人擇原理並非一無是處,它在某些時候也可以指導科學

2020-07-19     惜文說科技

原標題:人擇原理並非一無是處,它在某些時候也可以指導科學

宇宙經歷了137億年的時間才形成了我們的可見宇宙,而在地球上,生命也已經有了40億年的進化歷史,我們人類才得以出現!生命乃至我們人類,貌似是宇宙演化的必然結果,因為按照我們目前所知的物理定律,宇宙中形成的一切都是必然的!所以這一切的關鍵就在這些掌控宇宙的物理定律上,你可以理解為:基本法則?遊戲規則?說明書?

物理定律可以使一切事物以人們所觀察到的方式發生。

不同的物理定理會導致不同的宇宙,因此宇宙並不一定非要是現在這個樣子,物理學定律也並不一定非要是我們所掌握的情況,例如:萬有引力常數是其他常數?粒子在能量和時間,位置和動量上具有我們所觀察到的特定值?力具有它們所具有的精確耦合常數?

這就會讓人不由得想到一些奇奇怪怪的問題,自然界中的常數擁有目前所擁有的值是否有某種特殊意義?以及宇宙是否出於某種需要而擁有這些特定值?

在我們思考宇宙的時候,有一些顯而易見、無可爭辯的科學真理就擺在我們面前。恆星和星系確實存在,它們是由萬有引力結合在一起的。在地球上,存在著各種各樣的元素,而且各種元素都有特定的丰度。最最令人費解的是,我們人類也切切實實的存在著,掌握宇宙的這些物理定律也是人類發現並且總結起來的,而且我們又反過來問,宇宙為何是現在這樣樣子?為何是這樣的物理定律而不是其他?

所有將以上的種種疑問綜合起來,就可以得出關於整個宇宙,一個非常簡單的邏輯結論:宇宙,以及宇宙中存在的一切,都必須受到已知物理定律的支配,而物理定律可以使一切事物以人們所觀察到的方式發生。

人擇原理

例如,我們不能生活在一個禁止物質存在的宇宙中;因為物質被觀察到是存在的,所以宇宙的存在必須是現在這個樣的:在宇宙過去的某個時刻,物質的產生是必然的。我們觀測到宇宙的年齡有137億年的歷史,所以任何一個宇宙模型,如果它的宇宙年齡小於137億年,都將被排除在外。我們不能生存在一個沒有重元素,或者是沒有碳、氮、氧這些元素的世界,因為這是構成我們基石,它們如論如何都必須存在!

這些例子看起來很簡單,不言而喻,甚至不值一提,但是這種推理方法是我們理解宇宙唯一可用的推理方法。因為我們人類存在,我們身處的宇宙就必須是現在這樣樣子的,物理常數也應該是它現在所擁有的值,宇宙的歷史也應該按照這樣的物理定律展開。這種推理方法有一個特殊的名字:人擇原理。

人擇原理在某些時候可以指導科學

從宇宙學的歷史上看,只有兩個實例正確地應用了這一理論,因為當時沒有其他途徑的證據來推動我們對宇宙的理解。所以我們就可以用人擇原理來大膽的推測某些事一定會發生,確實存在!某些事不可能發生,因為它發生了就不存在這個世界!就這麼簡單。

第一個實例是:當我們認識到恆星是怎麼發光發熱的,重元素是怎麼來的,一切都是來自恆星的核聚變,核聚變是通過質子-質子鏈的鏈式反應發生的。

通過恆星的核聚變可以產生大量的氦-4(由兩個質子和兩個中子結合在一起的原子核);那麼,地球上有其他88種自然存在的元素,這些較重的元素從何而來?它們一定是以某種方式被創造出來的,但是有一個問題:我們不能在氦-4原子核上加上一個質子,因為沒有穩定的質量為5的原子核,也不能在原子核上再加上一個氦-4原子核,因為也沒有穩定的質量為8的原子核。那麼如何製造更重的元素呢?

答案來自於從未獲得過諾貝爾獎的偉大科學家——弗雷德·霍伊爾。

霍伊爾認為,地球上碳儲量豐富,這是我們觀察到的實際情況,如果不能大量的產生碳元素,那麼氮、氧以及其他重元素也不會產生,生命也不可能存在!所以必須有辦法將三個氦核同時結合在一起,從而形成碳-12。如果我們把兩個氦-4原子結合起來,就會得到鈹-8,鈹-8非常不穩定,在短短的10^-17秒後就會衰變。如果能在鈹-8還沒衰變的時候很快與第三個氦-4融合,就有可能形成碳。在理論上,這個過程被稱為3α過程,因為氦-4原子核就是α粒子。

這個推理的唯一問題是,碳-12的質量與三個氦-4原子的質量不匹配,碳-12的質量明顯變輕了很多。霍伊爾大膽預測,從三個氦-4到碳-12,中間應當有一個富含能量的碳-12激發態(這種形式的碳僅包含三個連接非常鬆散的氦核)。他當時並沒有直接的證據,但是碳-12必須從核聚變中形成,因為這一切確實存在啊!

後來的事實證明這種狀態確實存在,與霍伊爾預測的性質完全一致,現在被稱為霍伊爾狀態,這是利用人擇原理取得的最偉大的科學成就。

第二個,就是我們的宇宙空間中的內在能量,也被稱為真空能量或者宇宙常數,它不受物理定律的限制,我們還知道真空能量決定了宇宙的膨脹率!

如果我們根據已知的物理定律、基本常數(普朗克常數、引力常數和光的速度)對真空能量做一個數量級的估計,我們得到了一個非常大的數字。如果宇宙常數真的是這個值,不管是正還是負,我們宇宙都不會是現在這樣樣子,要麼膨脹到死寂,要麼在宇宙剛誕生的第一飛秒就重新塌縮在一起。如果宇宙常數(或真空能量)的值不為零,那麼這個值的大小必須小於「預期」值的10-120倍,因為宇宙萬物必須存在,人類也必須存在!

史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)在1987年做出的這一預測,在1998年得到了驗證,當時最終測量出的數值比該數值小10-122倍,而且最終為正,這就是我們熟知的哈勃膨脹率!

總結:人擇原理並不能替代科學

這就是人擇原理在過去的科學中發揮的作用,唯一的依據就是我們現在所處的宇宙現狀,我們觀察到的必須存在!但是人擇原理並不會告訴我們這一切是為什麼?

我們只有在沒有更好的數據或觀測為我們指明方向時,才會用人擇原理來指導科學。

但是用人擇原理來證明宇宙存在的方式是不科學的。它只能告訴我們已經發生的事情,並不能完全替代物理學,也無法解釋為什麼我們的物理常數具有它特定的數值!

就科學而言,我們在宇宙中的存在是一種無法辯駁的科學真理。我們可以通過理解宇宙必須以一種讓我們存在的方式存在,從而幫助我們更加深入地了解宇宙。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-tw/uRplZ3MBnkjnB-0zHN2S.html