大自然的常数：超越相对主义的宇宙规律

在17世纪的科学革命之前，价值从我们自己流向世界；在这之后，价值从世界向我们流来。

——彻特·雷莫^[26]

我们对大自然的常数的考察始于世俗的观念，但已引导我们进入我们的宇宙的前沿，甚至超过它，进入多元宇宙的其他世界，我们看到它们的存在仅仅是模糊地反映在我们本身的世界中。寻求人类便利的和地域的标准导致发现超人类的和普适的标准。我们揭示的大自然赖以运作的方式和它依此变化的规则引导我们了解了一些神秘的数字，它们规定了结构的一切。大自然的常数显示出我们的宇宙的感觉和它的存在。没有它们，大自然的各种力不会有其强度；物质的基本粒子没有质量；宇宙没有大小尺度。大自然的常数是反对无约束的相对主义的终极的堡垒。它们以某种方式规定宇宙的结构能回避以人类为中心的事物观点的偏见。如果我们要与宇宙中其他地方的智能生物进行接触，我们会首先指靠大自然的常数作为共同的基础。我们愿意首先谈论的那些事是大自然的常数决定的事。我们已给外层太空发出试探，带去有关我们自己以及在宇宙中我们的位置的信息，选中用于确定氢原子的光波波长，讲述我们之所在和我们之所知。大自然的常数是宇宙中每个地方智能生物能潜在分享的最成功的物理学的经验。然而，当我们已循着探索的大道和小路阐明它们的意义和重要性时，我们兜了一圈回到原处。他们的设计师们把它们看作是一种提升我们对宇宙认识的方法，分明来自人类结构的拟人说教来展露宇宙的其他部分，不是为我们的便利而设计的。但是这些普适常数是由相对论的和量子的实际情况结合起来产生的，它们已经在某些方面证明赞同我们的一度存在是神秘的和奇妙的。对于它们的数值，在我们的实验室里曾以更精确的程度测定，但我们的理论仍解释不了这些数值如何使宇宙成为任何种类有智力的生物的可栖居之地。而且正是通过它们的数值，我们的宇宙的唯一性给我们深刻的印象是，我们可以方便地利用它来想到种种略为满意的选择。

我们到底能解释大自然的所有常数的数值吗？迄今为止，答案是不太明确的，但它是建议性的方式。关于大自然的各种力和图景的最深入的理论认为，包罗一切的理论对它会有一个公论。不是一切事物都被永远有效的逻辑的自洽性固定下来。还有某些常数，其自由度是不同的；它们是随机选定的；而且如果它们的结果是错的，而不是正确的，它们会使这宇宙永远没有生命和光。

而这些常数的真正本质是什么呢？它们真是常数吗？昨天、今天和永远是同一数值吗？或者它们仅仅随时间潮汐而缓慢落潮和涨潮吗？在我们用最精密的仪器观察时，我们在宇宙历史的整个一百多亿年时间里，从我们最敬畏的大自然常数中的一个的变化，开始看到泄露出秘密的第一批线索。我们把一些相互交错的拼块装配成我们的宇宙图景，这对于我们认识这些拼块意味着什么呢？在未来，常数会改变，而且它们的数值之间的符合关系会遭破坏，以及在遥远未来留下生命之树会没有叶子又无生机吗？我们的常数是与我们的宇宙的总体膨胀速率相联系的吗？或者它们是真正的常数，与复杂性、生命的演化以及环绕我们的引力驱动的恒星和星系的旋转是相隔离的吗？在历史中，宇宙一个循环接一个循环地演化和变化，既无始也无终，历遍一切可能性，孕育有种种可能世界的多元宇宙，各个世界始终如一地依自己方式运行，但绝大多数回避生命，并不知道它们自身的存在，是这样的吗？

这些都是大问题，但它们是从小问题发展起来的。我们已经一步又一步地放大我们的物理学客观实际的观点，深化它在表面上各不相同的部分之间联系的网络，并发现宇宙完全可用数字来塑造其形象。而我们理解在某种程度上数学就是事物。对于有些人，这可能是一件令人失望的事。但是虽然大自然的常数是一些数字，它们不仅仅是数字，而且它们不是唯一的数字。它们是终极的客观实际的条形码。这固定下来的这些数字——有一天必将揭示这宇宙的秘密。

注释

[1]　W·欧文，“啊！众多世界中的世界”，载《维尔弗莱德·欧文的诗集（1893—1918）》，查托-温都斯出版社，伦敦，1963。

[2]　潘亭（C. Pantin），“生命和存在的条件”，载《生物学和人的存在》，I. T. Ramsey编，布莱克韦尔出版社，牛津，1965，第94页；还可看“有机的设计”，载《科学的进展》，8，138（1951）。

[3]　加在物质前的词“可能的”这是一个深刻而又困难的问题。每次试图精确地确定宇宙学的问题的概率并如此给出这些问题的数字的答案，就像“宇宙拥有允许生命在其中存在的某些特性的概率是多少？”迄今为止对这个问题无法回答。从技术上讲，这是如何来确定概率量度的数学问题。困难在于当估计宇宙的一切可能的起始条件的集合时，或者根据混沌的暴胀宇宙理论估计一切可能出现的结果时，不知道什么是等同的可能的结果。以上这些问题因以下问题而更困难了，即要采用对宇宙中任何地点都普遍适合的某种方式来确定“那时”的种种概率。对于这个问题现在有所研究但依然没有解决。

[4]　潘亭，“生命和存在的条件”，载《生物学和人的存在》，I. T. Ramsey编，布莱克韦尔出版社，牛津，1965，第104页。注意虽然潘亭提到了“类似于自然选择原理的一个解”，但他并没有将它展开。

[5]　关于这点我们可能是错误的，如果“包罗一切的理论”包含了常数的某种相互联系，它具有这种特性，即精细结构常数的一千亿分之一的变化就能使某个对于生命关键的其他常数产生，比如说，有二分之一的变化。

[6]　如果生命只不过是复杂物质达到极高水平的副产品，那么或许生命能存在于速度空间或者空间-时间结构的组织里，或者由大到小至原子的、原子核的或基本粒子尺度，作为现在追求创造纳米技术的一种渐近的延伸。

[7]　J·D·巴罗著，《天空中的π》，牛津大学出版社，纽约，1992，第286—292页。有关发展请参见M·特格马克，“‘包罗一切理论’仅仅是终极的整体理论吗？”，载《物理学年报》，（纽约）270，1（1998）。

[8]　我们能否问一下，如果关于复杂性存在某一阈限，依此生命变成可用数学表述的方法描述。唯一值得注意的是，阈限在我们达到算术的复杂性时出现。在这一点上自我指认是可能的。在算术和有关算术的陈述之间会存在一对一的对应关系（对于较简单的结构，如几何图形，这是不可能的）。细胞式自动机，像约翰·康威的生命游戏证明，在它们的逻辑结构上是等价于算术。有意思的是当我们达到算术的复杂性时，哥德尔的不完备性变成为系统的一个特性。某些作者，著名的约翰·卢卡斯和罗杰·彭罗斯，认为这个特性可能是意识的一个本质特征。如果真是这样，那么当我们达到应通过的复杂性阈限时，这算术阈限应是在逻辑系统之内产生有意识信息处理所需的最低水平。有意思的是比较在逻辑系统中自指认的复杂性的这个低的阈限和在分立的细胞式自动机中产生复杂性的低阈限，在《一种新的科学类型》这本书中，斯蒂芬·沃尔弗拉姆作了讨论，该书由沃尔弗拉姆媒体公司（伊利诺伊州，2002）出版。带有最近邻规则的一维算法能产生各种水平的复杂性，通过增加额外的维度，更复杂的规则，无序扰动或取平均都无法超越这种复杂性。

[9]　在一个逻辑系统中如果出现任何虚假的陈述，它能用来证明真实的任何陈述（如0=1）。著名的例子是，贝特兰·罗素回应这个挑战，证明他的质问者是教皇（Pope）只要1=2：你和教皇是二，但如果二等于一，那么你和教皇就是一。

[10]　G·H·哈代，《一位数学家的辩解》，剑桥大学出版社，1967，第135页。

[11]　这种信念，即未来会像现在，这就是哲学所说的归纳问题。(www.xing528.com)

[12]　艾伦（W. Allen），《得到公平》，兰登书屋，纽约，1971，第33页。

[13]　如果我们忘记关于暴胀是多样性的创造者，并且只是设想宇宙是无穷的和随机的，那么，某些地点变化无限频繁，就必定会产生具有支持生命特征的一些大区域。我们必在它们中的一个区域居住。可是一些大的有序的区域比之小的区域应有更少得多的可能，且暴胀提出一种机制，可解释为什么大的有序的区域会以高的概率生成。

[14]　克拉克（A. C. Clarke），“黑暗的屏障”，载《超科学的故事》，收集于《天空的另一边》，赛内特出版社，纽约，1959，第4章。这个故事写于1946年而第一次发表于1949年。

[15]　林德（A. Linde），“自复制中的暴胀宇宙”，载《科学美国人》，5，32（1994年5月号）。

[16]　关于发现的促进因素，如果可能有的话，那就是避免偶然去做。

[17]　哈里森（E. R. Harrison），“自然选择的宇宙包含有智能生命”，《皇家天文学会季刊》，36，193（1995）。虽然作者认为大自然的常数的智能转折就是宇宙的“自然选择”，它实际上是“非自然的”选择或者“受迫培育”的宇宙具有所希望的特征。

[18]　斯莫林（L. Smolin），《宇宙的生命》，牛津大学出版社，纽约，1995。

[19]　当物质坍塌进入密度无限大的奇点状态时，大自然的常数这个观念是要“再处理的”，例如当一个封闭宇宙坍塌且跳回到膨胀状态情况时，这是惠勒（John A. Wheeler）首先建议的；参阅C. Misner, K. Thorne和J. A. Wheeler，《引力》，W·H·弗里曼出版社，旧金山，1972，最后一章。

[20]　这相当像一个演化系统的长期激烈竞争的状态，而相对于常数数值达到某个局域极大的情况，则像获得演化上稳定的策略，此时任何偏离这个状态会使至少一个参与者的处境更糟；参阅例如史密斯（J. Maynard Smith），《演化的遗传学》，牛津大学出版社，伦敦，1989。

[21]　显然，这个情景需要宇宙应该是封闭的以至它能在未来坍塌。

[22]　假定除了靠在奇点的变化而没有其他途径能使常数改变它们的数值。

[23]　在任意的循环中宇宙的总能量实际上是零。

[24]　美国宇宙学家托尔曼（R. C. Tolman）在两篇文章中首先注意到这点，这两篇文章是“论宇宙作为一个整体的熵问题”，载《物理学评论》，37，1639（1931）以及“关于宇宙周期性行为的理论条件”，载《物理学评论》，38，1758（1931）。

[25]　J·D·巴罗和M·达布罗夫斯基，“振荡的宇宙”，载《皇家天文学会月报》，275，850（1995）。

[26]　雷莫（C. Raymo），《怀疑论者和真信仰者》，兰登书屋，纽约，1999，第221页。

(1)　圣安塞姆（Anselm），欧洲中世纪神学家，1093年任英国坎特伯雷大主教，主要著作有《上帝为何化身为人》。——译者