物理学家一直在探索一个深刻的问题：宇宙为何能够演化出智慧生命？我们的宇宙包含大约30个基本常数，它们代表各种基本力和粒子的值。它们似乎以一种精妙的方式相互配合，共同创造智慧生命存在的条件。
以引力为例，如果引力稍弱，物质就很难聚集成恒星、行星和生命；如果引力稍弱，物质就很难聚集成恒星、行星和生命；如果引力再强一点，宇宙也将无法适应生命的存在。那么为什么重力的强度如此完美呢？
在《皇家天文学会月刊》上发表的一项新研究中，约翰、卢卡斯和我提出，宇宙可能不是为生命设计的最佳环境。事实上，我们可能不会生活在最适宜生命的宇宙中。
在新的研究中，我们重点探索宇宙中“暗能量”的密度如何影响智慧生命的出现。暗能量是一种推动宇宙加速膨胀的神秘力量。它的性质完全是一个谜，但它的价值可以通过观察来衡量。但问题是观测到的暗能量密度远低于理论预测。这种巨大的差异是宇宙学中最深刻的谜团之一，也是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。
人择原理指出，我们可以从人类存在的事实来推断宇宙的属性。 20 世纪 80 年代末，诺贝尔奖获得者、物理学家史蒂文·温伯格 ( ) 探索了一种可能的人为解决方案：测量暗能量密度的值。
温伯格推测，如果暗能量密度更大，宇宙的膨胀将会进一步加速，削弱引力将物质聚集到星系中的能力。星系数量的减少意味着恒星数量也会减少。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。
为了进一步理解这个想法，温伯格提出了一个基于“多元宇宙”的场景。这一假说源于宇宙膨胀理论，该理论认为宇宙在早期经历了一段极其快速的膨胀时期，可能创造了无数物理参数不同的宇宙。这些多重宇宙中只有少数的暗能量密度足够低，足以允许星系、恒星甚至生命的诞生。温伯格认为，这个框架可以解释为什么我们观测到的暗能量密度如此之小：如果暗能量太高，星系和生命就根本不存在，我们就无法提出这个问题。
具有不同暗能量密度的宇宙中产生的恒星数量（白色）。这四张图代表的是没有暗能量的情况（左上），暗能量的密度与我们的宇宙相同（右上），暗能量的密度是我们宇宙的10倍（左下），以及暗能量的密度是我们宇宙的30倍。 （照片/奥斯卡，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的恒星数量成正比。近年来，物理学家发现这种假设过于简单化，未能充分考虑恒星形成过程的复杂性。
因此，在这项新研究中，我们引入了更现实的恒星形成模型来重新评估温伯格的想法。这不仅有助于我们检验人择原理是否成立，也为进一步认识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给定暗能量密度下宇宙中形成了多少颗恒星。简单地说，这项工作可以被认为是计算恒星形成的数量。
首先，我们选择使暗能量密度的值在观测值的0到100,000倍之间。根据暗能量的密度，引力将物质聚集到星系中的能力会有所不同，从而影响星系的形成方式。
接下来，我们估计了银河系中每年形成的恒星数量。该数据基于两个因素的平衡：一方面是冷气体的数量，它为恒星形成提供了原料；另一方面是冷气体的数量。另一方面，银河外流的影响，加热气体并将其推出星系，阻碍恒星形成。 。
然后，我们计算了在给定宇宙模型的生命周期内转化为恒星的普通物质的比例。这个比率反映了宇宙产生恒星的效率。
宇宙形成恒星的效率取决于其暗能量含量。 （照片/D.、JA、L./皇家，CC BY-SA）
然后我们假设宇宙中存在智慧生命的可能性与恒星形成的效率成正比。如上图所示，这意味着最适合生命存在的宇宙的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，我们的宇宙并不是最适合生命生存的，但也离理想状态不远了。
然而，为了测试温伯格的人择原理，我们需要想象在多元宇宙中随机选择一种智能生命形式，并询问他们观察到的暗能量密度是多少。我们发现，在99.5%的宇宙中，暗能量密度都大于我们宇宙的观测值。换句话说，我们生活在多元宇宙中一个非常罕见的宇宙中。
这一结论与暗能量密度较高的宇宙会抑制恒星形成，从而降低智慧生命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 个盒子中，每个盒子代表一个宇宙，每个弹珠代表一个智能观察者。我们将 100 个弹珠放入第一个盒子中，将 4 个弹珠放入第二个盒子中，然后将 2 个弹珠放入剩余的每个盒子中。显然，第一个盒子里的弹珠最多。但是，如果我们从所有盒子中随机选择一颗弹珠，则它更有可能来自其他盒子而不是来自第一个盒子。
盒子里的弹珠。 （照片/CC BY-SA）
同样，虽然暗能量密度较低的宇宙更适合生命存在，但暗能量密度较高的宇宙中仍然可能存在一些恒星，可能孕育生命，但这种可能性很低。我们的计算表明，所有宇宙中的大多数观察者测量到的暗能量密度都高于我们宇宙中观察到的暗能量密度。此外，研究发现，最典型的观察者测得的暗能量密度约为我们宇宙的500倍。
这给我们留下了什么？
总的来说，新的研究成果挑战了“人择原理”，但这并不意味着“人择原理”被彻底推翻。如果采用更复杂的多元宇宙模型，人择原理仍有可能得到弥补。例如，在某个多元宇宙模型中，暗能量和普通物质的数量在不同的宇宙中可能会发生变化。这样，由于暗能量密度较高而导致的智慧生命机会减少可以通过普通物质密度较高来补偿。
无论如何，我们的发现传达了一个重要的信息：人择原理不应该以过于简单的方式应用，因为这将使暗能量问题更难解决。
那么宇宙学家下一步应该做什么呢？答案是卷起袖子，深入思考。只有时间才能告诉我们如何解开这个谜团。无论过程如何，我相信这将是一次令人兴奋的探索。
#主创团队：
原文：（杜伦大学宇宙学研究员）
翻译：富士北斗
排版：文文
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