一项大胆的新实验旨在通过观测宇宙膨胀、轴子和暗物质的数据来检验宇宙是否为生命而微调，挑战长期以来备受争议的人择原理，揭示我们宇宙的真实性质。这项研究可能很快就会证实或反驳宇宙是为了生命而特别设计的这一大胆假设。
人为原理认为宇宙为生命精心设计，但因缺乏可验证性而受到批评。一项新的研究提出了一些方法，通过对宇宙暴胀、轴子和暗物质的数据进行测试，未来的实验有可能证实或反驳这一原理。
一篇新的论文表明，人为原理（即宇宙为生命精心设计）是可以被检验的。如果观测证实了三个条件，它将被证伪：宇宙暴胀发生了，轴子(axions)存在，并且暗物质不是由轴子组成的。如果为真，我们的宇宙似乎极不可能存在。
“我们生活在一个适合我们的宇宙中。”发表在《宇宙学和粒子天体物理学杂志》(JCAP) 上的一篇新论文提出了测试这一假设的方法。
人为原理 (AP) 是由布兰登·卡特于1973年首次提出的，它表明宇宙经过微调以支持生命。这个想法自那时起引发了广泛的争论。在他们的新论文中，加州大学戴维斯分校的物理学家尼曼加·卡洛珀和德意志电子加速器（DESY）的亚历山大·韦斯特法尔概述了评估这一原理的第一个实验框架。
人为原理 (AP) 有不同的解释。这些解释范围从对事实的简单描述——“如果我们在这里观察它，那么宇宙就在智能生命出现所必需的条件下演化的”，被称为弱 AP——到一些更为激进的东西：“宇宙必须以一种导致我们存在的方式演化。”这种更强的解释被称为强 AP，它经常进入形而上学领域，暗示了一种“设计”，并超越了对宇宙的科学探索领域。
据许多科学家称，人为原理 (AP) 的问题在于它作为一个科学工具并不是特别有用，因为它不会产生可验证、可量化的预测，这些预测既可以拓展我们的知识，又能对该原理进行审查。如果没有这一点，它仍然更像一个哲学猜想，而不是一个科学假设。
然而，人为原理 (AP) 确实表明，为了让我们的宇宙作为以碳为基础的生命宜居的地方发展，它必须从一组相当特定的初始条件开始。我们通过观察推断出这一点，例如观察描述宇宙的方程式中使用的某些常量的值——例如引力常数、电子电荷和普朗克常数——这些值必须“恰到好处”。否则，我们将拥有一个非常不同的，最重要的是，不适合居住的宇宙。
通过建立人为原理所暗示的确切初始条件，并根据当前物理模型计算宇宙如何演化到其当前状态，我们可以将结果与实际的天文观测进行比较。理论和现实之间的任何差异都会提供人为原理有效性的衡量标准。
尼曼加·卡洛珀和亚历山大·韦斯特法尔的新工作提出了一些具体预测，这些预测可能会在未来几年得到观测证实。
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
在其存在的最初时刻，宇宙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）增长到宏观尺度（一些理论将其描述为葡萄或足球的大小）。此后，膨胀速度减慢，继续以类似于我们今天观察到的速度膨胀。
这一早期的物理现象非常不寻常，它受到量子现象（支配无限小）的主导，这种现象影响了随后的演化，使我们今天看到的结构（星系、恒星等）得以形成。尽管尚未找到宇宙暴胀的直接证据，但它是一项稳健的理论，预计未来几年将得到观测证实。
暗物质
你可能听说过它：实验观察告诉我们，宇宙中很大一部分——大约五分之六的物质——是由我们无法直接观察到的东西组成的。
我们称之为暗物质，但它的真实性质仍然未知。已经提出了许多假设，所有这些假设都在等待实验证实，预计将在不久的将来进行证实。
轴子
暗物质的候选者之一是轴子。这些粒子——或者说，更有可能是整个粒子的类别——极其轻（例如，比电子轻得多）。最初提出轴子是为了解释称为 CP 对称破坏的量子现象，该现象涉及弱核相互作用，它是四种基本力之一（其他三种分别是重力、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性——据信在宇宙暴胀期间会大量形成——与暗物质的预期特性一致，例如它们与自身和普通物质之间的最小相互作用。对黑洞的观测可能会在未来几年证实它们的存在。
测试人为原理 (AP) 涉及将这三个元素结合起来
卡洛珀解释说：“有可能 LiteBIRD 卫星发现接近当前限制的原始引力波，这与大规模暴胀相匹配。”大多数宇宙学家会认为这证实了大规模暴胀。”LiteBIRD（用于研究 B 模极化的轻卫星）是由日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 计划于 2032 年发射的实验。
“我们还可能在对宇宙中的超大质量黑洞进行探测时发现超轻轴子的迹象。轴子影响黑洞的自旋质量比，这可以被观察到，”卡洛珀继续说道。许多实验已经开始研究黑洞，更多实验将在不久的将来开始运行。
“最后，”卡洛珀补充说，“有可能未来的直接暗物质搜索会发现暗物质主要不是由超轻轴子组成的。在这种情况下，我们认为人为原理失败了。”
然而，这个结果并不能保证。
卡洛珀继续说：“另一方面，如果直接暗物质搜索发现暗物质实际上是超轻轴子，那么我认为我们会同意人为原理实际上通过了这一测试；事实上，这可能会发生。”
“我发现特别有趣的是，这两个选项都可能在不久的将来得到实验检验，”卡洛珀总结道。“据我所知，我们的具体例子是第一次也许真正失败了测试的人为原理，而不是简单地宣称它不适用。关键在于，大尺度暴胀和质量大于 10-19 eV 的超轻轴子的存在将意味着暗物质‘必须’是一种轴子：对于典型的初始条件，最终的暗物质会多，而且我们迫切需要人为原理来限制它。发现轴子不是暗物质，我们会推断初始条件不仅仅是不可能的（这可以用人为方式修正），而是极不可能的，这甚至不在人为推理的范围内。”
因此，我们需要再等几年，甚至更长时间，才能收集所有必要的证据来证伪或证实人为原理。但如果它无法通过测试呢？
卡洛珀解释说：“在不改变其他任何前提（引力的普遍性、早期暴胀和超辐射现象）的情况下，我们简单的反人类表述的失败表明不同的规则支配着初始条件。”“或者不同的初始条件并不等同，一些初始条件受到了一些我们尚不了解的新动力学的偏向，或者一些初始条件根本不可能。或者，宇宙学的真实理论可能比我们想象的更复杂。”
“人们也可以想象更戏剧性的场景，但至少就目前而言，对我来说，这似乎是奇思妙想，”卡洛珀总结道。
参考文献：
“Falsifying anthropics” by Nemanja Kaloper and Alexander Westphal, 10 December 2024, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
DOI: 10.1088/1475-7516/2024/12/017