依赖的基本参数)一定会在某个阶段在它的范围内达到这一程度,即允许观测者的产生。

引入这样一种推测需要有证据支持它。在这里,在表面上不相关的大自然的常数之间存在许多个不平常的明显的符合关系,这看来对于我们本身的存在或其他任何可想像的生命形式都是关键的。霍伊尔的不寻常的碳氧共振能级都是典型的实例。还有许多其他的例子。大自然的各种力的强度上的小变化和不同基本粒子质量上的小变化都会破坏使生命成为可能的许多精巧的平衡。相反,如果生命的发展和延续的条件被发现对所有大自然的常数的依存是非常薄弱时,那么就不会有积极性去思考有关这种较强类型的人择原理。在未来几章里,我们将了解到这个观点怎样激起人们去认真考虑这样的观念,即存在其他具有不同的特性和不同的大自然的常数的“宇宙”,以致可以得出这样的结论,我们发现我们本身居住在可能的宇宙中的一个,在其中,常数和宇宙条件已形成一个允许生命存在和持续的结局——因为我们无法发现它有别的结局。

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