大自然的常数及人择原理研究成果

我不想通过我的工作得到不朽。我要通过不死得到永存。我不要活在我的国人的心里。我宁愿生活在我的公寓里。

——伍迪·艾伦^[37]

其他研究者已经提出别的更多猜想的人择原理。约翰·惠勒（John Wheeler），这位普林斯顿的科学家提出“黑洞”这个术语并在黑洞研究中起了主要作用，提出他称之为参与性的人择原理。这不是为大自然的常数特别提出的而是由巧合的精细性促进的，这些巧合允许宇宙中有生命存在。或许惠勒会问，生命在某种程度上对宇宙的协调一致至关重要的吗？但是在生命可能存在之前对于遥远的星系和远古宇宙的存在而言，我们肯定是无足轻重的吗？惠勒很想问，在将量子理论变成充分的现实存在过程中，观测者是否重要，这个重要性也许是要告诉我们，恰当定义的“观测者”也许在某种意义上对于宇宙的存在是必要的。这是很难讲得清楚的，因为在量子理论中一个观测者的概念是无法明确定义的。它是能记录信息的任何东西。一张照相底片会像夜间守望人做得一样好。

由弗兰克·蒂普勒和我本人引进的第四种人择原理稍有不同。它只是一个假说，利用物理学的定律和观测到的宇宙状态应该能证明它是真实的，还是错误的。它被称做最终的人择原理（或猜想），并提出一旦生命在宇宙中出现，它将不会消失。一旦我们作出一个适当的广泛的关于生命的定义，比方说，作为兼有储存信息能力（“记忆”）的信息处理（“思想”），我们就能研究这到底是真的吗。注意，没有谁宣布生命一定会出现或生命必须持续。显然，如果生命要永久持续下去，如我们所知，它最终必须改变产生生命的基础。我们的天体物理学知识告诉我们，太阳最终定要经历一个不可逆转的能量危机，膨胀和吞没地球及太阳系内部的其他行星。到那时我们将必须离开地球，或者将必要的信息传输出去，在其他星球上重新创造我们这一物种的成员（要是依然可以这样称呼的话）。思考未来几百万年之后，我们还可以想像那时生命存在的形式在今天它可称作是“人造的”。这类形式可能与信息处理器差不离，有能力存储未来使用的信息。像所有的生命形式一样，它们必定是由自然选择进化的主体。^[38]极有可能它们将是微小的。我们已经在我们的技术社会里看到一种趋势，即制作越来越小的机器，消耗越来越少的能量，而且几乎没有产生废料。取其逻辑的结果，我们预期高级的生命形式应像物理学定律允许的那样微小。

顺便，我们或许提到过，这可以解释为什么宇宙中没有地球外生命的证据。如果它真是高级的，甚至按我们的标准，它很可能是极其微小的，微小到分子水平。各式各样的优点随即自然增长。在那里有大量空间——能够维持庞大的总人口。能够利用内在的强有力的量子的计算能力。只需要较少的原材料，因而太空旅行较为容易。你还可以避免被生活在明亮行星上的笨拙的双足动物的文明探测到，他们向星际空间发射连续的无线电波噪声。

我们现在要问，宇宙是否允许信息处理永远持续下去。即使你不想把信息与生命等同起来，可是未来派认为，它当然有必要而为它存在下去。这证明这是一个我们能十分接近答案的问题。如果宇宙在几十亿年之前开始加速，如新近的观测所表明的那样，那么它可能将继续永远加速。^[39]它不会放慢并收缩，回到大坍缩。如果是这样，那么我们知道信息处理将到此终止。只有有限位数的信息可在永无止境的未来处理。这是一个坏消息。它的发生是因为膨胀如此之快，以致信息质量急速下降。^[40]更糟糕的是，加速的膨胀如此之快以致任何文明送出的光信号达到一个水平线，超过这条线它们就看不到。宇宙将变成分离为许多有限区域，在区域之内通讯是可能的。

一个有趣的观测是和关于最终人择原理的初始建议一道作出的。我们指出，^[41]如果宇宙膨胀被发现是在不断加速，那么信息的处理最终必将消失。新近，几个研究小组已收集了一些重要的观测证据，表明正好在几十亿年之前宇宙膨胀已开始加速。但是，如果假设对宇宙目前加速的观测证据结果证明是不正确的，^[42]怎么办？最有可能是宇宙维持永远膨胀，但连续减速，如同它实际所做的那样。生命仍然面对艰难的战斗，不确定地幸存下来。人们需要寻找宇宙中温度或密度或膨胀程度上的差别，通过使这些差别一致，它可以抽取出有用的能量。如果它依靠局部存在的矿物能源——死灭的恒星、蒸发的黑洞、衰变的基本粒子——那么它终将陷入经营出色的煤矿必然面对的问题：为了抽取能量，花费的成本多于它所能得到的。在遥远的将来，人们会发现他们需要节约能量的使用——事实上是节约生存的能量！他们可以减少他们的免费能量的消耗，方法是长时间的休眠，醒来后花一些时间处理信息再回到他们的不活动的状态。有一个潜在的问题要面对这个瑞普·凡·温克尔⁽⁴⁾的存在。你需要有一个唤醒的呼叫。需要安排某个物理学过程，它能提供一种不会遗漏的唤醒呼叫，无须使用那么多能量而使整个休眠期过去。迄今尚未知道这个过程究竟能否永远下去。最终看来能用来驱动信息处理的矿物能量梯度变得没有价值。生命于是必定开始熄灭。

与此相比较，如果生命不将其注意力局限于本地的矿物能源，长期的前景会更加光明。宇宙不会在各个方向上都以相同的速率膨胀。在这一方向和另一方向上速率有微小差别，这可能归因于很长的引力波，可能是穿过空间的无限长的波长。对于超高级的生命形态的挑战，在于发现一种能捕获这种潜在的无穷无尽的能量供应的方法。对此值得注意的是，当宇宙膨胀时，它的密度比所有通常形式的物质的密度减少得远为缓慢。与按不同速率膨胀的方向平行移动的辐射会产生温度差，利用这个温差，生命可找到一个使它的信息处理能继续进行下去的途径。

最后，如果宇宙真的大崩坍，在一个有限时间内回到未来的大坍缩，那么初看前景似乎是没有希望的。最终，崩坍的宇宙将充分收缩，使星系和恒星合并起来，温度将升高到分子和原子被撕碎。再者，正如在遥远的将来一样，生命必须采取某种抽象的、脱离实体的形式而存在，或许编织成一种时空的结构。令人惊讶的是，结果证明，不能排除它的不确定的幸存希望，只要恰当地规定时间。如果宇宙依据“滴答”的瞬间的真正的时间是膨胀本身创造的时间，那么可能这个时钟的无数次“滴答”声出现在一个有限量的时间内，这看来就是在大坍缩到来之前适用于我们的时钟。

最后一个滴答是存在的，而在似乎注定要永远膨胀下去的宇宙中，那些超高级的幸存者可能暗中有所打算，1949年，逻辑学家库尔特·哥德尔（K. Godel），爱因斯坦在普林斯顿的朋友和同事，由于证明根据爱因斯坦的引力理论，允许有时间旅行而使他震惊。^[43]他甚至发现爱因斯坦的为宇宙所设定的方程组有一个解，在这个宇宙中，有“时间旅行”出现。不幸的是，戈德尔的宇宙一点不像我们生存所在的这个宇宙。它旋转极快，并不符合人们细心所做的差不多所有的天文学观测。然而，可能还存在其他的，在所有必要方面像我们的宇宙那样的更复杂的可能性，只是它仍然允许“时间旅行”发生。物理学家们作了大量的努力，探索如何可能破坏空间和时间来满足“时间旅行”的需要。如果可能设计一些必要条件将信息按时间逆向送出，那么这就为逃离无生命的未来提供了一种策略，由信息处理和存储来规定“生命”的适当的太空形式。在完善从环境抽取有用能量的方法上你不要投入精力，因为环境正在被赶到越来越接近没有生命的平衡。代替的是沿时间逆向旅行到某个时代，那里的条件远更宜人。诚然，旅行不是严格必要的，只是为了生命的再现而需要传输一些指令。

人们往往担忧一些明显的、真实的悖论，即允许反向的“时间旅行”能出现。你不可能自杀或杀你的父母于幼年期，致使你不可能存在，是吗？所有这些悖论都是不可能存在的。它们出现是因为你顺手引进一个物理学上的和逻辑上的不可能性。它有助于按爱因斯坦教我们的方式来思考空间和时间：是单一的时空联合体，见图8.9。

图8.9　（a）在不同时间取的空间层片的堆垛；（b）由所有空间层片组成的时空联合体。这个联合体可用许多方法分层，这些方法异于（a）中所选择的分层。

现在走到时空外面来看在那里发生什么。个体的历史是一些穿过联合体的路径。如果它们弯曲回到它们本身所在形成封闭的回路，那么我们就可判断“时间旅行”出现了。但是路径是怎么一回事呢。没有什么历史通过那样做而“改变”。“时间旅行”允许我们成为过去的某部分而不是改变过去。唯一可能的“时间旅行”的历史是自相一致的路径。对于任何封闭的路径不存在明确的未来和过去之间的分界。就像士兵的队伍沿单个纵列一个跟着一个前进。如果他们沿一条直线行进那么谁在谁的前面是清楚的。但是让他们在一个圆圈上行进，这样以前的领先者跟着以前后进者，从而不再存在有任何明确规定的在直线上的那种次序，如在图8.10中所示。

图8.10　行进在一条直线上，因而谁在谁前面是清楚的。行进于一个圆圈上，那么每个人既在前面又在另一个人后面。

如果这种类型的反向“时间旅行”是一种逃脱宇宙热力学结局的一种方式，而我们的宇宙似乎显然正在朝此方向，即朝这种热力学擦除处理信息的一切可能性的方向行进，那时大概超高级的生物在我们的未来已经反向旅行，进入今日宇宙提供的温和的宇宙环境。已经提出了许多说法，为反对从未来出发的旅行者的到达而辩论，但他们在头脑里颇有以人类为中心的目标。在信仰历史上对伟大事件（公元前4年伯利恒附近的事件，耶稣被钉死在十字架上，苏格拉底之死，以及其他）都曾有争论，这些争论变成磁石吸引反向的时间旅行者，产生庞大的渐增的听众，显然不是现在的听众。但是没有什么理由可逃脱必定会访问我们的宇宙的热死寂，更别提使群众来控制我们历史中关键点上的问题了。

我喜爱驳斥反向的“时间旅行”的论证^[44]是从财经角度讲的。它求诸于在货币市场中利率是非零的这一事实，来论证不论是顺向还是反向的“时间旅行”者都不可能利用他们的地位，在财经市场上取得一次大的成功。如果过去他们能够了解将来哪个市场将会增长并据此去投资，那么长期的结果会驱使利率趋于零。再者，它易于避免允许这种论证排除“时间旅行”者逃脱宇宙的热死寂。可是，有人觉得财经投资大概是他们至少要考虑的。

注释

[1]　奎因（W. V. Quine），《哈佛杂志》采访，引自赫什（R. Hersh），《什么是真正的数学？》，文特吉出版社，纽约，1998，第170页。

[2]　帕格尔斯（H. Pagels），“一个舒适的宇宙”，载《科学》，3月/4月，34（1985）；凯恩、佩里和齐特可夫（G. Kane, M. Perry and A. Zytkow），“人择原理的起始和终结”，载《新天文学》，Ⅶ，45—53（2002）。

[3]　雷德尔梅厄和蒂比斯拉尼（D. A. Redelmeir and R. J. Tibshirani），《自然》，401，35（1999）及《机会》，13，8—14（2000）。

[4]　博斯特罗姆（N. Bostrom），“观测的选择效应和概率”，博士论文，查阅www. anthropic-principle. com/phd/。

[5]　另一个效应是：在一条拥挤的汽车道路上即使每条车道汽车的平均速率是相同的，相邻车道似乎是跑动较快的。这是因跑得较快的汽车间隔变得较大而较慢车道行车变得更密集了。

[6]　在好莱坞快车道上的交通，©Bettmann/Coris。

[7]　哈里森（E. R. Harrison），《夜晚的黑暗》，哈佛大学出版社，坎布里奇，1987，第87页。

[8]　桑塔亚纳（G. Santayana），《美感》，多佛出版社，纽约，1955，第一次出版于1896，第102—103页。

[9]　拉姆齐（F. Ramsey），《数学的基础和其他逻辑学的随笔》，劳特利奇-基根·保罗出版社，1931，第291页。

[10]　这个题目是后来发明的，略带贬义，1949年弗莱德·霍伊尔在一次无线电广播中强调在通常的膨胀宇宙理论中需要这激烈的开端，且于1950年发表。

[11]　宇宙的膨胀速率的单位为时间的倒数。因此膨胀（速率）的倒数给出一个时间大约等于大爆炸模型中的宇宙年龄。在稳定状态宇宙中膨胀速率的倒数的单位也是时间，但它不对应于稳定状态宇宙的真实年龄，其真年龄是无限的。

[12]　事实上，霍洛韦（Holloway）和摩尔（Moor）已经在1940年报道了碳的激发态近于7 MeV的证据[《物理学评论》，58，847（1940）]，而且它出现在核数据表，发表于《现代物理学评论》，20，23编者组中有一位成员Fowler，但这结果未被Malm和Buechner，随后的研究证实，《物理学评论》，81，519（1951）并且从那时起它似乎会从未来数据表中去掉。为了这个信息我要感谢Virginia Trimble。

[13]　F. Hoyle, D. N. F. Dunbar, W. A. Wensel and W. Whaling, Phys. Rev, 92, 649（1953）: C. W. Cook, W. A. Fowler and T. Lauritsen, Phys, Rev, 107, 508（1957）.

[14]　这点得到萨尔皮特（E. Salpeter）的注意，《天体物理学杂志》，115，326（1952），以及奥皮克（G. K. Öpik），《皇家爱尔兰科学院院刊》，A54，49（1951）。

[15]　F·霍伊尔《天文学和宇宙学：现代教程》，W·H·弗里曼出版社，旧金山，1975，第402页。

[16]　奥伯休默、奇索托和施拉特尔（H. Oberhummer，A. Csótó，and H. Schlattl），《科学》，289，88（2000）。(www.xing528.com)

[17]　霍伊尔，《星系，核和类星体》，海涅曼出版社，伦敦，1965，第159—160页。

[18]　霍伊尔，同上书，第160页。

[19]　霍伊尔，《宗教和科学家》，SCM，伦敦，1959。

[20]　糟糕设计的特点是为图方便而疏漏，对这些特点有一个有趣的讨论，参见乔治·威廉姆斯，《大自然中的计划和目的》，威登皮尔特，纳尔逊出版社，伦敦，1959。

[21]　查尔斯·达尔文受一些作者如威廉·佩利引领的收集生物学的意匠论的大影响，因为他说它们适于排列起来所有的证据召唤另一种解释；参阅J·D·巴罗和F·J·蒂普勒，《人择宇宙学原理》，牛津大学出版社，1986年对这些发展有较全面的讨论。

[22]　所有这些不同的影响在我较早的书，《包罗一切的理论》，有系统的讨论，该书出版于牛津大学出版社，1990，以及文特吉出版社，纽约，1992。

[23]　重要的是认识到意匠论的这个版本在对自然世界无数表观设计例子进行排队方面起重要作用。正是这件事激发华莱士和达尔文寻找另一种解释。不经检阅为表观设计的证据就不会将注意力聚焦到它作为一个需要阐明机制的问题，参阅巴罗和F·J·蒂普勒，《人择宇宙学原理》，牛津大学出版社，1986，第2章。

[24]　戴森（F. Dyson），《摄动的宇宙》，哈珀和罗出版社，纽约，1979。

[25]　邦迪（H. Bondi），《宇宙学》，剑桥大学出版社，剑桥，1952，第13章专述大数和变化的常数。

[26]　这点不会得到遵行。我们知道大自然的定律的结果不拥有定律本身的对称性。结果是远为复杂，而且远低于定律的对称性。

[27]　卡特，同上书，第160页。

[28]　卡特（B. Carter），“大数符合关系和宇宙学中的人择原理”，刊于朗盖（M. S. Longair）编：《宇宙学理论与观测数据的对抗》，雷德尔出版社，多德雷赫特，1974，第291—298页。

[29]　卡特，同上书，第292页。

[30]　惠特罗首先利用这种论证来理解为什么我们得到的空间具有三维，如同我们将在下一章看到的。

[31]　当狄拉克是剑桥大学教授时，卡特在那时是一位学生，后来是剑桥应用数学和理论物理学的讲师。

[32]　卡特，“人择的原理：自-选择作为自然选择的补充”刊于C. V. Vishreshwara编，《宇宙的前景》，剑桥大学出版社，1988，第187—188页。

[33]　艾略特（T. S. Eliot）“阿尔弗莱德·普鲁弗洛克的情歌”，《诗集选》，费伯出版社，伦敦，1994。

[34]　它恰好在实际上约70千电子伏特时束缚失败了。弗里曼·戴森首次指明这件事的意义。

[35]　由特格马克（M. Tegmark）改写，《物理学年报》270，1—51（1998），他采用来自巴罗和蒂普勒的约束条件，在前面所引的书中。

[36]　同上书。

[37]　伍迪·艾伦（Woody Allen），引自《观察家》，2001年5月27日，第30页。

[38]　某些生物学家实际上将生命定义为由自然选择进化的任何事物。

[39]　这势必是这样一种情形，如果这加速度是由于出现所谓“宇宙学的常数”引起的，而这常数代表着宇宙的真空能量。有可能其他形式的物质在衰变成不会产生加速膨胀的普通形式物质之前，宇宙历史的某个时期能摹拟宇宙学常数的出现。[见J. D. Barrow, R. Bean，和J. Magueijo，《皇家天文学会月度短评》，316，LA1—44（2000）]。如果这种情况发生足够早，那么信息处理不需要最终消亡。

[40]　在适当类型的宇宙中一个也许可被利用的环形洞，是这样一种可能性，即某种新形式物质的出现产生加速度，而这新形式物质可能用作新形式的能源。这大概只导致产生有用的能量加上其他加速常数能源，这种能源无法作为能量开采。最后这种新能源会参与驱动膨胀，而不可能停止的信息退化将再度开始。

[41]　巴罗和蒂普勒，在前引书中第668页。进一步讨论已由克劳斯（L. Krauss）和斯塔克曼（G. D. Starkman）提供，《天体物理学杂志》，531，22—30（2000）提供。

[42]　这一加速度可能是由一个正的宇宙学常数贡献的，爱因斯坦在他最早公布的广义相对论中第一次提出这一点。它像是引力定律的附加部分。不像熟知的牛顿的平方-反比定律，这项贡献随距离而线性增大。它有一个自然的诠释为宇宙的真空能量，但是它的数值是极其不可思议-比它在“天然”普朗克单位中的数值大10¹²⁰倍。

[43]　哥德尔（K. Gödel），“爱因斯坦的引力场方程的一个新型宇宙学解的一个例子”，载《现代物理学评论》，21，447—450（1949）。

[44]　赖因加纳姆（M. R. Reinganum），“时间旅行可能吗？一种金融的证明”，载《资产组合管理学杂志》，13，10—12（1986）。

（1）　帕斯卡（B. Pascal，1623—1662），法国数学家、物理学家。——译者

（2）　疑有误，氢不是惰性气体，氦是。

（3）　氢、氘不是惰性气体。——译者

（4）　瑞普·温克尔（Rip. Van Winkle）是美国作家华盛顿·欧文《见闻札记》中的一个短篇小说篇名和主人公，指嗜睡的人。——译者