一个井然的宇宙

Lawrence M. Krauss　文　　Shea　编译

　　物理学家们正在学习如何与爱因斯坦的宇宙学常数“和睦相处”。新的理论把它与粒子物理学中的基本常识紧紧的联系在了一起。

　　鉴于天文观测数据，爱因斯坦的宇宙学常数可能不为零，这几乎改变了我们对宇宙所认知的一切，不得不重新考虑宇宙的起源和演化。但是由此引发的在宇宙学思维方式中最大的变化就是开始自发的讨论一个曾经不会在正式场合被提及的理论——人择原理。这一理论认为，宇宙中不同的基本物理常数之所以取现在的值是因为这样的宇宙才能承载生命，进而认识这个宇宙。宇宙学家安德瑞·林德（Andrei Linde）打了个比方，“如果宇宙中到处都存在有智慧的鱼，它们一定会问，为什么宇宙到处充满了水。如果没有水，就不会有鱼，更不会有鱼来认识它。”

　　物理学家之所以不愿意考虑人择原理是因为这与物理学的初衷相悖。绝大多数的物理学家都希望有一个终极物理理论来解释我们的宇宙为什么会是今天这个样子，而不是以“如果今天的宇宙不是这个样子，那么就不会……”这样的方式来回答这个问题。在这场争论中，詹姆斯·乔肯（James Bjorken）在《物理学评论D》上发表了题为“宇宙学和标准模型”的文章，基于非常完善的粒子物理学理论，他提出了一个新的量度标准，以此来解释为什么一个宇宙学常数具有微小值的宇宙在人择原理下是可行的。

　　一个极其小但是不为零的宇宙学常数改变了物理学家用人择原理解释自然的兴趣，因为宇宙学常数这一取值本身就让人匪夷所思。1996年，物理学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）和他的同事宏根·马特尔（Hugo Martel）以及保尔·沙皮诺（Paul Shapiro）认为，如果允许不同的宇宙存在，而且这些宇宙中的宇宙学常数遵循一个概率分布，除非宇宙学常数和我们今天所观测到的值差不多，否则那个宇宙中就不会形成星系和恒星。

　　尽管这一建议使得一些物理学家开始重新考虑人择原理，但问题是在宇宙学中并不存在一个基本理论遵循这样一个概论分布，其中可以进行的具体计算是相当有限的。而且，当涉及到基本常数时，参与讨论的大部分宇宙学家都很少明确的使用粒子物理学中的理论和概念。

　　但是，乔肯——一个粒子物理学家——认识到宇宙学常数是一个可以近似描述任何宇宙的有量纲参数，这个宇宙就是所谓的德西特视界（de Sitter horizon，乔肯称之为RH）。在一个宇宙学常数占主导的宇宙中，对于观测者而言，远处天体退行的速度与它的距离成正比。最终，在一个确定的距离上，所有天体的退行速度都会大于光速，此时因果律失效。这一距离就被称为德西特视界，它表征了在类德西特膨胀的有限宇宙中的有效尺度。

　　乔肯认为所有的基本有量纲量都以一个简单的方式与这个德西特视界相联系。如果以普朗克尺度（此时量子引力效应变得显著，普朗克能量为1019GeV，普朗克长度为10-33cm）作为宇宙的基本尺度，那么其他的有量纲量将与任何宇宙中的RH成简单的正比关系。当一个宇宙的RH为普朗克长度时，所有的有量纲量，从大统一尺度到质子质量，都是相同的。随着RH的增大，每个量都会有不同的标度因子（重正化群中的术语，即不同的标度指数），因此如果一个宇宙的RH与我们可观测的宇宙相当时，不同的量就会呈现出我们所观测到的值。根据普朗克尺度以及现在的观测值，每一个量的指数都可以被计算出来。

　　但是，现在还不是很清楚RH是如何表征非常小的物理量的，例如电子质量。如果小质量最终取决于小的无量纲常数的话，它可能与RH呈现出对数关系。但是如果它由一些基本有量纲量决定的话，它就可能与RH呈现出指数关系。当比较一个宇宙与我们目前可观测宇宙的相似性时，这些关系就显得尤为重要了。例如，质子和中子的相对质量以及氘的结合能很敏感的取决于π介子的质量。

　　乔肯的结论是有惊人数量的基本物理量即使在RH变化30个数量级的情况下仍然对RH不敏感，但是他发现涉及到恒星演化的核过程——包括著名的三α过程，它使得氦变成碳——在RH变化大约1.4倍时，就会出现不相容的结果。这也许并不是什么惊人的结果，因为三α过程长久以来就被当作人择原理的证据来限制其他基本物理常数的变化。

　　最后，由于有这么多的人择原理的证据，就很难理解这些结果，尤其是现在还没有一个基本的理论。通过某种度量机制将极小的宇宙学常数与粒子物理联系在一起，可能是解决物理学中所有微调问题的一个可能的方案。正如乔肯所强调的，通过这种方式——尽管还是非常的纯理论化——将粒子物理学和宇宙学联系在一起，可能将最终向世人提供一种途径来认识现在这个令人匪夷所思的宇宙。
出自：Nature
发布日期：2003-05-15

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