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话题

宇宙学

宇宙学

生活,宇宙和一切

03 Oct 2001

研究宇宙中生活中的联系的宇宙主义者和物理常数的价值观曾被其他科学家怀疑。但剑桥最近的一部分高调会议表明,这个主题快速成为学者可敬的人。

明星在制作中

宇宙的某些特征的概念,例如物理常数的值,可能受到智能观察者可能在近40年前的首次出现的要求的限制。这“anthropic principle”从那以后一直是争议(甚至在某些季度在某些季度的激烈的抗病)的焦点。然而,在八月结束时由剑桥发生的会议判断,概念似乎吸引了越来越多的神灵物理学家的兴趣。会议–第一个系列中的第一个由Templeton Foundation提供支持–在剑桥之家举行的马丁雷斯之家之一,最重要的倡导者的倡导者。未来会议将解决受试者的生物学和哲学方面。

什么是人类原则?

有各种各样的人类原则。这“weak”版本接受自然定律以及给予的物理常数的价值,并且声称生命的存在然后对我们观察宇宙的地点和何时施加了选择效果。例如,宇宙的当前年龄不能低于巨大明星的核燃烧时间–否则,对于恒星核酸合作产生的生命是必不可少的化学元素,没有足够的时间。另一方面,宇宙不能比这更大,因为星星会烧掉。这意味着宇宙大致观察到的年龄时才可以存在。这是我们存在的逻辑结果,并且相对令人不安。

The “strong”人体原则的版本表明观察者的存在对物理常数本身施加了限制。换句话说,如果常量接近他们观察到的值,生活只能出现。有些人可能会从这一点推断出一个创造者,为我们的利益而定制宇宙。然而,宇宙学家最近意识到早期宇宙中的进程可以自然地生成了宇宙的集合,每个概况具有不同的常量值。我们住在一个有利于生活的宇宙中。尽管调用多个宇宙是高度投机的,但这使得强大的人类原则从物理观点来看,因为它只是成为弱版本的一个方面。

为了争辩说,宇宙对于观察者的出现进行微调,必须指定谁符合此描述,而不是每个人都同意这一点。 Frandon Carter,首先创造了这个词“anthropic principle”1974年,通过强调该概念可以根据是否包括每个可想象的观察者(包括蚂蚁和外星程序)或果酱,以各种方式通过各种方式进行介绍。他提出了A.“refined”人类原则,其中观察者是“weighted”根据处理的信息量。然而,目前尚不清楚,意识是人类限制的关键特征。其他扬声器强调,许多微调与复杂性的发展有关。

人类原则的证据

随着弗吉尼亚三维强调,早上起床的先决条件是许多而且变化!特别地,生命的存在(或至少我们的特定形式)需要形成结构的层次结构–行星,星星和星系–而且,正如连续的扬声器所指出的那样,这些似乎需要相当特殊的条件。

Carl Murray专注于行星形成。近年来多次过太阳能行星系统的发现表明,我们的太阳系远离独特,虽然他确实强调,仅仅有行星不足以实现生命,因为地球似乎在各种其他方面都很幸运。例如,众所周知,月球作为气候调节器发挥了重要作用。如果月亮要小得多,地球的旋转轴会混乱地改变–导致可能排除生命的出现的灾难性的天气变化。我们太阳系的另一个幸运的方面是外星似乎在内部形成中发挥了重要作用。

我们在地球上的存在可能被认为是薄弱的人类原则的例子。相当有争议的是似乎与星星相关的人类条件。我在我的谈话中讨论了这些涉及无维之间的限制“coupling constants”描述了基本互动的优势–特别是电动细结构常数 a = e2/h-酒吧 c 〜1/137,重力细结构常数 aG = GM.p2/h-酒吧 c = 5 x 10-39,以及弱细结构常数 aW = GM. ec2/h-酒吧3 x 10-10, 在哪里 G 是引力常数, g 费米不变, mp 是质子的质量, h-酒吧是普拉克常数除以2 pi, c 是光速和 me 是电子的质量。

It seems that aG 必须粗略 a20 for both “convective” and “radiative”存在的星星(行星和超新星的先决条件)和大致 aW4 对于中微子,在超新星爆炸中喷射星的封套(对重量的传播所必需的)。这些“coincidences”可能被视为强烈的人类原则的例子。

几个贡献者突出了与星星相关的更引人注目的例子。这涉及强烈的相互作用,涉及在红巨星的氦气燃烧阶段产生碳(我们生活方式的另一种先决条件)。这通过反应发生,其中两个α颗粒团结形成铍核,然后将其与另一种α颗粒组合形成碳。但是,作为较晚的弗雷德霍伊尔(见 弗雷德霍伊尔1915年爵士– 2001 在这个问题中,打印版本)首先指出,在与另一个α粒子相互作用之前,铍将衰减是不用于在这种相互作用中存在显着细化的调谐共振。这一事实有时被呈现为一个人类预测,但是,如Trimble的有趣所指出的,即使在Hoyle建议在实验室中寻求这种共振可能已经证明了这种共鸣。

Heinz Oberhummer更详细地研究了这一共振,举报了一些美丽的工作,展示了红巨星中产生的氧气和碳量如何随核子相互作用的强度和范围而变化。他的作品表明,如果一个人在终身所需的程度上,必须将核互动调整为至少0.5%。

宇宙人类限制

与星系形成相关的人类约束涉及各种宇宙学参数,例如宇宙中的物质的密度,初始密度波动的幅度,光子 - 重孔比和宇宙常数(额外的爱因斯坦介绍术语进入他的宇宙学原因的场方程,可能导致宇宙加速)。这些参数中的一些可能由早期宇宙中的进程确定,而不是作为初始条件的一部分自由规定。然而,正如马林REEE所讨论的那样,即使来自观察到的这些参数的值甚至的偏差也会排除结构的形成,如星系和后续碎片成恒星。

这些论点的一个有趣的扭曲由Anthony Aguirre提供了关于所谓的冷宇宙学模型的人类限制,其中光子与压芳的初始比率(即普通物质等质子和中子)比目前观察得多。他指出,这种模型可以提供生命的条件,其宇宙学参数的值非常不同,以及宇宙中发现的概念。 Rees和Aguire均强调了计算不同宇宙中这些参数的概率分布的重要性,因为这是测试多个宇宙的唯一方法“multiverse”提议。例如,如果密度波动的幅度的分布掉下出慢慢慢慢,我们会感到惊讶地在一个宇宙中,其值如观察到的那么小。

基本常数

在评估人类原则时,一个关键问题是某些基本理论是否最终唯一地确定所有常量或其中一些常量是否存在对称性突破的初始条件或意外特征。在第一种情况下,没有人类的人类原则的空间,人类细小调整必须被视为巧合。在第二种情况下,可能存在人类争论的空间。

首先必须决定哪些物理常数应该被视为基本的。统一理论预测某些常量之间的关系,所以人们肯定不会自由地改变所有这些。 Craig Hogan确定了与四个相互作用相关的耦合常数和一些基本质量尺度(例如电子和上下夸克的质量)是根本的。尽管生物学的特征对这些常数的值不敏感,但稳定原子的存在肯定是化学元素的存在。例如,夸克和电子群体的甚至小变化会使质子,氘代或氢原子不稳定。

会议粒子物理学家对某些基本理论引起的这种调整有多大可能的看法表达了各种看法。正如约翰唐吉厄强调的那样,“fine-tuning”在粒子物理学中的各种不同环境中出现–例如,为什么是宇宙学常量和强烈的电荷 - 平价(CP)违规如此之小? –即使大多数这些都可能没有人类意义。然而,其中一些人和他特别强调的人类限制“真空期望值”HIGGS场的影响,它决定了所有普通颗粒的质量。

至少一些物理参数似乎是偶然的。例如,Frank Wilczek首先让叫光粒的存在“axion”为了解释缺乏CP违规的强烈相互作用,指出,除非与轴域的初始条件相关的角度,否则这些颗粒的密度现在远远大得多。这种大的轴密度与星系的形成不相容–所以是人类人类的不允许。对具有相当密度的轴和轴的轴和放线的唯一合理解释是提前调用“inflationary”宇宙的阶段,它由于宇宙常数效应而导致的阶段呈指数迅速。然后轴角在不同的地方具有不同的值,我们必然生活在该角度非常小的区域中。

大多数物理学家可能更喜欢常数由更传统的物理学确定。那可能有多可能?目前基本理论最喜欢的候选者是字符串模型。这种假设空时是10维(超级理论)或11维(M-Wights),具有四维物理从额外尺寸的压缩中出现。与不包含重力并包含几十个游离参数的粒子物理学的标准模型不同,M-理论可以独特地预测所有基本常数。 Malcolm Perry强调了这一点。然后,唯一的输入将是字符串刻度(与第11维的大小相关)。然而,这种情况可能不是那样清除,因为M-理论只预测真空状态的数量应该是离散的;常量可以在每个人内唯一确定,但在各种状态下可能不同。关键问题是真空状态的数量是否足够大,间距足够小,以允许一些空间进行人类限制。这个问题仍未得到解决。

如果(所谓的)常量在我们的宇宙中随着时间的推移而变化,则会产生新的扭曲。这是在许多统一理论中预期的,因为常量应与紧凑型内尺寸的大小有关,这预计在至少部分宇宙中会发生变化’历史。约翰巴罗进一步采取了这个主题。他是最近声称已经找到了变化的积极证据的团队的一部分 a 通过研究几百个星系中的吸收线(见)大约七个部分(见 当常数不是恒定的时 由克里斯·克里卢利)。他对模拟这种效果的尝试表明 a 在早期时应保持不变“radiation-dominated”宇宙的阶段和迟到“curvature-dominated” or “宇宙 - 常数主导” phases. However, a 可以在中间问题占主导地位阶段变化,这将使难以满足人类限制 a 如果曲率或宇宙恒定太接近零,则延长一段时间。

量子宇宙学

许多宇宙学家现在认真对待人类原则的一个原因是“many worlds”量子力学的解释似乎是讨论的唯一明智的背景“quantum cosmology” –物理学的分支试图描述大爆炸附近发生的事情。正如Jim Hartle强调的那样,量子理论允许许多相互不相容的历史。然而,考虑导致我们今天观察到的经典行为的初始条件只有意义。 (完全无知的初始条件,量子波动可能是任意大的,并且古典世界的出现是不可能的。)在这种限制中,量子宇宙允许许多不同的世界或者“branches”,所有具有不同的常量值,这验证了强烈的人际原则。

尽管如此,宇宙科学家现在对不同世界的意见有广泛的看法。安德烈林德和亚历克斯维林金援引“eternal”通货膨胀,宇宙永恒自我复制。这种通货膨胀版本预测可能存在无限数量的呈指数大域–所有与不同的低能量物理和不同耦合常数的定律。实际上,林德认为通货膨胀是人类论据的唯一合理的基础。 Vilenkin认为,用于计算各种常数的概率分布的永恒通胀场景中存在良好的促进处方,表明分布应该由每组值所属的宇宙的体积加权。

另一方面,斯蒂芬霍夫在地上反对永恒通胀模型,即它延伸到无限的过去,因此违反了他的“no boundary”宇宙起源的提案。该提案要求宇宙在有限时间开始,并且通过需要时间来避免初始奇点,在那里(即时间乘以(-1)1/2 因此,度量标准从欧几里德而不是Lorentzian开始)。 Hawking使用路径积分方法来计算特定历史的概率,但仅在那些导致观察者的这些历史中得到总和。

Neil Turok在这个主题上阐述,表明有所谓的即时式,代表了欧几里德方程式的经典解决方案,这些方程具有延续的真正的Lorentzian时空。虽然路径积分融合的通胀周期短于所需的,但是人类选择可以挽救这一点,因为只有一个只考虑包含观察者的历史。这允许打开或封闭宇宙,但他认为霍金’有利于(封闭的)解决方案不稳定。

更多激进物理?

会议的最后一天专注于与标准物理学的更加激进的偏差以及一些哲学问题。 Richard Gott介绍了众多世界原则的另一个版本,推测了一般相对性中闭合时间曲线的存在如何允许宇宙创造。 Max Tegmark讨论了空间和时间的维度的时间限制:行星轨道的稳定性需要三个空间尺寸,并且多于一个以上的时间维度会破坏因果关系。他还提出了是否足以考虑具有不同耦合常量值的宇宙的问题,或者是否应该蔑视具有不同物理法律甚至不同数学基础的宇宙。如果特定法律规定的物理常数转出唯一指明,这可能是解释人类巧合的唯一方法。

比尔斯托格讨论了人类论据的合法性。他认为,薄弱的人类原则是一个逻辑的必要性–但是,如果宇宙初始条件的变化或常量的价值或自然定律允许某些范围的人类选择,则强大版本只会有意义。多层次提案可以适应这种可能性,但他争辩说,援引其他宇宙的存在程度如何,援引其他宇宙可能永远不会有任何直接证据?

Lee Smolin强调,如果一个人拥有独立预测这些宇宙的存在的理论,并且这种理论是科学的,那么它必须是合理的,并且必须是伪造的。他认为,大多数宇宙应该有自己的属性,这不必相当于需要存在观察者。

Smolin’自己的方法调用了一种自然选择的形式。他认为黑洞的形成可能会产生新的宇宙,其中常数略微变异。以这种方式,在许多几代之后,参数分布将达到黑洞形成最大化的那些值。这个提议涉及非常投机的物理学,因为我们不了解婴儿宇宙如何诞生。然而,它具有可测试的优点,因为如果参数不同,可以计算有多少黑洞会形成多少。

一些发言者涉及意识问题。这是一个通常由物理学家避免的主题,但唐页面强调,物理学主要关注观察,这些是根本,意识的感知。他认为一个特定的观察者’经验应该是所有有意识的经历的随机样本,并讨论了如何导出该样本的概率措施。最终,这必须依赖于与物理学联系意识的未知法律。林德还提出了意识可能在世界上发挥至关重要的作用,猜测即使无关紧要,它也可能存在(如时空)。

这些考虑可能超出了合法科学领域。但也许会议的主要信息是现代物理学的发展可能需要一个延伸一个’无论如何,对合法科学的看法。人类原则可能尚未得到完全科学的敬意,但它不能再被驳回,只不过是不仅仅是形而上学。

“基本物理学和宇宙学中的人类论点”于9月30日至1日至1日起在剑桥举行。

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