29.7: 人类学原理

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 列举宇宙的一些特性，如果不同，这些属性会阻碍人类的发展

尽管存在不确定性，但我们必须承认，我们所描绘的关于宇宙演变的画面非常了不起。 有了新的望远镜，我们已经开始收集足够的观测证据，我们可以描述宇宙在膨胀开始后不到一秒钟内是如何演变的。 尽管这是一项令人印象深刻的成就，但宇宙中仍有一些我们无法解释的特征。 但是，事实证明，如果这些特征有什么不同，我们就不会在这里问它们了。 让我们来看看其中的一些 “幸运事故”，首先是宇宙微波背景（CMB）的观测。

幸运事故

正如我们在本章中所描述的那样，CMB 是宇宙存在几十万年时发射的辐射。 观测结果表明，辐射的温度因区域而异，通常差异约为一千万分之一度，而这些温差表示密度的差异很小。 但是假设早期密度的微小波动要小得多。 然后计算表明，它们附近的重力会很小，以至于永远不会形成任何星系。

如果密度的波动要大得多怎么办？ 然后，非常密集的区域可能会凝结，而这些区域只会直接崩溃成黑洞，而不会形成星系和恒星。 即使星系能够在这样的宇宙中形成，太空也会充满强烈的 X 射线和伽玛射线，生命形式也很难发育和存活。 星系中恒星的密度会很高，以至于它们之间的相互作用和碰撞会频繁发生。 在这样的宇宙中，任何行星系统都很少能存活足够长的时间来发育生命。

因此，要使我们来到这里，密度波动必须 “恰到好处” ——不要太大，也不要太小。

另一个幸运的事故是，宇宙在膨胀和收缩之间取得了很好的平衡。 它正在扩大，但速度非常缓慢。 如果扩张速度要快得多，那么在星系形成之前，所有物质都会变薄。 如果一切都以慢得多的速度扩张，那么重力就会 “赢了”。 扩张本来会逆转，所有的物质都会重新崩溃，可能变成一个黑洞 —— 再说一遍，没有恒星，没有行星，没有生命。

地球上生命的发展取决于更幸运的巧合。 如果最初物质和反物质以完全相等的比例存在，那么所有物质都会被消灭并转化为纯能量。 我们的存在归功于这样一个事实，那就是物质比反物质多一点。 （在大部分物质与等量的反物质接触并转化为能量之后，肯定还存在少量的额外物质。 我们都是那个 “不平衡” 问题的后代。）

如果核聚变反应的发生速度比实际速度快一些，那么在最初的火球出现时，所有物质都会从氢气转化为氦气转化为碳，然后一直转化为铁（最稳定的原子核）。 这意味着不会形成任何恒星，因为恒星的存在取决于有轻元素可以在主序列阶段进行聚变并使恒星发光。 此外，原子核的结构必须恰到好处，才能使三个氦原子很容易聚集在一起，融合碳，而碳是生命的基础。 如果我们在 “从青春期到晚年的恒星” 一章中讨论的三α过程不太可能，那么就不会形成足够的碳来产生我们所知道的生物学。 同时，要将碳融合到氧气中必须足够困难，才能使大量的碳存活数十亿年。

还有其他因素促成了生活，比如我们成为可能。 中微子必须以恰到好处的速度与物质的相互作用，尽管这种相互作用并不频繁。 当中微子逃离崩溃恒星的核心，将部分能量沉积在周围的恒星包络中，然后使其爆炸并进入太空时，就会发生超新星爆炸。 在这种爆炸中喷出的重元素是地球生命的重要组成部分。 如果中微子根本不与物质相互作用，它们就可以在不引起爆炸的情况下逃离崩溃恒星的核心。 如果中微子与物质发生强烈的相互作用，它们将继续被困在恒星核心中。 无论哪种情况，重元素都会被锁在倒塌的恒星内。

如果重力是一种比现在强得多的力，那么恒星的形成质量要小得多，它们的寿命将以年而不是数十亿年为单位来衡量。 另一方面，如果重力是一种更强的力量，化学过程就不会加快，因此，在恒星寿命如此短的情况下，生命就没有时间发育。 即使生命确实是在重力更强的宇宙中发育的，生命形式也必须很小，否则它们无法站起来或四处移动。

必须是什么，必须是什么

总而言之，我们看到，宇宙中的一套特定的规则和条件使地球上的复杂性和生命得以发展。 到目前为止，我们还没有理论可以解释为什么会出现这组 “正确” 的条件。 出于这个原因，许多科学家开始接受我们称之为人类学原理的概念，也就是说，我们观察的物理定律必须是原样，正是因为这些定律是允许人类存在的唯一定律。

一些科学家推测，我们的宇宙只是无数宇宙中的一个，每个宇宙都有不同的物理定律——这个概念有时被称为多元宇宙。 其中一些宇宙可能已经死产，在任何结构形成之前就崩溃了。 其他星系的扩张速度可能如此之快，以至于它们基本上没有特征，没有恒星和星系。 换句话说，可能有一个更大的多元宇宙，它包含了我们自己的宇宙和许多其他宇宙。 这个多元宇宙（可能存在于我们可以意识到的更多维度中）是无限和永恒的；它产生了许多许多膨胀区域，每个区域都演变成一个单独的宇宙，这可能与其他任何独立的宇宙完全不同。 我们的宇宙之所以如此，是因为它是唯一可能的方式，让像我们这样的人在其中发现它的特性并提出这样的问题。

多元宇宙

观看加州大学安东尼·阿吉雷博士2011年关于多元宇宙和宇宙通货膨胀的介绍性演讲，这是硅谷天文学系列讲座的一部分。

多重宇宙和宇宙通货膨胀：探索了解我们的宇宙（并寻找其他宇宙）

很难知道如何检验这些想法，因为我们永远无法与任何其他宇宙接触。 对于大多数科学家来说，我们在本节中的讨论以哲学和形而上学为界。 也许将来我们对物理学的理解会发展到这样的地步：我们可以知道为什么引力常数如此强大，为什么宇宙正以目前的速度膨胀，以及所有其他 “幸运事故” 发生的原因——为什么它们是不可避免的，可能别无选择。 这样就不再需要这种人类思想了。 但是，没有人知道我们能否解释为什么这个宇宙会像现在这样运作。

我们在穿越宇宙的旅程中已经走了很长一段路。 我们已经学到了很多关于宇宙如何以及何时出现的知识，但是宇宙为何会是这样的问题仍然像以往一样难以捉摸。

摘要

最近，许多宇宙学家指出，人类的存在取决于这样一个事实，即宇宙的许多特性——早期宇宙中密度波动的大小、重力的强度、原子的结构——都恰到好处。 物理定律必须保持原样，否则我们就无法在这里测量物理定律的想法被称为人类学原理。 一些科学家推测，可能存在多元宇宙，而我们的宇宙只是其中之一。

词汇表

人类学原理

认为物理定律必须是原来的样子，否则我们就无法在这里衡量它们

多元宇宙

猜测认为我们的宇宙只是众多宇宙中的一个，每个宇宙都有自己的一套物理定律