精細調節宇宙是這樣一種假設：如果自然常數（例如電子電荷、引力常數等）有哪怕是稍有不同，「我們所知的生命」就不可能存在，所以宇宙一定是專門為生命而調節的。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]實務中，此假設是用無量綱物理常數來表述的。[ 5 ]
歷史
1913 年，化學家 勞倫斯·約瑟夫·亨德森 (Lawrence Joseph Henderson)撰寫了《環境的適應性》，這是第一本探索宇宙微調的書籍之一。亨德森討論了水和環境對生物的重要性，指出地球上的生命完全依賴地球非常特殊的環境條件，尤其是水的普遍性和特性。[ 6 ]
1961 年，物理學家羅伯特‧迪克 (Robert H. Dicke)提出，物理學中的某些力，例如引力和電磁力，必須經過完美調節，生命才可以在宇宙中存在。[ 7 ] [ 8 ] 弗雷德‧霍伊爾也在 1983 年出版的《智能宇宙》一書中主張宇宙是經過精細調節的，[ 9 ]他寫道：「人為特性，即明顯的非生物性質的偶然事件，如果沒有這些特性，碳基生命以及人類生命就不可能存在，這種特性的清單很長，令人印象深刻」。[ 10 ]
對精細調節宇宙的信念使人們期待大型強子對撞機能發現超出標準模型的物理證據，例如超對稱性，[ 11 ]但到 2012 年，它還沒有在其可探測的能量尺度上發現超對稱性的證據。[ 12 ]
動機
物理學家保羅戴維斯說：“現在物理學家和宇宙學家普遍認為，宇宙在多個方面都為生命進行了‘微調’。但結論並不是說宇宙為生命進行了微調，而是為生命所需的構件和環境進行了微調。” [ 13 ]他還表示，“人擇原理無法區分最低限度親生命宇宙（在最低限度親生命宇宙中，生命是被允許的，但可能性很小）和最佳親生命宇宙（在最佳限度親生命宇宙中，生命之所以繁榮，是因為生物發生的頻率很高）。” [ 14 ]一些科學家認為這些證據具有說服力，並提出了各種自然的解釋，例如，多重宇宙的存在會在人擇原理下引入倖存者偏差。[ 5 ]
精細調節宇宙論斷的前提是，幾個物理常數的微小變化會使宇宙發生根本性的變化。史蒂芬霍金指出：「我們目前所知的科學定律包含許多基本數字，例如電子電荷的大小以及質子和電子的質量比。…令人驚訝的是，這些數字的值似乎經過了非常精細的調整，以使生命的發展成為可能」。[ 4 ]
例如，如果強核力比現在強 2%（即代表其強度的耦合常數大 2%），而其他常數保持不變，則雙質子將是穩定的；根據戴維斯的說法，氫將會融合到它們中，而不是氘和氦。[ 15 ]這將徹底改變恆星的物理特性，並且可能排除類似地球上觀察到的生命的存在。雙質子的存在會阻止氫與氘緩慢的聚變。氫聚變如此容易，以至於宇宙中的所有氫很可能在大爆炸後的最初幾分鐘內被消耗掉。[ 15 ]其他物理學家對這種「雙質子論證」提出質疑，他們計算得出，只要強度的增幅小於 50%，儘管存在穩定的雙質子，恆星聚變仍然有可能發生。[ 16 ]
由於尚不知道有多少個獨立的物理常數，因此該想法的精確表述變得困難。粒子物理學的標準模型有25 個可自由調整的參數，而廣義相對論還有一個參數，就是宇宙常數，已知它非零，但值非常小。由於物理學家尚未發展出已證實成功的量子重力理論，因此目前還無法將標準模型所依賴的量子力學與廣義相對論結合。[ 17 ]
如果不了解這個被懷疑是標準模型基礎的更完整的理論，就不可能確切地計算出真正獨立的物理常數的數量。在某些候選理論中，獨立物理常數的數量可能只有一。例如，宇宙常數可能是一個基本常數，但也有人嘗試透過其他常數來計算它，根據一次計算的作者所說，「宇宙常數的微小值告訴我們，在粒子物理標準模型的所有參數、裸宇宙常數和未知物理學之間存在著非常精確且完全出乎意料的關係」。[ 17 ]
範例
馬丁·里斯用以下六個無量綱物理常數來表達宇宙的微調。[ 1 ] [ 18 ]
- N為一對質子之間的電磁力與引力之比，約 10 36。根據里斯的說法，如果宇宙明顯更小，那麼就只能存在一個小而短暫的宇宙。[ 18 ]如果它夠大，它們就會劇烈地排斥這些原子，以致於永遠不會產生更大的原子。
- 衡量氫和氦聚變核效率的單位為埃普西隆（ε ） ，即 0.007：即當四個核子聚變成氦時，其質量的 0.007（0.7%）會轉化為能量。ε的值在某種程度上取決於強核力的強度。[ 19 ]如果ε為0.006，質子就無法與中子結合，只能存在氫，複雜的化學反應就不可能發生。根據里斯的說法，如果它高於 0.008，就不會存在氫，因為所有的氫都會在大爆炸後不久融合。其他物理學家不同意這種觀點，他們計算得出，只要強力耦合常數的增加不超過 50% 左右，氫元素就會大量存在。[ 16 ] [ 18 ]
- 歐米茄（Ω），俗稱密度參數，是宇宙中引力與膨脹能量的相對重要性。它是宇宙質量密度與「臨界密度」的比率，約為 1。如果引力太弱，就不會形成恆星。[ 18 ] [ 20 ]
- Lambda（Λ）通常稱為宇宙常數，它描述了暗能量密度與宇宙臨界能量密度的比率，假設某些合理假設，例如暗能量密度是一個常數。就普朗克單位而言，作為自然無量綱值，Λ 的數量級為10−122。 [ 21 ]這個數字非常小，以至於對直徑小於 10 億光年的宇宙結構沒有顯著影響。宇宙常數的值稍大一點就會導致空間迅速膨脹，以至於恆星和其他天文結構無法形成。[ 18 ] [ 22 ]
- Q是將一個大星系拉開所需的引力能與其質量當量能量之比，約 10 −5。如果太小，就無法形成恆星。里斯表示，如果宇宙太大，就沒有恆星能夠存活，因為宇宙太過劇烈。[ 18 ]
- 時空中的空間維數D為 3。[ 18 ]里斯認為，這並不排除十維弦的存在。[ 1 ]
馬克斯·泰格馬克認為，如果時間維度超過一個，那麼物理系統的行為就無法根據相關偏微分方程的知識來可靠地預測。在這樣的宇宙中，能夠操縱科技的智慧生命不可能出現。此外，質子和電子不穩定，會衰變成質量比自身更大的粒子。如果粒子的溫度夠低，這不是問題。[ 23 ]
碳和氧
一個較老的例子是霍伊爾態，這是碳-12原子核的第三低能量態，其能量高於地面 7.656 MeV。[ 24 ]根據計算，如果該態的能階低於 7.3 MeV 或高於 7.9 MeV，則碳不足以維持生命。為了解釋宇宙中碳的豐富程度，霍伊爾態必須進一步調整到 7.596 至 7.716 MeV 之間的數值。一個類似的計算，重點關注產生各種能階的基本常數，得出結論：強力必須調整到至少 0.5% 的精度，電磁力必須調整到至少 4% 的精度，以防止碳產量或氧氣產量大幅下降。[ 25 ]
解釋
對於微調的一些解釋是自然主義的。[ 26 ]首先，微調可能只是一種假象：更基礎的物理學可以透過限制物理參數可能取的值來解釋當前理解中物理參數的明顯微調。正如勞倫斯·克勞斯所說，「某些量似乎無法解釋且經過了微調，而一旦我們理解了它們，它們似乎就不再那麼微調了。我們必須有一些歷史視角」。[ 22 ]有些人認為，最終的萬物基本理論可能會解釋每個參數明顯微調的根本原因。[ 27 ] [ 22 ]
然而，隨著現代宇宙學的發展，各種不假設隱藏秩序的假設已經被提出。一個是多元宇宙，其中基本物理常數被假定在已知宇宙之外具有不同的值。[ 28 ] [ 29 ] : 3–33 根據這個假設，現實的不同部分將具有截然不同的特徵。在這種情況下，微調的出現被解釋為弱人擇原理和選擇偏差（特別是倖存者偏差）的結果。只有那些具有適合生命存在的基本常數的宇宙，例如地球，才可能包含能夠觀察宇宙並思考微調問題的生命形式。[ 30 ]王志偉與山繆‧布朗斯坦（Samuel L. Braunstein）認為，基本常數的明顯微調可能是由於對這些常數缺乏理解。[ 31 ]
多元宇宙
如果宇宙只是眾多甚至無限個宇宙中的一個，每個宇宙都有不同的物理現象和常數，那麼存在一個適合智慧生命生存的宇宙也就不足為奇了。因此，多元宇宙假說的某些版本為任何微調現象提供了簡單的解釋，[ 5 ]而王和布勞恩斯坦的分析則挑戰了這個宇宙在支持生命方面具有獨特能力的觀點。[ 31 ]
多元宇宙的概念引發了對人擇原理的大量研究，並引起了粒子物理學家的特別興趣，因為萬物理論顯然會產生大量物理常數差異很大的宇宙。儘管沒有證據表明多元宇宙的存在，但該理論的某些版本做出了預測，一些研究M 理論和引力洩漏的研究人員希望很快看到一些證據。[ 32 ]勞拉·梅爾西尼-霍頓（Laura Mersini-Houghton）認為，WMAP冷點可以為平行宇宙的存在提供可檢驗的經驗證據。[ 33 ]這種想法的變體包括李‧史莫林的宇宙自然選擇概念、火宇宙理論和泡沫宇宙理論。[ 32 ]：220-221
有人提出，用多元宇宙來解釋微調是逆賭徒謬誤的一種形式。[ 34 ] [ 35 ]
自上而下的宇宙學
史蒂芬·霍金和托馬斯·赫托格提出，宇宙的初始條件由許多可能的初始條件疊加而成，其中只有一小部分對今天所見的條件有貢獻。[ 36 ]依照他們的理論，宇宙的「微調」物理常數是不可避免的，因為宇宙只「選擇」那些導致目前狀況的歷史。這樣，自上而下的宇宙學提供了一種人擇解釋，解釋了為什麼這個宇宙允許物質和生命的存在，而不需要引用多元宇宙。[ 37 ]
碳沙文主義
關於生命形成的某些形式的微調論證假設只有碳基生命形式才是可能的，這種假設有時被稱為碳沙文主義。[ 38 ]從概念上講，替代生物化學或其他生命形式都是可能的。[ 39 ]
模擬假設
模擬假設認為，宇宙之所以被微調，只是因為技術更先進的模擬操作員對其進行了程式設計。[ 40 ]
並非不可能
格雷厄姆·普里斯特 (Graham Priest)、馬克·科利萬 (Mark Colyvan)、傑伊·L·加菲爾德 (Jay L. Garfield)和其他人都反對這樣的假設：「物理定律或宇宙邊界條件可能與現在不同」。[ 41 ]
宗教辯護
一些科學家、神學家和哲學家以及某些宗教團體認為，天意或創造負責微調。[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]基督教哲學家阿爾文·普蘭丁格 (Alvin Plantinga)認為，隨機性應用於唯一的宇宙，只能引發一個問題：為什麼這個宇宙會如此“幸運”，擁有至少在某個地方（地球）和時間（距今數百萬年內）支持生命的精確條件。
哲學家、基督教護教者威廉·萊恩·克雷格 (William Lane Craig)認為，宇宙的這種精細調節是上帝存在的證據，或者可以證明存在某種能夠操縱（或設計）主宰宇宙的基本物理規律的智慧。 [ 48 ]哲學家、神學家理查‧斯溫伯恩利用貝葉斯機率得出了設計結論。[ 49 ]科學家、神學家阿利斯特‧麥格拉斯觀察到，碳的微調甚至是大自然自我調節能力得以在一定程度上實現的原因。
整個生物進化過程依賴於碳的獨特化學性質，這種化學性質使得碳能夠與自身以及其他元素結合，形成高度複雜的分子，這些分子在普遍的陸地溫度下保持穩定，並能夠傳遞遺傳訊息（尤其是 DNA）。 [...] 儘管有人可能會說，大自然創造了它自己的微調，但這只有當宇宙的原始組成部分能夠啟動進化過程時才能做到。碳的獨特化學性質是自然界自我調節能力的最終基礎。[ 50 ] [ 51 ]
理論物理學家、英國國教牧師約翰·波金霍恩 (John Polkinghorne)表示：「人擇微調太過引人注目，以至於不能被僅僅視為一次幸福的意外」。[ 52 ]
神學家和哲學家安德魯·洛克(Andrew Loke)認為，關於精細調節和秩序的假設只有五類可能：（i）偶然性，（ii）規律性，（iii）規律性和偶然性的結合，（iv）無因性，以及（v）設計，並且只有設計才能對宇宙秩序給出完全合乎邏輯的解釋。[ 53 ]他認為，卡拉姆宇宙論證透過回答「誰設計了設計者？ 」這個問題，強化了目的論論證。[ 53 ]
創世論者休‧羅斯提出了許多精細調節假說。[ 54 ] [ 55 ]一是羅斯所說的「重要毒素」的存在，它們是一些基本營養物質，大量存在對動物有害，但少量存在對動物生命至關重要。[ 56 ]
哲學家兼神學家羅賓‧柯林斯 (Robin Collins)認為，有神論包含著這樣的期望：上帝會創造一種現實，這種現實的結構能夠實現善與惡之間的積極平衡，如果可能的話，是最佳平衡。因此，柯林斯認為，我們可以在世界的特徵中找到道德或美學價值，例如自然法則的優雅與和諧，這並不奇怪。[ 57 ]
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耶 穌 對 他 說 ： 你 要 盡 心 、 盡 性 、 盡 意 愛 主 ─ 你 的 神 。
—— Matthew 22:37 —— 馬 太 福 音 22:37