飛碟探索 2016-11-16 06:40:28 


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　　量子宇宙學(xué)、M 理論與人擇原理

　　文/ 史蒂芬·威廉·霍金

　　譯/ 康寧

　　這次講座是我與尼爾? 圖洛克和哈維? 里爾一起合作的成果，我將根據(jù)M 理論來描述我理解的量子宇宙學(xué)的理論框架。講座中我運用無邊界假設(shè)， 認為如果我們想從M理論允許的所有解決方案中選擇一種代表我們的宇宙，那么人擇原理是必不可少的。

　　宇宙學(xué)曾被認為是一門偽科學(xué)，是一個沒有可靠觀察數(shù)據(jù)支持的荒唐猜測的領(lǐng)域。現(xiàn)在我們有了許許多多觀測數(shù)據(jù)，對宇宙的進化也有了趨于一致的看法。但是由于宇宙學(xué)不具有預(yù)測能力，從這一方面講，它仍然不能算作真正的科學(xué)。我們的觀測數(shù)據(jù)能告訴我們宇宙現(xiàn)在的情形，并且可以用公式反向推導(dǎo)出早期宇宙的狀況。但是所有這些數(shù)據(jù)僅能告訴我們宇宙現(xiàn)在的狀況，因為它的過去已經(jīng)存在于那里了。進一步說，想要成為一門真正的科學(xué)，宇宙學(xué)的研究必須能夠預(yù)測出未來宇宙的情形。同其他科學(xué)一樣，我們也要用觀察結(jié)果來驗證做出的預(yù)測。奇點定理使宇宙學(xué)預(yù)測變得異常困難，這一點羅杰?彭羅斯和我已經(jīng)證明。奇點定理表明， 如果廣義相對論是正確的，宇宙就會起源于一個奇點。當然， 在把量子引力效應(yīng)考慮在內(nèi)的情況下，我們就會看到經(jīng)典廣義相對論在一個奇點附近被打破。所以奇點定理真正告訴我們的是，宇宙曾起源于量子，如果我們想去預(yù)測當今宇宙的運行狀況，那我們必須擁有一套量子宇宙學(xué)理論。

　　量子宇宙學(xué)理論有三個方面，其一是時空中“場”所遵守的局部原理， 其二是“場” 的邊界條件。我認為人擇原理是量子宇宙學(xué)的第三個基本要素。就局部原理而言，我們目前已知的、解釋引力的最好并且唯一不相矛盾的方法是時空曲率。這個理論必須結(jié)合超對稱理論，否則，所有模型中不能消除的真空能量會把時空彎曲到一個微小的球體中。至少在1 9 8 5年之前，這兩個必備條件似乎都指向了超引力原理。但是接下來科學(xué)界風(fēng)向突變，人們宣稱超引力只不過是一個低能效理論，因為更高層的圈環(huán)可能會分化，盡管沒有人能夠計算出一個八環(huán)圖。相反，最基礎(chǔ)的理論被認為是超弦理論，超弦對所有圈環(huán)來說都是有限的。但是研究結(jié)果表明這些弦只是一個種類，一種更廣泛的延伸物體，被稱為P- 膜。人們很自然地接受并采納P- 膜“民主原則”，即所有P- 膜“生而平等”。然而當p ＞1時，P- 膜的量子理論將會漸變成高階圈環(huán)。

　　我認為我們應(yīng)該將這些圈環(huán)分化看成是攝動理論的失敗，而不能當作超引力理論的失敗。在規(guī)范場論中，我們知道攝動理論在強耦合的情況下會被推翻。在量子引力中，規(guī)范耦合的作用由粒子的能量來發(fā)揮。在一個量子圈，一個粒子融入另一個……所以人們會看到攝動理論在瓦解。

　　在規(guī)范場論中，我們經(jīng)常會用二象性把強耦合理論（該理論下攝動理論無效）與弱耦合理論（該理論下攝動理論有效）相聯(lián)系。這種聯(lián)系和引力中紫外線與紅外線相切之間的關(guān)系相似，并且符合反德西特時空理論和共形場理論的相互作用。因此我不會擔心更高級的圈環(huán)分化，我們可以用十一維超引力來描述宇宙現(xiàn)今的情形。在2 0世紀8 0年代認為超引力為垃圾理論而不愿意承認其正確性的人們看來，這通常也被稱為M 理論。事實上，正如我要展現(xiàn)給大家的那樣，這似乎表明宇宙的起源存在于與一階攝動理論非常接近的機制中。

　　量子宇宙學(xué)的第二個支柱是局部理論的邊界條件。邊界條件有三種可能的理論：前大爆炸學(xué)說、隧道假說及無邊界假設(shè)。

　　前大爆炸學(xué)說認為邊界條件存在于無限延伸的過去中的某種真空態(tài)，但是如果這個真空態(tài)發(fā)展成為我們現(xiàn)居的宇宙，那它肯定是不穩(wěn)定的。如果它是不穩(wěn)定的，那它也不會形成一個真空態(tài)，更不會在其變得不穩(wěn)定之前在無限延伸的時間里持續(xù)。

　　量子隧道假說其實并不能算是時空場的邊界條件，而是惠勒?德威特方程的邊界條件。但是惠勒?德威特方程作用于一個超曲面上所有場的無限維空間，該方程也沒有明確的定義。并且，本來被上帝或愛因斯坦整合在一起的3 1或1 0 1被分裂開來。因此我認為，不管是前大爆炸學(xué)說還是量子隧道假說都不可行。

　　想要確定宇宙中發(fā)生了什么，我們需要明確場配置上的邊界條件。場配置是由路徑積分求和獲得的配置。一個自然選擇是使用歐幾里得漸進度量指標，或者反德西特時空維漸進度量指標，這些可以作為散射計算的相關(guān)邊界條件。散射計算的方法是從無限空間里發(fā)送粒子，測定其反射回的數(shù)值。然而，這些并不能算作宇宙學(xué)中合理的邊界條件。

　　我們沒有理由相信宇宙是歐幾里得漸進或反德西特時空維漸進；即使真是這樣，我們也不關(guān)心無限時空方面的探測。我們關(guān)注的是內(nèi)部有限區(qū)域中的測量。這些測量結(jié)果將會對無邊界的緊致度量指標有所貢獻。在拉格朗日函數(shù)計算方法中，緊致度量空間被用來求積分，因此這些貢獻在路徑積分中會得到明確定義。相反，在非緊致度量空間或者是與無限狀態(tài)下的單一度量空間的表面，或奇點上，我們可以在表面項上增加任意的量，因此可以采用詹姆? 哈特爾和我共同提出來的無邊界假設(shè)。宇宙量子態(tài)是歐幾里得依據(jù)緊致度量空間定義的一個路徑積分，也就是說，宇宙的邊界條件就在于它沒有邊界。

　　度量任意維的緊致利琪平面的指標有很多，其中大都具有高維模型空間，因此十一維超引力或者M 理論都承認有為數(shù)眾多的解和緊致化方法?；蛟S有一些我們還沒有發(fā)現(xiàn)的原理，將可能的模型限制在一個小的子類空間中，但這似乎是不可能的。因此，我認為我們必須使用人擇原理。許多物理學(xué)家不喜歡人擇原理，他們覺得人擇原理模糊、混亂，可以用來解釋一切，并且該原理幾乎沒有預(yù)測能力。我能理解他們的這種感受，但是在量子宇宙學(xué)的研究中，人擇原理有其存在的必要意義。否則，我們?yōu)槭裁磻?yīng)該生活在一個四維時空，而不是十一維或其他維度？人擇原理的回答是，二維空間并不能夠滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)如智慧生命的生存。另外，四維或多維空間意味著重力和電場力的下降速度將會超過平方反比定律。在這種情況下，行星將不會圍繞著它們的恒星沿軌道穩(wěn)定運行，電子也不會繞著原子核沿穩(wěn)定的軌道運行。因此，目前我們知道的智慧生命只能存在于四維時空中。除此之外，我覺得我們找不到一個更合理的非人擇的解釋。

　　人擇原理通?？煞譃槿鹾蛷妰煞N。強人擇原理認為在數(shù)以萬計的宇宙中，每一個物理常數(shù)都有其存在的意義，宇宙必須具備允許智慧生命在其中生存發(fā)展的那些特質(zhì)。弱人擇原理認為，只存在一個單一宇宙，但是有效耦合將會使宇宙以不同的方式演化，以具備讓智慧生物在那些區(qū)域生存的條件。然而，量子宇宙學(xué)和無邊界假設(shè)消除了弱和強人擇原理的分歧。在M 理論或十一維超引力緊致化中，不同的物理常數(shù)對應(yīng)不同的內(nèi)部空間模型。在緊致度量空間的路徑積分上， 有可能產(chǎn)生眾多的模型。相反，如果路徑積分發(fā)生在非緊致度量空間內(nèi)，我們需要明確在無窮遠處模型中的值。但是為什么在無窮遠處的模型中，存在那些能讓智慧生命生存的特定值呢？比如四維非緊致化時空？事實上，人擇原理真正需要的是無邊界假設(shè)，反之亦然。

　　我們可以用貝葉斯統(tǒng)計模型使人擇原理更為精確。

　　我們首先將一組歷史事件的先驗概率設(shè)定為e，減去由無邊界假設(shè)計算出的歐幾里得行為。接下來我們利用歷史事件含有智慧生命這一概率對先驗概率加權(quán)重。作為物理學(xué)家，我們不愿被卷入涉及生物和化學(xué)問題的細節(jié)爭論中，但是我們可以估算出某些特征，作為生命能夠存在于宇宙中的先決條件。這些特征包括星系和恒星的存在，以及我們所能觀測到的物理常數(shù)?；蛟S宇宙中其他區(qū)域也存在某種不同形式的智慧生命，但很可能是一個孤立存在的宇宙空間。因此我將不考慮這種概率，而只是利用含有星系的概率分析先驗概率的權(quán)重。

　　能夠代表一個四維宇宙的最簡單的緊致度量是一個內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)緊湊的四維球體的產(chǎn)物。但是我們生活的世界是在洛倫茲規(guī)范下的度量空間，而非正歐幾里得空間。所以我們必須要繼續(xù)探究解析四維球體度量的復(fù)數(shù)值坐標。

　　接下來介紹幾種獲得這些數(shù)值坐標的方法。

　　我們可以繼續(xù)解析σ 坐標，將其作為中緯線，并相加。這樣可以得到一個洛倫茲度量值，這是一個弗里德曼封閉解。由此我們計算出的是一個封閉的宇宙，這個宇宙坍縮至最小值，然后再以幾何指數(shù)膨脹。

　　我們還可以用另一種方法解析四維球體的度量值。定義t = iσ， 并且Χ = iψ，這樣會計算出一個弗里德曼開放宇宙模型。

　　因此，我們可以根據(jù)無邊界假設(shè)得到一個看似擁有無限空間的宇宙。原因是，我們把德西特空間某個點的光錐內(nèi)部恒定距離的雙曲線當作一個時間坐標。這個點本身及其光錐，當換算系數(shù)趨于0的時候，在弗里德曼模型中會產(chǎn)生大爆炸。這種情況并不局限于這個單一的模型中，相反，時空會繼續(xù)延伸到光錐以外的區(qū)域。這個區(qū)域就是所謂的前大爆炸場景。

　　如果歐幾里得四維球體是渾圓體的話，無論是封閉式的還是開放式的解析，都會在這個球體中永遠膨脹。這就意味著它們永遠也不會形成星系。一個渾圓四維球體運動少，因此比其他同體積的四維度量空間的先驗概率高。然而，我們必須用智慧生命概率（此概率為0）對這個概率加權(quán)重，因此我們沒有必要繼續(xù)研究這個渾圓四維球體。

　　但是，如果這個四維球體不是渾圓體的話，它將繼續(xù)以幾何指數(shù)膨脹，但可能會改變后期的輻射和主導(dǎo)物質(zhì)，從而變得巨大且呈扁平狀。因此這為我們提供了一種機制，即在緊致歐幾里得度量中十一維空間有相似的曲率，在其洛倫茲解析中，其中的四個維度比其他七個更扁平。但是這個機制似乎并不適用于這四個更扁平的維度，所以我們?nèi)匀恍枰萌藫裨砣ソ忉尀槭裁词澜缡撬木S的。

　　半經(jīng)典近似值被證明非常棒，其主要貢獻源于歐幾里得場方程的近似解。所以我們需要在十一維超引力減少至四維超引力的有效場論中，去研究變形的四維球體。為了方便理解，我拿一個單一標量場來描述。

　　標量場φ 具有V 值的勢梯度。在這個區(qū)域里，當φ的梯度變?nèi)鯐r，能量的張量擾動就如同宇宙常數(shù)一樣，λ=8πGV， 其中G 是四維空間中的牛頓萬有引力常數(shù)，因此將會使歐幾里得度量模型彎曲成四維球體。

　　然而，如果場φ 不在Ｖ的一個固定點上，就不可能到處都存在零梯度。這就是說解不可能出現(xiàn)在O5對稱的渾圓四維球體中，而最可能存在于O4對稱里。換句話說，這個解有可能是一個畸形的四維球體。

　　我們可以用函數(shù)β 寫出O4瞬子的度量。在這里，β是一個有恒定距離的三維球體的半徑，這個函數(shù)的瞬子是從北極發(fā)出的。如果這個瞬子是渾圓體的話，β 將是一個正弦函數(shù)，在北極有一個零點，在南極有第二個幾何不動點。然而如果標量場在北極的話，那它肯定不會在一個固定的勢點上，這與四維球體相悖。如果仔細調(diào)整勢在假真空的局部最小值的配比，那我們就極有可能在四維球面上得到一個非奇異解，這就是廣為人知的科爾曼?德盧西亞瞬子。

　　然而，在假真空之外，廣義勢的作用結(jié)果是不同的，標量場將在四維球面上呈幾乎恒定狀態(tài)，但是在南極附近呈發(fā)散狀態(tài)。這種行為是獨立的具有精確形狀的勢，適用于任何多項式的勢，當指數(shù)α＜2時，也適用于任何指數(shù)勢。當換算系數(shù)β 在南極趨于0時，就像距離第三勢一樣。這就意味著南極實際上是四維幾何的一個奇點。然而這是一個非常溫和的奇點，在南極邊界奇點周圍，是一個跟蹤Ｋ項表值的有限值。這就意味著除了奇點之外的四維幾何的擾動行為，是可以明確定義的。因此我們可以計算出微波環(huán)境下的數(shù)值波動，這也是我后面要討論的內(nèi)容。

　　加里格首先發(fā)現(xiàn)了隱藏于奇點行為背后的深層秘密，他指出，如果我們沿著Τ 方向， 在維度尺寸上減少五維歐幾里得-史瓦西，就會得到一個四維幾何和一個標量場。它們和南極瞬子的存在方式一樣。這就是說，南極的奇點可以通過人擇減少維度設(shè)置，使高維空間變成非奇點。這種現(xiàn)象確實普遍存在，當換算系數(shù)β接近第三距離時，內(nèi)部空間數(shù)值將在一個方向上塌縮為0。

　　當我們繼續(xù)解析變形球體為洛倫茲度量時，會發(fā)現(xiàn)一個最初膨脹的開放宇宙空間。

　　我們可以把這種情形比作封閉的德西特宇宙空間中的泡沫，這種方式類似于從科爾曼? 德盧西亞瞬子獲得的宇宙內(nèi)的單一泡沫膨脹。這兩者的不同是，科爾曼?德盧西亞瞬子需要在局部假真空最小值時調(diào)整勢的配比，但是霍金－圖洛克瞬子存在于任何可能的勢中。我們通過對廣義勢的研究，發(fā)現(xiàn)了南極存在奇點。我們繼續(xù)解析洛倫茲時空時，發(fā)現(xiàn)奇點是裸奇點。我們可能以為任何事物都是由這個裸奇點產(chǎn)生的，超越大爆炸光錐，延伸至一個開放的膨脹空間，因此不能預(yù)測接下來要發(fā)生的事情。但是，就像我剛才已經(jīng)提到的那樣，四維空間下的南極奇點是很溫和的，它周圍存在的瞬子擾動是可以被明確定義的。

　　我們可以利用奇點的這種特征，來確定相對瞬子概率、β 數(shù)值以及它周圍的擾動。瞬子本身的活動很弱，但是環(huán)繞它的擾動效應(yīng)會加速瞬子的運動。根據(jù)無邊界假設(shè)，場的配置概率是從e 到負，因此瞬子周圍的擾動比非微繞運動的概率低，這就說明量子的波動是被抑制干擾的，并且這個干擾的作用很大。這與隧道邊界條件不同。

　　該如何用奇異瞬子來解釋我們居住的宇宙呢？盡管熱大爆炸模型可以很好地描述宇宙空間，但是依然有一些特征是無法用其解釋的。

　　首先是各向同性問題。如果這些地區(qū)在過去不是相連通的話，為什么不同地區(qū)的微波天空，其溫度值幾乎一樣？第二，盡管總體各向同性，為什么在相對平譜的條件下，波動值從1 0降到-5？第三，當溫度隨著時間逐漸上升時，物質(zhì)的密度為什么仍然在臨界值附近？第四，為什么在β 對稱函數(shù)中， 當真空能量或有效宇宙常數(shù)變動較小時，預(yù)期值會發(fā)生從1 0 到8 0的大變化？ 

　　事實上，現(xiàn)在的物質(zhì)和真空能量密度可以當成兩個軸平面概率。為了得到更有用的結(jié)果，我們最好處理好物質(zhì)與真空能量的線性組合，這與空間曲率有關(guān)。當物質(zhì)減去真空能量的2倍時，會發(fā)生宇宙減速。

　　膨脹應(yīng)該能夠解決熱大爆炸模型帶來的問題，它確實能夠很好地解釋宇宙的各向同性問題。如果膨脹持續(xù)足夠長的時間，宇宙將成為一個空間平面，這就意味著物質(zhì)和真空能量的總和達到一個臨界值。但膨脹本身，在其他沒有限制的物質(zhì)與真空能量的線性組合中，不能給這兩個因素提供波動振幅。這些組合需要在標量勢中細調(diào)，在沒有初始理論的條件下，我們目前尚不清楚宇宙為什么在初期開始膨脹。

　　我所描述的瞬子預(yù)測到宇宙開始于一個空間平面，正如德西特喜歡的空間狀態(tài)。因此， 回答了第一個問題，宇宙確實是各向同性的。不過要更好地解釋另外三個問題，還是有些難度的。根據(jù)無邊界假設(shè)，瞬子的先驗概率是從e 到負的歐氏作用量。但如果利琪標量為正， 在同向共性集合下的緊密瞬子的作用下，歐式作用量將為負。

　　瞬子越大，數(shù)值就越趨于負，所以先驗概率就越高。因此，如果沒有無邊界假設(shè)，那就會對瞬子有利。在某種程度上，這算是件好事，因為這意味著瞬子在半經(jīng)典理論近似模型中的作用很大。但是，一個較大的瞬子，從北極開始，有一個較低的標量勢，在V 函數(shù)中，如果V 的形式給出，這反過來又意味著一個短時期的膨脹。因此宇宙不可能實現(xiàn)e 指數(shù)遞減，需要確保Ω物質(zhì)，加上λ，等于0。很顯然，在這樣一個空宇宙空間里無法形成星系，智慧生命也無法在此生存發(fā)展，所以我們必須要調(diào)用人擇原理。

　　如果大家對人擇原理感興趣的話，那我們可以用它來解決熱大爆炸產(chǎn)生的微調(diào)問題。這些都是波動的振幅，事實上，現(xiàn)在的真空能量已經(jīng)接近為0。標量擾動的振幅取決于它們的勢及其導(dǎo)數(shù)，在大多數(shù)的勢中， 標量擾動的形式同張量擾動一樣，但它的系數(shù)是張量擾動的1 0倍。簡單來講，我只考慮張量擾動。張量擾動是由度量的量子波動引起的，當它們的共動波長離開地平線發(fā)生膨脹時，振幅就會凍結(jié)。

　　在普朗克單位里，張量擾動的振幅遠超地平線。共動長波離開地平線后，產(chǎn)生膨脹，因此在返回地平線時，張量擾動的光譜會隨著波長緩慢增長，光譜的最大值將超過瞬子。

　　我們還沒有把人擇的必要條件考慮在內(nèi)，現(xiàn)在的宇宙常數(shù)還很小。在洛倫茲四維空間的設(shè)置中，宇宙常數(shù)是個負數(shù)，因此可以用來抵消因超對稱破缺而產(chǎn)生的正宇宙常數(shù)。超對稱破缺是人擇原理的必要條件，智慧生命在擁有少量粒子的空間中無法生存，因為這些粒子會四處飛散。

　　如果來自超對稱破缺的貢獻不能完全抵消四個負向形式，星系將無法形成，智慧生命也不能在其中生存發(fā)展。因此，我不認為我們能夠不用人擇原理來解釋宇宙常數(shù)。

　　在十一維空間幾何中，四維積分可以存在于任何4個周期，或者是任何7個雙數(shù)周期上，必須是整數(shù)。這就是說，四維積分是量子化的，不能完全用來抵消超對稱破缺。實際上， 當內(nèi)部維度空間尺寸合理時，介入物理常數(shù)的量子會比目前觀測到的大得多。起先，我認為我們遇到了障礙，因為宇宙常數(shù)被人擇控制而取消。但是接下來，我意識到這是一個很大的進展，現(xiàn)有的事實表明，必須要有一個人擇約束條件。

　　但是介入宇宙常數(shù)的量子越大，就意味著解越唯一。這就能解釋我之前提到的低ω 數(shù)值。如果存在幾個不同的解或解集，歐式作用量就會很大程度上取決于瞬子的大小，會使概率偏離到最低ω和波動振幅。這樣在空宇宙空間中只能產(chǎn)生一個星系，而不是我們觀測到的成千上萬個。如果在人擇控制的范圍內(nèi)只有一個瞬子，那么這個向較大瞬子的偏離作用不大。當它們低于ω   ωλ =１時，如果宇宙是這些開放式解析中的一個解的話， 那就與我們觀測到的現(xiàn)象相符合。

　　假設(shè)我們發(fā)現(xiàn)一個模型可以預(yù)測合理的ω，那我們怎么來測定這個值呢？最好的方法是在微波環(huán)境下，觀測光譜波動。這是一場關(guān)于初始瞬子和量子波動的測量。然而我所描述的奇異瞬子，與非奇異科爾曼?德盧西亞瞬子有一個很大的區(qū)別。正如我所說的，圍繞瞬子的量子波動比奇點更容易確定。只有當歐幾里得瞬子擾動遵循在奇點上的狄利克雷邊界條件時，歐幾里得瞬子擾動才具有有限行為。當擾動模式不遵守這個邊界條件時，擾動行為就是無限行為。如果奇點在更高維度上得到解決，狄利克雷邊界條件就會產(chǎn)生。

　　當我們解析洛倫茲時空時，狄利克雷邊界條件表明擾動會反映在奇點時間上。

　　這將對兩點相關(guān)函數(shù)的擾動產(chǎn)生一定影響，但是影響似乎很小。目前我們觀測到的微波波動不能精確檢測這種影響，但是隨著2001年的地圖衛(wèi)星和2006年的普朗克衛(wèi)星的出現(xiàn)，新的觀測數(shù)據(jù)或許能支持這種可能性。因此，無邊界假設(shè)和豌豆粒瞬子才是真正的科學(xué)，有些觀測數(shù)據(jù)可能無法正確解釋這二者，這也是我將要討論的內(nèi)容。



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延伸閱讀：

人擇原理 百度編輯  



人擇宇宙學(xué)原理（簡稱人擇原理）由鮑羅和泰伯拉提出。這條原理很復(fù)雜，但簡而言之，即謂正是人類的存在，才能解釋我們這個宇宙的種種特性，包括各個基本自然常數(shù)。因為宇宙若不是這個樣子，就不會有我們這樣的智慧生命來談?wù)撍?br style="margin: 0px; padding: 0px;">



目錄

1 原理介紹 
2 理論由來 
3 哲學(xué)原理 
4 多種版本 
5 相關(guān)推論 
6 弦理論 
7 批評 
8 摘錄 

   


原理介紹

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人擇宇宙學(xué)原理（簡稱人擇原理）由鮑羅和泰伯拉提出。人擇原理其中又分為弱的人擇原理和強的人擇原理。弱人擇原理認為人們生存在眾多個宇宙演化模型中一個，假如我們不是身處當前這模型，即宇宙會以不同方式演化，我們也不會在這里。強人擇原理就更肯定宇宙一定會生出有智慧生物，不允許宇宙以其他不能夠令我們生存之選擇出現(xiàn)。當我們出現(xiàn)后，文化將會以一種有智慧的形式存在下去并傳遍宇宙，并終會達到極點和其他宇宙進行交流。多數(shù)物理學(xué)家都不大喜歡強人擇原理。[1]  這個原理采取的觀點同完美宇宙學(xué)原理正好相反，宣稱人類是在一個特定時期觀察著宇宙的，盡管當前的宇宙從空間任何點看去顯得一樣。假設(shè)這個特定時期是因為需要產(chǎn)生那些有利于生命演化的特殊條件，比方說，假設(shè)宇宙比當前熾熱得多或稠密得多，星系就不能形成；假如引力的強度和我們的觀測值大不相同，行星系統(tǒng)就不能形成，或不適合于我們所知的生命形式存在?，F(xiàn)已查明，地球的年齡和天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的最老恒星或星系的年齡相仿（頂多差4倍），這畢竟是一個驚人的符合。人擇宇宙學(xué)原理用“許可”來解釋這種相似性。宇宙本來可以比它實際的情形不規(guī)則和無序得多。人擇宇宙學(xué)原理斷言，若是那樣的話，各種條件就不能容許生命存在了。因此，作為觀察者，我們是生活在一個非常特殊的宇宙中，并且這個宇宙必須是均勻各向同性的。“人擇”是一個非?；镜恼摀?jù)，因為它試圖對哥白尼宇宙學(xué)原理作出解釋，而后者幾乎是所有有生命力的宇宙論的核心。

   


理論由來

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首次發(fā)表這個理論的是天文物理學(xué)家布蘭登·卡特，在1973年的紀念哥白尼誕辰500周年的"宇宙理論觀測數(shù)據(jù)"會議上。他的論文中明確闡述的人擇原理，完全站在了所謂的哥白尼原理（并不是由哥白尼提出的）的反面——哥白尼原理否認了人類在宇宙中的特殊地位。（就如同哥白尼所主張的，地球并不是宇宙的中心，如今我們知道太陽是一顆位于典型銀河系的典型恒星。）卡特的論文，“大數(shù)重合與宇宙論中的人擇原理”包含了下列陳述：“雖然我們所處的位置不一定是中心，但不可避免的，在某種程度上處于特殊的地位?！?(IAUS 63 (1974) 291)。

   


哲學(xué)原理

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巴羅和蒂普勒詳細地闡述了看起來無法相信的巧合，這些巧合使我們的宇宙具有特色，并使我們?nèi)祟愡M化。他們認為只有人擇原理能搞清楚這大量的巧合的意義。無論是原子的能量級還是弱核力的精確力量都好像是為了適應(yīng)我們的生存。宇宙中碳基生物的存在可能與一些引數(shù)參數(shù)值有關(guān)，假設(shè)這些參數(shù)值變化很少，那碳基生物就可能不存在了。盡管巴羅和蒂普勒的作品屬于理論物理學(xué)，它仍然討論了化學(xué)和地質(zhì)學(xué)的多種相關(guān)話題。

在1983年，布蘭登修正了他1974年的論文，認為人擇原理在最初的形式上只是要引起天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家的警惕，那就是如果他們沒有考慮觀察者的生物本性所導(dǎo)致的呈上升趨勢的限制，天文學(xué)和宇宙學(xué)的資料翻譯工作將會出現(xiàn)錯誤。反過來，卡特還警告發(fā)展生物學(xué)家，當他們翻譯報告的時候也要考慮天文學(xué)和宇宙學(xué)的因素。由此，卡特總結(jié)，介于對于宇宙年齡的最好估計（當時是150億年，當前是137億年），發(fā)展鏈可能只允許一個或兩個的低可能鏈。A.Feoli和S.Rampone（"強人擇原理是否太弱" 1999)介于宇宙的大小和可能的星球數(shù)量，認為有更多的低可能鏈。有更多的低可能鏈的數(shù)量和生命的出現(xiàn)以及隨后的進化需要智慧設(shè)計不太相符。

觀察宇宙論和量子引力理論的最新著作使得人們對于人擇原理重新感興趣。量子引力試圖把其他的力量統(tǒng)一到引力上。然而，一旦有了有前途的理論，這些理論卻又會出現(xiàn)問題，那就是基本物理常數(shù)是不受限制的。這種觀察的誘導(dǎo)更多地來自于對于數(shù)量的精確估計，比如說是宇宙密度，同時宇宙論里從這個估測中預(yù)測了一個和這個0.3幾乎差不多的結(jié)論。

對于人擇理論有了些不一樣的選擇，大多數(shù)存在一些樂觀的理論認為萬物學(xué)說最終會被發(fā)現(xiàn)，這個學(xué)說聯(lián)合了宇宙中所有的力量，通過獲取所有顆粒的特性而獲得。萬物學(xué)說包括了M-理論和量子引力的多種理論，雖然所有的這些理論都被認為是演繹性的。另一種就是李·斯莫林的宇宙論的自然選擇模型，這也被認為是多重宇宙，這個理論認為如果這些宇宙和我們的宇宙有相同的性質(zhì)的時候，那么這些宇宙就會更豐富。這也能在加德納和他的"利己主義生物宇宙學(xué)假說"中見到。

   


多種版本

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人擇原理的支持者提出，我們之所以活在一個看似調(diào)控得如此準確，以至能孕育我們所知的生命的宇宙之中，是因為如果宇宙不是調(diào)控得如此準確，人類便不會存在，更遑論觀察宇宙。若任何一個基本物理常數(shù)是跟當前的有足夠的差異，那么我們所知的生命便不能存在，更不會有智慧生物去思考宇宙。有論文指出，(弱)人擇原理能解釋精細結(jié)構(gòu)常數(shù)、宇宙的維數(shù)、和宇宙常數(shù)等物理常數(shù)。我們需要分辨人擇原理的弱、強、最終和其他版本，因為字眼上的些微變化便會令含意產(chǎn)生巨大的不同。

1973年英國天體物理學(xué)家布蘭登·卡特（Brandon Carter）在哥白尼誕辰500周年時提出了人擇原理并將其分為兩種：弱人擇原理和強人擇原理。弱人擇原理認為：作為觀察者的我們之所以存在于這個時空位置，是因為這個位置提供了我們存在的可能。強人擇原理則認為：我們的宇宙（同時也包括那些基本的物理常數(shù)）必須允許觀察者在某一階段出現(xiàn)。

卡特提出人擇原理后，很多人對其作了解讀和發(fā)展，其中最引人注目的是宇宙學(xué)家約翰·巴羅（John D. Barrow）和物理學(xué)家弗蘭克·提普勒（Frank J. Tipler）。同時，理論物理學(xué)家斯蒂芬·威廉·霍金也在《時間簡史》一書中提到了人擇原理，他把它稱作“人存原理”。人擇原理被分為三種，弱人擇原理、強人擇原理和終極人擇原理。人們通常使用巴羅等人提出的敘述：

弱人擇原理(Weak anthropic principle (WAP))：物理學(xué)和宇宙學(xué)的所有量的觀測值，不是同等可能的；它們偏愛那些應(yīng)該存在使碳基生命得以進化的地域以及宇宙應(yīng)該足夠年老以便做到這點等等條件所限定的數(shù)值。（約翰·巴羅（John D. Barrow） 和弗蘭克·提普勒（Frank J. Tipler），1986）

強人擇原理(Strong anthropic principle (SAP))：宇宙必須具備允許生命在其某個歷史階段得以在其中發(fā)展的那些性質(zhì)。

最終人擇原理(Final anthropic principle (FAP))：包含智慧的信息處理過程一定會在宇宙中出現(xiàn)，而且，它一旦出現(xiàn)就不會滅亡。

在卡特最初的定義中，弱人擇原理僅僅涉及到確定的“宇宙學(xué)”參數(shù)，即我們在宇宙中空間和時間上的位置，而沒有牽涉到后來屬于強人擇原理的基本物理常數(shù)的值。他同樣也只是提到“觀測者”而不是“碳基生命”。不過這些模棱兩可的話卻是導(dǎo)致無休止的對于各種版本人擇原理誤解的原因。智慧設(shè)計的支持者聲稱得到了強人擇原理的理論支持。

一方面，多宇宙理論或稱為多選擇宇宙理論的存在是基于另一些理由，而弱人擇原理提供了一個貌似正確的理由，來解釋我們宇宙的良好秩序。假定存在可以支援智慧生命的宇宙，那么實際上這種宇宙必定存在，而我們的宇宙無疑也是其中之一。然而，多選擇的智慧設(shè)計并不僅限于多選擇宇宙理論的假定。不過有些進化論的支持者同樣聲稱得到了人擇原理的理論支持，例如Ikeda及Jefferys就認為人擇原理是表面上支持實際上否定了智慧設(shè)計。

   


相關(guān)推論

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在2002年，尼克·博斯特羅提出：“有沒有可能把觀察選擇效應(yīng)總結(jié)成簡單的表述？”他認為這是可能的。但是，許多人擇原理是非常令人疑惑的。特別是一些從卡特的重要論文中得到靈感的，雖然是不錯的，但是他們太缺乏說服力，不能作為真正的科學(xué)作品。尤其是我認為現(xiàn)存的一些方法不允許任何由同時代的宇宙學(xué)理論中得到的觀測結(jié)果，盡管這些理論根據(jù)經(jīng)驗顯然能被而且已經(jīng)被天文學(xué)家檢驗著，一種更充分的關(guān)于觀察選擇效應(yīng)該如何加以考慮的政策才能夠打破這種方法上的鴻溝。

他的自我選樣假定是“你必須把自己想像成一個適合的參考組中的隨機觀察員”，在我們不知道自己在宇宙中所處的位置，甚至不知道我們是誰的前提下，他引伸了人擇原理偏見和人擇原理推論。這也許還能夠成為克服多種認知偏見的方法，這種認知偏見限制了人類天生的觀察以及運用數(shù)學(xué)了解宇宙模型的能力，這在數(shù)學(xué)認知科學(xué)中也有提到。[2]  

   


弦理論

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弦理論預(yù)示著有很多可能的宇宙，被稱為背景或是真空。真空也常被稱作"弦景觀"(string landscape)，李奧納特·蘇士侃認為有了很多的真空的存在時的人擇原理的推論變得非常有力。另一些人，特別是大衛(wèi)·格羅斯、Lubos Motl、Peter Woit， 認為這是沒有預(yù)言性的。在關(guān)于弦景觀的論文中，史蒂分·溫伯格(Steven Weinberg)提出人擇原理是現(xiàn)代科學(xué)的“轉(zhuǎn)折點”。

   


批評

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有些人批評一些形式的人擇原理，他們爭論人擇原理中估計生命的化學(xué)本質(zhì)是碳的化合物和液體水是一種訴諸無知。（有時候被稱為碳沙文主義或生物化學(xué)），允許碳基生物進化的物理常數(shù)的界限也預(yù)想的要少了很多限制。(Stenger 2000).弱人擇原理的支持者和反對者都批評他是一種贅述。它陳述的不是些容易理解的東西而是些瑣碎的真理。

人擇原理的討論暗暗假設(shè)了，若我們有能力思考宇宙學(xué)，那么一些基本的物理常數(shù)只能落在特定的區(qū)間。批評者認為這簡直贅述了一個事實，那就是“如果事情本來就是不同的，那它就是不同的”。如果這種批評是成立的，那么弱人擇原理就理所當然變得沒有意義了。因為這就意味著宇宙為了使我們能存在來思考它，它就必須要使自己變得讓我們生存。Peter Schaefer否認了這種觀點，他認為雖然弱人擇原理是講的大家都知道的道理，但卻不能推翻它，因為人們不能因為這個理論本來就是對的就駁斥這個理論。還有，很顯然，人擇原理中強調(diào)的因果關(guān)系的方向是錯誤的。

人類進化是為了適應(yīng)當前的宇宙、宇宙常數(shù)和所有的一切，而不是宇宙適應(yīng)人類，那就是說是因為我們適應(yīng)了宇宙，宇宙卻不是專門為了適應(yīng)我們的。強人擇原理的批評者認為它既不是可試驗的也不是可證偽的。FAP在最終人擇原理中被詳盡的討論了。巴羅和蒂普勒（1986）認為雖然最終人擇原理是一個站得住腳的物理學(xué)觀點，它也還是“和道德價值非常接近”?；艚鹫J為我們所處的宇宙并不如人擇原理的擁護者所說得這般“特別”。他認為有98%的可能，一個宇宙大爆炸會產(chǎn)生同我們一樣的宇宙。然而，諸如霍金所使用的這些方程式是否能得出這樣的結(jié)論，什么樣的宇宙可被稱為是“和我們一樣”，這些問題在科學(xué)上都是重要的。

霍金的波函數(shù)陳述了宇宙在與比它先出現(xiàn)的事物沒有聯(lián)系的情況下是如何形成的，也就是說，它是怎樣從零產(chǎn)生的。然而，從2004年起，這個理論就在不斷地被爭論，而且，正如霍金在1988年所寫的，“是什么打破了這種平衡從而創(chuàng)造了一個宇宙去解釋它們？……為什么宇宙要不遺余力地去打擾現(xiàn)有的東西？”“從無到有”是形而上學(xué)的一個根本問題。

   


摘錄

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宇宙學(xué)新疆域（FRONTIERS OF UNIVERSE）

[美]艾薩克．阿西莫夫　著

卞毓麟 何妙?！∽g

為何事物如現(xiàn)在那樣

（異調(diào)注：本文中的“人類學(xué)原理”，“強人類學(xué)原理”和“弱人類學(xué)原理”，一般翻譯為“人擇原理”，“強人擇原理”和“弱人擇原理”。）

1988年11月，科學(xué)家們就一直討論多年的論題——人類學(xué)的原理，召開了一次極有權(quán)威的科學(xué)會議。

“人類學(xué)的”（Anthropic）一詞源于希臘語，意思是“與人有關(guān)的”。人類學(xué)原理試圖強調(diào)人類，作為目擊者，對宇宙的真正存在來說是必需的。

也許看來它的反面是正確的。我們是在一顆普通恒星的一個小的行星上，而這顆恒星湮沒于包含了幾千億顆恒星的一個星系里，還有另外的恒星在其他1000億個星系里。為什么如此無法想象的龐大的一個宇宙居然僅為我們而存在？

答案則是宇宙越小，它膨脹然后收縮而絕滅所需的時間就越少。對我們來說，為了取得進化時間，宇宙必須像它現(xiàn)在那樣大。

此外，自然規(guī)律使得原子能夠形成。假如這些規(guī)律稍有不同，原子便不可能形成。而且，大爆炸以后有過的經(jīng)歷似乎使恒星和星系得以形成。稍有差異原本就會使它們的形成變?yōu)椴豢赡?。要不是原子、恒星和星系剛好能形成的話，那么我們自己就不可能形成?br style="margin: 0px; padding: 0px;">
甚至說到地球，地球軌道或太陽質(zhì)量的略微變化便會使地球無法居住。即使它能居住，其物質(zhì)的組成和化學(xué)性質(zhì)的微小改變——例如，假如水變成冰時并不膨脹，或者假如碳原子不能彼此鉤連在一起的話——將會使生命成為不可能。

量子理論也使得我們好像是必不可少的。根據(jù)量子理論，在有些情況下，我們實際上只有直到觀測到電子時才可能辨別它在做什么。當沒有觀測到電子時，即使理論上也不可能推斷它在做什么。某些科學(xué)家認為這意味著如果沒有目擊者，宇宙便不會存在。

按照這個理論，宇宙必須有目擊者，而且自始至終必須有目擊者。但另一方面，直到宇宙150億歲時，最早的人類才進化?？铸堅匈Y格當目擊者嗎？直到宇宙 100億歲時，地球本身才形成。這是否意味著在其他行星上有別的形式的生命曾作見證？否則它是否意味著宇宙是上帝僅僅為了人類的利益而創(chuàng)造的？而且那個上帝從頭到尾是宇宙永恒的監(jiān)護人嗎？根據(jù)“強人類學(xué)原理”，這個假定似乎是必然的。

然而，大多數(shù)科學(xué)家更喜歡“弱人類學(xué)原理”。為了理解其意義是什么，請你考慮一下這個問題：為何你的耳朵就具有它們現(xiàn)在所有的形狀和位置？答案也許是使得眼鏡能配戴在耳朵上。假如那樣的話，耳朵必須存在且必須在它們現(xiàn)在的地方，而這正是眼鏡的存在所決定的。

但它是從相反方向來理解的。眼鏡被設(shè)計來適合耳朵，而不是反過來。假如耳朵長在別的地方或根本就不存在的話，那么就會以不同的樣式設(shè)計眼鏡。

同樣情況，有可能存在無限多的宇宙，每個宇宙具有一組不同的自然規(guī)律?；蛟S這無限多的宇宙中，除了一個之外，其余的宇宙所具有的自然規(guī)律都不容許生命存在。而僅有一個宇宙里，其自然規(guī)律確實考慮到了生命的存在。

這一個宇宙就應(yīng)是我們的宇宙，而我們就在其中經(jīng)歷了進化，然后對這個宇宙顯得多么恰好地適合于我們感到驚異。但這實在與我們毫無關(guān)系。我們發(fā)覺我們的宇宙的完美僅僅因為它是唯一的我們能在其中生存的宇宙。多半，在其他的生命（如我們所知的）不可能存在的宇宙里，別的種類的生命或別的類型的無法想象的現(xiàn)象也許會盛行。而且這些生命或現(xiàn)象中的每一種，若具有驚奇的能力的話，便會驚奇為何它們的宇宙顯得如此適合于它們。

我們怎樣能斷定這種弱人類學(xué)原理是否正確呢？畢竟，我們自己的宇宙是我們所能觀測的唯一一個宇宙。一位意大利科學(xué)家E·W·賽阿默（E. W. Sciama）曾提出一個建議。

要是有無數(shù)個宇宙的話，那么可能有許多宇宙足夠接近完美而容許我們這種生命生存。我們的宇宙應(yīng)只是它們中的一個，且它也許不是最臻于完美的。

要是我們更多地了解我們的宇宙，要是我們能作比至今已作的更精密的測量，我們能比現(xiàn)在更多地認識到生命及其需求，我們會知道我們的宇宙并不是十分完美的。我們甚至可借助修正這個自然規(guī)律的精確形式或那個常數(shù)的精確值，設(shè)法設(shè)計（在腦海里）一個比我們的宇宙更合適的宇宙。

要是我們自己的宇宙顯得有點不完美的話，更可能的情況是只有很少的宇宙能適合于我們。這便使弱人類學(xué)原理似乎更可能些，而這便是反對強人類學(xué)原理的一個論點。