“我们生活在一个非常适合我们的宇宙中”：研究提出了对人择原理的检验

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人择原理——指出我们生活的宇宙是经过精心调节以容纳生命的——由布兰登·卡特于 1973 年首次提出。从那时起，它就引发了重大争论。
现在，加州大学戴维斯分校物理与天文系物理学家 Nemanja Kaloper 和德国电子同步加速器（DESY）教授 Alexander Westphal 在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上发表的一篇论文首次描述了一种通过实验检验这一假设的方法。
人择原理 (AP) 可以用不同的方式表述。这些方式包括对事实的简单描述——“如果我们在这里观察它，宇宙的演化具备了智慧生命出现的必要条件”，即所谓的弱人择原理——以及更为激进的方式：“宇宙必须以一种导致我们存在的方式演化。”
这种更强烈的解释被称为强 AP，它经常进入形而上学领域，提出一种“设计”，超越了对宇宙的科学探究领域。
许多科学家认为，AP 的问题在于它并不是一个特别有用的科学工具，因为它无法产生可测试、可量化的预测，而这些预测既可以扩展我们的知识，又可以检验该原理。如果没有这些，它就更像是一种哲学猜想，而不是科学假设。
然而，美联社确实认为，我们的宇宙要发展成为适合碳基生命生存的地方，它必须从一组相当特殊的初始条件开始。例如，我们通过观察描述宇宙的方程中使用的某些常数的值（如引力常数、电子电荷和普朗克常数）来推断这一点，这些常数的值必须“恰到好处”。否则，我们的宇宙将截然不同，最重要的是，它将不适合生存。
通过建立 AP 所暗示的精确初始条件，并基于现有物理模型计算宇宙将如何演化到目前的状态，我们可以将结果与实际天文观测结果进行比较。理论与现实之间的任何差异都可以衡量 AP 的有效性。
Nemanja Kaloper 和 Alexander Westphal 的新研究提出了一些具体的预测，这些预测可能会在未来几年得到观察证实。
为了理解他们的提议，必须概述宇宙学研究中的一些关键要素：
宇宙膨胀
在宇宙诞生之初，它经历了一段快速膨胀时期：在短短 10 -36秒内，它从无限小（几乎为零）膨胀到宏观尺度（一些理论将其描述为葡萄或足球大小）。此后，膨胀速度减慢，继续以与我们今天观察到的速度相似的速度膨胀。
这一早期阶段的物理学非常不寻常，量子现象（控制着无限小的事物）主导着这一阶段，这些现象影响了随后的演化，形成了我们今天所见的结构——星系、恒星等。虽然尚未发现宇宙膨胀的直接证据，但它是一个可靠的理论，预计未来几年将得到观测证实。
暗物质
你可能听说过：实验观测告诉我们，宇宙中很大一部分（约占物质的六分之五）是由我们无法直接观察到的物质组成的。我们称之为暗物质，但其真​​实性质仍不得而知。人们提出了许多假设，都在等待实验证实，预计不久的将来就会得到证实。
轴子
轴子是暗物质的候选者之一。这些粒子（或者更可能是一整类粒子）非常轻（例如，比电子轻得多）。轴子最初被提出来解释一种称为 CP 对称性破坏的量子现象，这种现象涉及弱核相互作用，这是四种基本力之一（其他三种是引力、电磁力和强核相互作用）。
然而，研究人员注意到轴子的某些特征（据信在宇宙膨胀期间大量形成）与暗物质的预期特征一致，例如它们与自身和普通物质的相互作用最小。未来几年对黑洞的观测可能会证实它们的存在。
测试 AP 需要结合这三个元素。
“LiteBIRD 卫星有可能发现接近当前极限的原始引力波，这与高尺度膨胀相吻合，”Kaloper 解释道。“大多数宇宙学家会认为这证实了高尺度膨胀。”LiteBIRD（用于研究 B 型偏振的轻型卫星）是日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 计划于 2032 年发射的一项实验。
“通过勘测宇宙中的超大质量黑洞，我们还有可能发现超轻轴子的迹象。轴子会影响黑洞的自旋质量比，这一点是可以观察到的，”卡洛珀继续说道。许多实验已经在研究黑洞，不久的将来还会有更多的实验开始运行。
“最后，”卡洛珀补充道，“未来直接的暗物质搜索可能会发现暗物质主要不是由超轻轴子组成的。在这种情况下，我们会认为人择原理不成立。”
但这一结果并不能保证。
“另一方面，如果直接对暗物质的搜索发现暗物质实际上是超轻轴子，”卡洛珀继续说，“那么我认为我们会同意人择原理实际上通过了这项测试；事实上，这可能会发生。”
卡洛珀总结道：“我发现特别有趣的是，这两种选择都可能在不久的将来进行实验测试。”
“而且，据我和我的合作者所知，我们的具体例子是人择原理实际上可能无法通过检验的第一个案例，而不是简单地宣称它不适用。
“关键在于，高尺度膨胀和质量 m > 10 -19 eV 的超轻轴子的存在意味着暗物质‘一定’是轴子：对于典型的初始条件，我们最终会得到过多的暗物质，而我们迫切需要人择原理来限制它。
“为了发现轴子不是暗物质，我们需要推断初始条件不仅不太可能（可以通过人择原理确定），而且极不可能，这实际上甚至不属于人择原理推理的范畴。”
因此，我们还需要等待几年，甚至更久，才能收集到所有必要的证据，以证明或证实人择原理。但如果人择原理无法通过检验，该怎么办？
卡洛珀解释说：“在不改变任何其他前提（万有引力的普遍性、早期膨胀和超辐射现象）的情况下，我们简单的人择理论的失败意味着不同的规则决定了初始条件。”
“要么不同的初始条件并非同样可能，有些初始条件受到尚未理解的新动力学的影响，要么有些初始条件完全不可能。或者，真正的宇宙学理论可能比我们想象的更复杂。”
“人们也可以想象更加戏剧性的场景，但至少现在，对我来说，这些似乎都是异想天开，”卡洛珀总结道。