我们的宇宙是为生命精心设计的吗？

一直以来，物理学家都在探索一个深刻的问题：为什么宇宙能进化出智慧生命？我们的宇宙包含了约30个基本常量，这些代表着各种基本力和粒子的值，似乎以一种精妙的方式相互配合，共同创造了使智慧生命得以存在的条件。

以引力为例——如果引力稍弱，物质将难以聚集成恒星、行星和生命；如果引力稍强，同样会导致宇宙无法适应生命的存在。那么，为什么引力的强度恰好如此完美？

在一项新发表于《皇家天文学会月刊》的研究中，我与John Peacock以及Lucas Lombriser提出：宇宙可能并非为生命精心设计的最佳环境。事实上，我们或许并不生活在最适合生命存在的宇宙中。

在新研究中，我们的研究重点是探讨智慧生命的出现如何受到宇宙中“暗能量”密度的影响。暗能量是一种推动宇宙加速膨胀的神秘力量，其本质完全是个谜题，但我们可以通过观测对其数值进行测量。但问题在于，观测到的暗能量密度远低于理论预测值。这一巨大差异是宇宙学领域最深奥的谜团之一，也正是促使我们展开这项研究的核心动机。

  人择原理  

在这项研究中，我们检验了“人择原理”是否能为这个问题提供一个合理的解释。

人择原理指的是，我们可以从人类存在这一事实来推断宇宙的特性。上世纪80年代末，诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）探讨了一种可能的人择解决方案：测量暗能量密度的值。

温伯格推测，如果暗能量密度更高，宇宙膨胀速度将进一步加快，从而削弱引力将物质聚集成星系的能力。星系的数量减少，意味着恒星的数量也会随之减少。而恒星对于生命的出现至关重要，因此，过高的暗能量密度可能会大大降低像人类这样的智慧生命出现的概率。

为了进一步理解这一观点，温伯格提出了一个基于“多重宇宙”的情景假设。这种假设源于宇宙暴胀理论，该理论认为宇宙在早期经历了一段极其快速的膨胀期，可能产生了无数具有不同物理参数的宇宙。在这些多重宇宙中，只有少数宇宙的暗能量密度足够低，允许星系、恒星，乃至生命的诞生。温伯格认为，这一框架可以解释我们观测到的暗能量密度为何如此之小：若暗能量过高，星系和生命根本无法存在，我们也就不可能提出这个问题。

在具有不同暗能量密度的宇宙中产生的恒星数量（白色）。四幅图分别代表了没有暗能量（左上）、暗能量密度与我们的宇宙一样（右上）、暗能量密度是我们宇宙的10倍（左下）和暗能量密度是我们宇宙的30倍的情况。 （图/Oscar Veenema, CC BY-SA）

然而，温伯格的理论中有一个关键假设：他认为宇宙中形成星系的物质比例与最终形成恒星的数量成正比。近年来，物理学家发现这一假设过于简化，未能充分考虑恒星形成过程中的复杂性。

因此，在这项新研究中，我们引入了一个更为现实的恒星形成模型，以重新评估温伯格的观点。这不仅帮助我们检验人择原理是否成立，也为进一步理解暗能量的本质提供了新的视角。

  数星星  

在这项新研究中，我们的目标是计算在一个给定的暗能量密度下，宇宙中形成了多少恒星。简而言之，这项工作可以看作是对恒星形成数量的计数。

首先，我们选择让暗能量密度的值，介于观测值的0到10万倍之间。根据暗能量密度的不同，引力将物质聚集成星系的能力也会有所不同，从而影响星系的形成方式。

接下来，我们估算了星系中每年恒星的形成数量。这一数据基于两种因素的平衡：一方面是冷气体的量，这些冷气体为恒星形成提供了原料；另一方面是星系外向流的作用，它加热并推动气体逃离星系，阻碍恒星的形成。

随后，我们计算了在特定宇宙模型的整个生命周期中，普通物质转化为恒星的比例。这个比例反映了宇宙产生恒星的效率。

宇宙形成恒星的效率取决于它的暗能量含量。（图/D. Sorini, J. A. Peacock, L. Lombrise / Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, CC BY-SA）

然后，我们假设宇宙中智慧生命出现的可能性与恒星形成效率成正比。如上图中所示，这意味着最适合生命存在的宇宙，其暗能量密度约为我们宇宙中观测到的暗能量密度的1/10。

因此，我们的宇宙并非最适合生命存在的，但它与理想状态相比并不遥远。

然而，为了验证温伯格的人择原理，我们需要设想在多重宇宙中随机选择一种智慧生命形式，并询问它们观测到的暗能量密度是多少。我们发现，在99.5%的宇宙中，暗能量密度都比我们宇宙的观测值要大。换句话说，我们生活在多重宇宙中的一个稀有、罕见的宇宙里。

这一结论与暗能量密度较高的宇宙会抑制恒星的形成，从而降低智慧生命出现的可能性的观点并不矛盾。我们可以用一个类比来解释这一点。

假设我们要将300个弹珠分配到100个盒子里，每个盒子代表一个宇宙，每个弹珠代表一个聪明的观察者。我们将100个弹珠放入第一个盒子，4个弹珠放入第二个盒子，剩余的盒子中每个放2个弹珠。显然，第一个盒子里的弹珠最多。然而，如果我们从所有盒子中随机选一个弹珠，它更有可能来自其它的盒子，而非第一个盒子。

盒子里的弹珠。（图/CC BY-SA）

类似地，尽管暗能量密度较低的宇宙更适宜生命存在，但在暗能量密度较高的宇宙仍然可能会有一些恒星，从而有可能孕育出生命，只是这种可能性非常低。我们的计算结果表明，所有宇宙中的大多数观测者，测量到的暗能量密度都比我们宇宙中观测到的要高。此外，研究发现，最典型的观测者测量到的暗能量密度大约是我们宇宙的500倍。

  这给我们带来了什么？  

总的来说，新的研究结果对“人择原理”提出了挑战，但这并不意味着“人择原理”被完全推翻。如果采用更复杂的多重宇宙模型，人择原理仍然有可能得到挽回。例如，在某个多重宇宙模型中，暗能量和普通物质的量可以在不同的宇宙中发生变化。这样，由于暗能量密度较高导致的智慧生命出现机会的减少，可能会被更高的普通物质密度所弥补。

无论如何，我们的发现传递了一个重要的信息：不应过度简化地应用人择原理，否则会使暗能量问题更加难以解决。

那么，宇宙学家接下来应该怎么做呢？答案是卷起袖子，继续深入思考。只有时间才能告诉我们如何解开这个谜团。不论过程如何，我相信这将是一个令人激动人心的探索。