人择原理在宇宙学中的应用

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人择原理是20世纪60年代美国物理学家迪克(Robert Dicke)等人提出的关于人与所在宇宙关系的学说,其要点是“选择效应”,即人类对自己所处的宇宙有选择作用,宇宙之所以是这个样子,是因为存在着人在观测它。尽管关于人择原理的科学意义有很多争议,但是它在现代宇宙学中还是产生了一定的影响。人择原理涉及人在宇宙的位置问题,这一问题自古以来就是宇宙学的中心问题。现代宇宙学的研究中,人择原理的影响到处存在,同宇宙学最前沿的研究密切相关。例如霍金对人择原理就有很多思考。人择原理作为一种思考方式对宇宙学问题的提出和解释也起了启发作用。本文研究人择原理在现代宇宙学中的应用,考察科学家如何运用人择原理来解释宇宙基本参数以及宇宙整体结构,宇宙初始条件等问题。  首先,本文考察人择原理在广义相对论的框架下的宇宙学中的应用。这主要涉及“宇宙的微调”,即在宇宙基本参数、宇宙整体结构和宇宙初始条件的选择上人择原理如何被使用。关于宇宙参数问题,人择原理的要点是:宇宙的基本常数如物质密度等必须满足一定的数值才能使宇宙演化成我们今天观测到的样子。分析卡尔(Bernard Carr)、里斯(Martin Ress)、巴罗(John Barrow)、提普勒(Frank Tipler)等人的工作,发现他们阐述人择原理的主要依据是所谓的“数字巧合”,即描述宇宙结构的几个基本的物理参数之间存在一些特定关系。关于宇宙整体结构,宇宙在大尺度上是各向均匀同性的,那为什么存在星系或恒星这样显然非各向同性的局部区域呢?考察霍金(Stephen Hawking)和柯林斯(BarryCollins)等对这个问题的研究,指出霍金等人运用人择原理转换了宇宙学问题:宇宙开始有各种可能的状态,最终是哪个状态演化为今天观测到的状态,与人存在有关。  其次,本文考察了引入量子力学以后,人择原理与“宇宙集合”学说、无边界假设(宇宙初始条件相关)以及弦理论之间的联系。考察人择原理与多重宇宙思想及多世界诠释的联系,主要涉及林德和霍金等人的研究。人择原理与多重宇宙思想的结合为林德和霍金提供了宇宙学方法论上的启发。林德认为,科学家要求科学定律必需是唯一的和美的心理预设是没有理由的;霍金认为传统的“自下而上(bottom-up)”的研究传统不适合宇宙学研究,“自上而下(top-down)”方式更适合。至于多世界诠释与人择原理的关系,通过考察卡特(Brandon Carter)的工作发现,前者是对后者科学原则上的支持。人择原理与无边界假设的关系,是霍金关于宇宙初始条件问题的进一步探讨。霍金把“宇宙无边界假设”与人择原理结合起来,可以更明确地解释我们今天的宇宙,从而建立了宇宙初始条件问题的一个新的表述框架。人择原理与弦理论之间的关系则颇为复杂。目前来说,弦理论作为统一理论并不能清除科学研究中的人择原理的影响。本文主要考察了霍金和温伯格在这方面的工作。霍金认为人择原理为弦理论原本10维时空却呈现如今我们观察到的4维时空提供了解释;而温伯格在弦理论物理学家试图把人择原理清除出科学研究的过程中发现人择原理无法清除,弦理论无法解释的宇宙学常数问题,而人择原理不失为一种新的考量。  能否预言是判断一个理论是不是科学理论的重要标志。本文通过人择原理的三个预言案例探讨这个问题:时间尺度和时间方向统一性的预测;碳-12共振态以及能阶大小的预言;宇宙学常数问题中真空能密度上限的预测。尽管对人择原理能否成为科学理论还有争议,但是这些案例都表明,科学家都是在运用人择原理,严肃思考宇宙学中的前沿问题。  本文对人择原理在宇宙学中的运用的历史考察表明,现代宇宙学,无论是研究目标,还是研究方法,还是研究的问题和视角,都有人择原理思想在其中的影响和作用。
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