微调 fine-tuning (Simon Friederich)

首次发表于 2017 年 8 月 22 日星期二;实质性修订于 2021 年 11 月 12 日星期五

“微调”一词用于描述事实或属性对某些参数值的敏感依赖。技术设备是微调的典型例子。它们是否按预期运行取决于描述其组成部分的形状、排列和材料特性的参数,例如组成部分的导电性、弹性和热膨胀系数。技术设备是实际“微调者”的产品——设计和制造它们的工程师和制造商,但对于本文广义上的微调来说,对某些参数值的敏感性就足够了。

“微调”出现在哲学辩论中,通常是关于宇宙对生命的微调:根据许多物理学家的观点,宇宙能够支持生命的事实取决于其各种基本特征,特别是自然法则的形式、一些自然常数的数值,以及宇宙在早期阶段的条件。对宇宙对生命的微调提出了各种反应:认为这是一个幸运的巧合,我们必须接受它作为原始给定;它将被未来最佳的基本物理理论所避免;宇宙是由某位建立了有利于生命条件的神圣设计者创造的;以及微调生命表明存在着多个其他宇宙,其条件与我们自己的宇宙大不相同。本文的第 1 至 4 节回顾了对生命微调的论据、对其的反应以及对这些反应的主要批评。第 5 节从生命微调转向自然性的标准——这是一种不同意义上的无微调条件,适用于量子场论中的理论,在当代粒子物理学和宇宙学中起着重要作用。


微调对于生命的证据

1.1 物理学中的例子

我们目前最好的基本物理理论是基本粒子物理的标准模型和广义相对论理论。标准模型解释了已知的四种基本力中的三种——强力、弱力和电磁力——而广义相对论解释了第四种——引力。关于我们的宇宙是为了生命而微调的论证旨在表明,在自然法则的其他形式、自然常数的其他取值和早期宇宙的其他条件下,生命几乎不可能存在。

以下是关于生命微调的建议实例的——不完整——列表。(有关普及概述,请参阅 Leslie 1989:第 2 章,Rees 2000,Davies 2006 和 Lewis&Barnes 2016;有关更多技术性的概述,请参阅 Hogan 2000,Uzan 2011,Barnes 2012,Adams 2019 和 Sloan 等人的 2020 年贡献。)

1.1.1 微调的常数

  • 重力的强度,当与电磁力的强度相比时,似乎是为生命所微调的(Rees 2000: ch. 3; Uzan 2011: sect. 4; Lewis & Barnes 2016: ch. 4)。如果重力不存在或者明显较弱,银河系、恒星和行星本来就不会形成。如果它稍微更弱(和/或电磁力稍强一些),像太阳这样的主序恒星将会明显更冷,不会在超新星爆炸中爆炸,而这是许多更重元素的主要来源(Carr & Rees 1979)。相反,如果重力稍微更强,恒星将会从更少的物质中形成,这意味着,尽管仍然稳定,它们会更小更短寿(Adams 2008; Barnes 2012: sect. 4.7.1)。

  • 强核力的强度,与电磁力相比,似乎是为了生命而微调的(Rees 2000:第 4 章;Lewis&Barnes 2016:第 4 章)。如果它比现在强大了 50%以上,几乎所有的氢都会在宇宙早期燃烧殆尽(MacDonald&Mullan 2009)。如果它弱了同样的程度,恒星核合成的效率将大大降低,几乎不会形成除氢以外的元素。即使是强核力与实际值相比有更小的偏差,也会对星体中产生足够的碳和氧产生致命影响(Hoyle 等人 1953 年;Barrow&Tipler 1986:252-253;Oberhummer 等人 2000 年;Barnes 2012:第 4.7.2 节)。

  • 两个最轻的夸克质量之间的差异——上夸克和下夸克——似乎是为生命微调的(Carr & Rees 1979; Hogan 2000: sect. 4; Hogan 2007; Adams 2019: sect. 2.25)。这两个质量的微调部分是相对于弱力的强度而言的(Barr & Khan 2007)。它们之间的差异变化可能会影响质子和中子的稳定属性,这两者是这些夸克的束缚态,或者导致一个更简单、不那么复杂的宇宙,在那里除了质子和中子以外的夸克的束缚态占主导地位。如果电子的质量大约比下夸克和上夸克之间的质量差要大一些,也会出现类似的效应。对于这两个最轻的夸克的质量也存在绝对的限制(Adams 2019: fig. 5)。

  • 弱作用力的强度似乎被微调用于生命(Carr & Rees 1979)。如果它减弱约 10 倍,早期宇宙中将会有更多的中子,导致最初形成氘和氚,很快产生氦。依赖于可以燃烧为氦的氢的长寿星球,例如太阳,将不会存在。进一步探讨了改变弱力量对生命存在的可能影响的可能后果由哈尔等人(2014)研究。

  • 宇宙常数表征了真空的能量密度 ρV。根据本文第 5 节中概述的理论基础,人们预期它的值比实际值大很多个数量级(具体取决于所做的具体假设,差异在 1050 到 10123 之间)。然而,只有比实际值大几个数量级的 ρV 值才与星系的形成相符合(Weinberg 1987; Barnes 2012: sect. 4.6; Schellekens 2013: sect. 3)。如果考虑到具有不同重子对光子比率和不同数值 Q(下文讨论)的宇宙,这个约束条件就会放松(Adams 2019: sect. 4.2)。

1.1.2 早期宇宙的微调条件

  • 在非常早期的宇宙中,全球宇宙能量密度 ρ 非常接近其所谓的临界值 ρc。 临界值 ρc 由从负曲率宇宙(ρ <ρc)过渡到平坦(临界密度ρ=ρc)到正曲率(ρ> ρc)宇宙定义。 如果在非常早期的宇宙中 ρ 没有非常接近 ρc,生命就不可能存在:对于稍大一些的值,宇宙会迅速坍缩,时间不足以让恒星演化;对于稍小一些的值,宇宙会迅速膨胀,恒星和星系无法凝聚(Rees 2000: ch. 6; Lewis & Barnes 2016: ch. 5)。

  • 宇宙早期的密度波动相对振幅 Q,大约为 2×10^-5,似乎是为了生命而微调的(Tegmark & Rees 1998; Rees 2000: ch. 8)。如果 Q 小了约一个数量级,宇宙将保持基本无结构,因为重力的作用不足以形成像星系和恒星这样的天文结构。相反,如果 Q 显著增大,宇宙的历史早期就会形成类似星系大小的结构,并很快坍缩成黑洞。

  • 宇宙的初始熵必须极低。根据彭罗斯(Penrose)的说法,与我们所生活的宇宙“相似”的宇宙(2004: 343)仅占可用相空间体积的 10^(-10123)部分。

1.1.3 微调的法则

据称,物理定律被微调以适应生命,不仅涉及其中出现的常数,还涉及其本身的形式。已知的四种基本力中的三种——引力、强力和电磁力——在复杂物质系统的组织中起着关键作用。如果存在一种力缺失的宇宙——而其他力如同我们自己的宇宙中存在——很可能不会产生生命,至少不会以我们所知的形式出现。对于生命最不明确需要的基本力是弱力(Harnik 等,2006 年)。一个没有任何弱力但所有标准模型中的其他力都存在且适当调整的宇宙可能是适宜居住的(Grohs 等,2018 年)。已被认为对生命的存在至关重要的自然定律的进一步一般特征是量子理论中的量子化原则和泡利不相容原理(Collins,2009 年:213f.)。

1.2 条件真的为生命微调了吗?

根据这些考虑,自然法则、常数的数值以及宇宙的边界条件都是为了生命而微调的,这里所指的生命是指一般的生命,而不仅仅是人类生命。根据这些考虑,具有不同法则、常数和边界条件的宇宙几乎肯定不会产生任何形式的生命。对于这些考虑的一个常见担忧是,它们缺乏广泛接受的“生命”定义,因此是没有根据的。另一个担忧是,我们可能严重低估了生命在不同法则、常数和边界条件下出现的倾向,因为我们有偏见地认为所有可能的生命形式都会类似于我们所知道的生命形式。对于这两个担忧的共同回应是,根据微调的考虑,具有不同法则、常数和边界条件的宇宙通常会产生更少的结构和复杂性,这似乎使它们不适合生命存在,无论我们如何准确地定义“生命”(Lewis & Barnes 2016: 255–274)。

维克多·斯坦格(2011)对于我们宇宙的定律、常数和边界条件被微调的观点非常批判。斯坦格认为,自然法则的形式是由合理的、非常微弱的要求决定的,即它们在“没有特殊观点存在的任何宇宙中都是相同的”(第 91 页)。卢克·巴恩斯批评了这一观点(2012:第 4.1 节),认为它混淆了观点不变性与我们宇宙中定律所展现的非平凡对称性属性。值得注意的是,正如巴恩斯强调的那样,广义相对论和基本粒子物理学的标准模型都存在着概念上可行但可能在经验上不受青睐的替代方案。

Stenger 提出的进一步批评是,根据这些考虑,我们宇宙中的条件被精确调整以适应生命的观点通常未能考虑同时改变多个参数的后果。作为对这一批评的回应,Barnes(2012:sect. 4.2)概述了各种研究,如 Barr 和 Khan 2007 年以及 Tegmark 等人 2006 年的研究,这些研究探索了(标准模型的部分)参数空间,并得出结论:在多维参数空间中,适合生命存在的范围可能非常小。

弗雷德·亚当斯(2019)警告称,宇宙被极度微调以适合生命的说法。据他所说,宇宙适宜生命存在的参数范围相当可观。此外,据他看来,宇宙本可以更加有利于生命,而不是更少。值得注意的是,如果真空能量密度更小,原始波动(由 Q 量化)更大,重子与光子的比值更大,强力作用略微增强,引力略微减弱,可能会有更多生命发展的机会(亚当斯 2019:第 10.3 节)。如果亚当斯是对的,我们的宇宙可能只是普通适宜生命存在,而不是最大程度地支持生命。

1.3 生物学中的微调

生物机体是针对生存而进行微调的,因为它们解决生存和繁殖问题的能力在很大程度上关键地依赖于其行为和生理特征的具体细节。例如,许多动物依赖于他们的视器官来发现猎物、捕食者或潜在伴侣。而视觉器官的正常功能在于,又极度依赖于眼睛和大脑的生理细节。

Fine-Tuning for Life Require a Response?生命的微调需要回应吗?

许多研究人员认为,宇宙的法则、常数和边界条件对于生命的微调需要推断出存在一个神圣的设计者(见第 3 节)或一个多元宇宙——一个具有不同法则、常数和边界条件的广阔宇宙集合(见第 4 节)。对于推断出一个神圣的设计者或一个多元宇宙,通常是基于这样一个观点:考虑到所需的微调,如果只有一个未经设计的宇宙,友好于生命的条件在某种意义上是高度不可能的。然而,关于这个观点是否可以以任何哲学概率解释的方式进行详细阐述存在争议。

2.1 在哪种意义上,生命友好的条件是不太可能的?

根据第 1.1 节中所审查的考虑,我们宇宙中的法则、常数和边界条件是为生命微调的观点是基于对物理理论及其参数空间的调查。因此,似乎自然地期望微调生命概率的相关概率将是物理概率。然而,经过更仔细的检查,很难看出这可能是情况:根据物理可能性的标准观点,替代物理法则和常数在物理可能性的定义下是物理不可能的(Colyvan et al. 2005: 329)。因此,替代法则和常数在物理上概率为零,而实际法则和常数的物理概率为一。如果物理学迄今为止确定的法则和常数结果最终只是由早期宇宙的某种随机过程固定的有效法则和常数,而这种过程可能受到更基本的物理法则的支配,那么将开始对这些有效法则和常数应用物理概率的概念将有意义(Juhl 2006:270)。然而,根据第 1.1 节所概述的微调考虑似乎并非基于任何此类过程的推测,因此似乎不隐含地依赖于物理概率的概念。

将概率论的概念应用于生命微调的尝试也面临着困难。批评者认为,从逻辑角度来看,任意的实数都可能是常数的取值(McGrew 等人,2001 年;Colyvan 等人,2005 年)。根据他们的观点,任何与均匀分布不同的概率测度都是任意和无动机的。然而,均匀分布本身将任何有限区间的概率设为零。按照这个标准,如果生命允许的范围是有限的,那么它的概率就是零,这意味着无论是否需要生命微调(如 1.1 节所述),生命友好的常数都是高度不可能的。这个结论似乎违反直觉,但 Koperski(2005 年)认为,对于认为生命友好条件是不可能的并需要回应的观点的支持者来说,它并不像最初看起来那么不可接受。

受到将物理和逻辑概率概念应用于生命微调时出现的困难的驱使,当代的解释常常诉诸于一种基本上认识论的概率观念(例如,Monton 2006;Collins 2009)。根据这些方法,有利于生命的条件是不太可能的,因为我们不会理性地期望它们。对于这种观点的一个明显问题是,对于我们来说,有利于生命的条件并不是真正意外的:事实上,我们早就意识到我们宇宙中的条件适合生命,因此有利于生命的条件的认识论概率似乎是微不足道的 1。正如 Monton(2006)所强调的,为了理解有利于生命的条件在认识论意义上是不太可能的这一观念,我们必须找到一种方法,从我们的一些背景知识中,特别是从我们知道生命存在的知识中,战略性地抽象出来,并从那个角度评估生命存在的概率。(有关进一步讨论,请参见第 3.3 节。)

2.2 不太可能的微调需要回应吗?

即使微调条件在某种实质意义上是不太可能的,将它们视为原始的巧合可能是最明智的选择,我们必须接受它们,而不诉诸于神圣设计或多元宇宙等推测性的回应。无可争议的是,不太可能并不意味着自动需要一个理论性的回应。例如,在一系列长时间的抛硬币中,任何特定的结果序列都具有较低的初始概率(即,如果硬币是公平的,则为 2-N,当抛硬币的次数 N 增加时,这个概率趋近于零),但我们不会合理地将任何特定的结果序列视为需要某种理论性的回应,例如重新评估我们的初始概率分配。戈尔德(1983 年)、卡尔森和奥尔松(1998 年)在生命微调方面也提出了相同的观点。莱斯利承认不太可能的事件通常不需要解释,但他认为微调生命的合理候选解释的可用性——即设计假设和多元宇宙假设——表明我们不应该将其“视为事物发生的方式”(莱斯利 1989 年:10)。范·因瓦根(1993 年)、博斯特罗姆(2002 年:23-41)和曼森和特拉什(2003 年:78-82)都支持类似莱斯利的观点。

Cory Juhl (2006)认为,我们不应该将生命的微调视为需要回应的问题。根据 Juhl 的观点,生命形式可以合理地被认为是“因果分叉的”,因为它们“在存在上因果地依赖于大量和多样的逻辑独立事实的集合”(2006: 271)。他认为,人们会预期“因果分叉”的现象对潜在相关参数的值(例如生命的情况下,常数和边界条件的值)具有敏感依赖性。根据他的观点,生命的微调因此不需要“涉及超级存在者或超级宇宙的奇特解释”(2006: 273)。

微调对于生命而言的意义在 Juhl 看来与 Leslie、van Inwagen、Bostrom、Manson 和 Thrush 等作者认为的意义不同,后者认为友好于生命的条件在认识论的角度上是理性上意外的,因为我们忽略了生命存在的知识。而 Juhl 认为,鉴于我们知道生命的存在并且它具有因果关系,生命对于其存在来说对常数和边界条件的敏感依赖是不令人惊讶的。

2.3 通过新物理避免生命的微调?

生物的微调对于生存和繁殖来说,尽管常常看起来很奇妙,但被生物学家视为不神秘,因为自然和性选择所驱动的进化可以产生它(见第 1.3 节)。人们可能希望,同样地,未来基础物理学的发展将揭示解释我们宇宙中有利于生命的条件的原则或机制。

未来物理学的发展可能实现这一希望的两种不同情景:首先,物理学家可能会找到一个所谓的万物理论,正如阿尔伯特·爱因斯坦所设想的那样,

自然界被构造成这样,可以在逻辑上确立如此强烈决定的法则,以致在这些法则内只会出现在理性上完全决定的常数(因此不是可以改变其数值而不破坏理论的常数)(Einstein 1949: 63)。

爱因斯坦的观点是,最终,物理学的法则和常数将完全由基本的普遍原理所决定。这将使对替代法则和常数的考虑变得过时,并从根本上削弱了任何认为这些法则和常数是为了生命而微调的观点。

遗憾的是,过去几十年的发展并没有对爱因斯坦所表达的希望产生好的影响。在许多物理学家看来,弦理论仍然是最有前途的“一切理论”候选者,因为它潜在地提供了所有已知自然力,包括引力的统一解释。(参见 Susskind 2005 年的通俗介绍,Rickles 2014 年的哲学家历史描述以及 Dawid 2013 年的最近的、有利的方法论评估。)但根据我们对弦理论的现有理解,该理论具有大量的最低能量状态,或真空态,这些状态在经验层面上将表现为根本不同的有效物理定律和不同的常数值。这些将是我们有经验访问的定律和常数,因此弦理论不会像爱因斯坦所设想的那样唯一地确定定律和常数。

根据物理学未来发展的第二种情景,可能会消除至少一些对生命的微调,这是一种关于生命友好条件生成的动力学解释,类似于达尔文式的生物微调对于生存和繁殖的“动力学”进化解释。膨胀宇宙学(Guth 1981, 2000)是这种解释的典型候选示例,因为它动态地解释了为什么早期宇宙的总能量密度 Ω 非常接近所谓的临界值 Ωc(见第 1.1 节)——或者等价地,为什么宇宙的整体空间曲率接近零。根据膨胀宇宙学理论,早期宇宙经历了一段指数或接近指数的膨胀期(“膨胀”),这有效地使空间变平,并导致膨胀后几乎没有曲率,从而使总能量密度 Ω 非常接近临界密度 Ωc。膨胀宇宙学进一步声称的成就包括其能够解释宇宙的观测到的近乎完美各向同性以及磁单极子的缺失。然而,对于膨胀宇宙学的最强实证支持,现在普遍认为来自于它对宇宙微波背景辐射涨落形状的明显正确预测(PLANCK 合作组 2014 年)。

尽管膨胀宇宙学具有吸引力,但其所提出的成就并不被普遍认可。(见 Steinhardt&Turok [2008],两位杰出的宇宙学家的严厉批评,以及 Earman&J. Mosterín [1999] 和 McCoy [2015],哲学家的批判评价。)然而,即使其对早期宇宙的平坦性、各向同性和磁单极的缺失的动力学解释是正确的,也没有什么理由相信类似的解释将适用于许多其他看似为生命而微调的常数、边界条件甚至自然法则:值得注意的是,临界能量密度 Ωc 具有独立可规定的动力学特性,使其成为能量密度 Ω 的系统特定值,而大多数其他常数和参数的实际值,这些常数和参数用于描述边界条件,并没有类似的特殊性,也没有任何明显的系统模式(Donoghue 2007:第 8 节)。这使得很难想象未来的物理理论将揭示出不可避免地导致这些值的动力学机制(Lewis&Barnes 2016:181f)。

微调和设计

对于我们宇宙中的条件似乎为生命而精心调整的观察,一个经典的回应是推断存在一个创造了适宜生命条件的宇宙设计者。如果将这个设计者认同为某个超自然的代理人或上帝,那么从为生命而精心调整的推论到设计者的存在就成为了目的论论证的一个版本。事实上,许多人认为基于为设计者而精心调整的论证是当代科学提供的目的论论证中最有力的版本。

3.1 设计的微调论证:使用概率

对于设计的微调论证的阐述通常以概率的方式表达(例如,Holder 2002;Craig 2003;Swinburne 2004;Collins 2009);另请参阅 Manson 2009 的评论。一个基本的贝叶斯公式考虑了观察 R(即常数(以及定律和边界条件)对生命来说是正确的)对我们对设计假设 D(即宇宙设计者的存在)的信念程度的合理影响。根据标准的贝叶斯条件,我们在考虑 R 之后的后验信念程度 P+(D)由我们的先验条件信念程度 P(D∣R)给出。类似地,我们对于没有宇宙设计者的后验信念程度 P+(¬D)由我们的先验条件信念程度 P(¬D∣R)给出。根据贝叶斯定理,这两个后验信念程度之间的比值是

(1) P+(D)P+(¬D)=P(D∣R)P(¬D∣R)=P(R∣D)P(R∣¬D)P(D)P(¬D).

Fine-tuning 论证的支持者认为,考虑到所需的微调,如果没有神的设计者,友好于生命的条件是非常不可能的;参见 Barnes 2020 对这一主张的仔细论证。因此,条件概率 P(R∣¬D)应该接近于零。相反,如果确实存在一个设计者,他们认为常数适合生命的可能性非常高。因此,条件概率 P(R∣D)应该接近于 1。如果存在一个足够强大的神存在,根据这个观点,我们可以预期她/他将对创造或至少使智能生命感兴趣,这意味着我们可以期望常数适合生命。这激发了可能性不等式。

(2)P(R∣D)>P(R∣¬D),

生命友好的条件证实了设计者假说,这也是像 Sober(2003)这样的可能性主义者认为是微调设计论证的核心。

贝叶斯派不仅关注似然性,还关注先验和后验,他们认为不等式(2)的关键意义在于它导致后验的比率 P+(D)/P+(¬D)远大于先验的比率 P(D)/P(¬D)。对设计者的信仰是否合理,最终取决于先验,但除非这些值明显地支持 ¬D 而不是 D,即 P(¬D)≫P(D),否则后验将支持设计,即 P+(D)>P+(¬D)。贝叶斯派支持精细调整设计论的论点,得出结论:鉴于存在生命所需的精细调整,我们对某位神圣设计者存在的信念程度应大于 1/2。

3.2 人类论反对

我们不可能存在于与观察者存在不兼容的条件下。著名的弱人类论原则(WAP)(Carter 1974)表明,这个看似微不足道的观点可能具有重要的后果。

我们必须准备好考虑这样一个事实,即我们在宇宙中的位置在必要程度上是特权的,以至于与我们作为观察者的存在相容 (Carter 1974: 293, emphasis due to Carter)

我们的经验观察方法不可避免地偏向于检测与观察者存在相容的条件。例如,即使在我们的宇宙中,对生命不友好的地方远远超过对生命友好的地方,我们也不应该感到惊讶地发现自己处于相对较少的对生命友好的地方,并寻求对这一发现的解释,仅仅因为——作为生物有机体——我们不可能发现自己处于对生命不友好的地方。由于我们观察到的事物必须与观察者的存在相容,所以产生的偏见被称为观察选择效应。弱人类原理强调了观察选择效应在宇宙中的位置方面,而卡特称之为强人类原理(SAP)则强调了观察选择效应在整个宇宙中的重要性。

宇宙(以及它所依赖的基本参数)必须是这样的,以至于在某个阶段能够在其中创造观察者。(Carter 1974: 294)

卡特对 SAP 的阐述导致一些作者,最有影响力的是 Barrow 和 Tipler(1986 年),误解它沿着目的论的思路,并因此与 WAP 有着根本的不同。但正如卡特本人所强调的(1983 年:352),还可参见 Leslie(1989 年:135-145),SAP 的目的是要突出与 WAP 完全相同类型的偏见,只有当与多元宇宙假说的一个版本结合时,SAP 才比 WAP 更加强有力。

所谓的人类论反对设计微调论的论点认为,一旦我们考虑到由弱人类原理和强人类原理强调的观察选择效应所引起的偏见,该论点就会崩溃。埃利奥特·索伯(2003 年,2009 年)提出了这一反对意见。根据他的观点,设计微调论需要的不是可能性不等式(2),而是更为棘手的

P(R∣D,OSE)>P(R∣¬D,OSE)

“OSE”代表“观察选择效应”。Sober 本人将 OSE 解释为“我们存在,而且如果我们存在,常数必须是正确的”(2003: 44)。根据这种解释,(3)显然是错误的:我们作为生物的存在意味着常数对于生命是正确的,这意味着(3)两边的术语是微不足道的 1,因此相等,所以在 Sober 的分析中(3)不成立。

批评人类论反对者认为,Sober 的推理在转移到理性推断更具争议的例子时会得出极不可信的结果。最著名的是莱斯利的行刑队(Leslie 1989: 13f.),在这个例子中,一个囚犯期待被行刑队处决,但令他惊讶的是,在所有射手开枪后他竟然活了下来,并怀疑他们是否有意放过他。行刑队的情景涉及观察选择效应,因为囚犯只有在某种方式幸存处决后才能思考他的处决后情况。换句话说,他的观察“偏向”于发现自己还活着(参见 Juhl [2007] 和 Kotzen [2012] 提供的其他有用例子)。Sober 的分析应用于行刑队的情景,暗示囚犯怀疑射手有意放过他(除非有独立证据表明如此)是不合理的,因为这意味着忽视了他所面临的观察选择效应。但正如莱斯利、Weisberg(2005)和 Kotzen(2012)所主张的那样,这一建议似乎非常不可信。

根据韦斯伯格(Weisberg)的观点,索伯(Sober)的分析失败是因为其错误地将观测选择效应 OSE 与“我们存在,如果我们存在,常数必须是正确的”等同起来。韦斯伯格认为,更弱的、纯粹有条件的陈述“如果我们存在,常数必须是正确的”(Weisberg 2005: 819,韦斯伯格的措辞不同)足以捕捉观测选择效应。但如果我们将“OSE”解释为这个陈述,就没有理由认为不等式(3)失败,而且从微调论证的角度来看,人类学上的异议似乎是被证明成立的。(有关索伯的回应,请参见索伯 2009 年。)

为了解决在可能性论证中容纳观察选择效应的困难,Kotzen(2012)建议将由于这种效应而产生的偏见视为证据而非背景信息。值得注意的是,Kotzen 提出考虑,而不是(3)

P(R,I∣D)>P(R,I∣¬D),

根据这一分析,关于设计的微调论证可以通过多种方式来阐述有关观察过程和人类偏见的信息 I,从而免受人类论反对的影响(Kotzen 2012: 835)。

3.3 生命友好条件作为旧证据

根据这些观点,由于所需的微调,认为在认识论意义上不太可能存在有利于生命的条件,这一观点受到了挑战,因为事实上,我们早就知道我们的宇宙是有利于生命的,这意味着对我们来说,有利于生命的条件并非意外。由于这一事实,根据微调参数的贝叶斯论证版本必须对贝叶斯主义的老证据问题(Glymour 1980)提出一些解决方案,因为对我们来说,关于常数适合生命这一点不可避免地是老证据。

Monton (2006)认可的一个明显选择是对设计的微调论证持批判态度的,而 Collins (2009)则支持这一观点,这就是所谓的反事实或原始概率解决旧证据问题,由 Howson (1991)提出并加以辩护。将这一解决方案应用于设计的微调论证的主要优势在于,它允许基本保留论证,包括(1)和(2),唯一的细化是必须始终将所有先验概率 P(⋅),无论是条件的还是无条件的,解释为“原始概率”,即某种反事实认知主体的理性信任,该主体不知道常数对生命来说是正确的。正如 Monton 指出的那样(2006:416),有些奇怪的是,这样的主体至少暂时必须不知道自己的存在(或者至少不知道自己作为一种生命的存在),因为否则她/他不可能不知道条件对生命来说是正确的。Monton(2006:第 4 节)和 Collins(2009:第 4.3 节)对可以合理归因于这样的主体的背景知识提出了初步建议。

使用微调设计的观点来处理概率解决方案的一个优势在于,它为该论点的支持者提供了对人类论反驳的明确拒绝:就像 Kotzen(2012)的方法一样,我们存在的事实不是作为背景知识,而是作为贝叶斯条件考虑的证据。因此,要考虑的合适的可能性比较并不是 Sober 的(3)——至少不是在 Sober 自己对“OSE”包括“我们存在”的解释下——而是(2)或(4),这两者都避开了人类论的反驳。

我们能期待设计者设计吗?

fine-tuning argument for design rests 的可能性不等式(2)是基于这样一个假设,即合理地假定 P(R∣¬D)非常小,因为如果没有设计者,有利于生命的条件是不太可能的。这一假设可以受到质疑,正如 2.1 中已经讨论的那样。但可能性不等式(2)也基于这样一个假设,即 P(R∣D)相对较大,即,如果确实存在设计者,有利于生命的条件比如果没有设计者更有可能。这一假设也可以受到质疑。

合理的 P(R∣D)分配取决于设计者假说 D 的具体阐述方式。根据斯温伯恩(Swinburne)的观点,最有前途的设计者候选人是“传统神论的上帝”,他将其描述为“一个本质上是永恒的、全能的(指他可以做任何逻辑上可能的事情)、全知的、完全自由的和完全善良的存在”(2003: 107)。斯温伯恩认为,我们至少可以相当有信心地认为,如果传统神论的上帝存在,“他将创造一个有秩序的、在空间上延伸的世界,其中人类有一个位置”(2003: 113;请注意,斯温伯恩使用了一个泛化的、非生物学概念的“人类”)。因此,根据斯温伯恩的观点,有利于生命存在的条件,在传统神论的上帝存在的条件下,不具有非常低的概率,即 P(R∣D)很可能不比 1 小很多数量级。根据罗塔(Rota)(2016: 119f.)的观点,即使我们将 P(R∣D)的值设定为一亿分之一,这就足以使得对于神的设计者的微调论变得有力,仅仅因为根据微调考虑,在没有设计者的情况下,有利于生命存在的条件是如此地出乎意料。霍桑(Hawthorne)和艾萨克斯(Isaacs)(2018)也提出了类似的观点。

对认为如果存在设计者,就应该期望有利于生命的常数的观点的批评有着悠久的传统,可以追溯到约翰·文恩(1866)和约翰·梅纳德·凯恩斯(1921)。最近,索伯对我们有能力正确判断真实的神圣设计者会做什么提出了一般性保留意见:

我们对什么算是智能设计的标志的判断必须基于对设计者通常做什么和很少做什么的经验信息。到目前为止,这些判断是基于我们对人类智慧的了解。我们对智能设计者的假设与人类情况的偏离越大,我们就越不清楚推断智能设计的基本规则是什么。(Sober 2003: 38)

纳维森也以类似的精神抱怨我们无法预测宇宙设计者的行为,因为“[b] 无身心超级创造者是一个完全失控的范畴”(Narveson 2003: 99)。根据索伯和纳维森的观点,对于信仰者来说,自信地假设上帝(如果她/他存在)会创造有利于生命的条件,并同时通过强调我们无法理解“神秘的神的方式”来回应邪恶问题,尤其具有问题(Narveson 2003: 99)。曼森(2020)提供了对索伯和纳维森立场的最新辩护,反驳了罗塔(2016)以及霍桑和艾萨克斯(2018)的论点。

可以构建设计者假说 D 的版本,这些版本旨在满足概率不等式(2),方法是将设计者定义为一个既有意图又有能力创造有利于生命的条件的存在。然而,人们可能会质疑这些定制版本的设计者假说是否有足够的独立动机和可信度,值得首先认真考虑。用贝叶斯术语来说,人们可能会犹豫是否应该赋予它们非可忽略的先验概率 P(D)。

在旧证据问题的框架下,为设计提供一个非可忽略的先验 P(D)是特别具有挑战性的,因为它将背景证据限制在不涉及生命存在的事实上。柯林斯认为,如果我们只关注一类有限的常数 C,那么我们可以用来激励先验 P(D)的背景证据可以“包括宇宙的初始条件、物理定律以及除 C 之外的所有其他常数的值”。但是,对宗教的神圣文本的引用不能用来激励非可忽略的 ur-prior P(D)的归因,因为它们预设并因此涉及生命的存在。值得注意的是,正如蒙顿指出的那样,“在制定上帝存在的 ur-probability 时,不能考虑有关耶稣的圣经记载”(2006: 418)。根据蒙顿(2006: 419)的说法,设计的精细调整论的支持者可能会尝试通过诉诸要么是先验的(例如,本体论论证)的上帝存在的论证,要么只是诉诸于不涉及条件是否适合生命的非常一般的经验事实(例如,宇宙学论证)来激励一个非可忽略的 ur-prior P(D)。根据斯温伯恩(2004: ch. 5)的说法,传统神论的假设是简单的,因此有资格被归因于一个非可忽略的先验。

精细调节的设计替代论证

在第 3.1 节中审查的精细调整论证将生命需要精细调整的条件视为背景知识,并评估了友好于生命的条件的观察在这一背景下的证据意义。另一种探讨设计的精细调整论证,由约翰·罗伯茨(2012)探讨,并由罗杰·怀特(2011)在回应韦斯伯格(2010)时进行了独立调查和认可,将我们知道条件适合生命作为背景信息,并评估物理学家洞察力对这一背景的影响,即生命需要精细调整的条件。这种替代方案的优势在于它更符合我们实际的认识情况:条件适合生命是我们长期以来已知的事实;我们实际的新证据是物理定律——正如怀特(2011)和韦斯伯格(2012)所说——在对常数和边界条件施加的约束方面更为严格,而不是宽松。

怀特论证的核心可能性不等式是

P(S|D,O)>P(S|¬D,O),

在这里,“D”代表设计者假说,“S”代表生命需要常数微调的严格法则(即生命需要常数微调的严格法则),而“O”代表我们的背景知识,即生命的存在(White 2011: 678)。 (参见 Roberts [2012: 296],其中有一个假设起着与(5)相似的作用。)不等式(5)表达了严格的法则证实了设计者假说,鉴于我们的背景知识是生命的存在。对于合理的概率分配,这种说法是否合理?White 认为是,并通过从他认为是合理的假设中严格推导出(5)来支持这一说法。其中最关键的是这个不等式。

(6)P(D∣S)≥P(D∣¬S),

白(White)在辩论中提出:“法律对生命施加严格条件的事实本身并不能提供反对设计的任何证据”(White 2011: 678)。换句话说,根据白的观点,缺乏生命存在的信息,法律严格的信息至少不会反对设计者的存在。

Weisberg (2012)批评(6)——并认为他的批评削弱了(5)——认为这是不合理的,根据设计理论家自己的标准。设计理论家持有一种观点的组合,一方面,如果有设计者,生命就更有可能存在,而如果没有设计者,生命就更不可能存在,如果法则严格而不是宽松,生命的可能性就更小。如果在这种观点组合中加入这样的假设,即可能的有利于生命的条件没有比其他条件更高的概率,那么无论是否有设计者,都会指出——暂不考虑生命存在的知识——严格的法则都反对存在设计者,即它指出 P(D∣S)<P(D∣¬S),与(6)相矛盾。在没有任何生命存在的证据的情况下,法则严格的证据都反对生命的存在,因为严格的法则使生命变得意外。

设计理论家可能的回应,正如 Weisberg(2012: 713)所预期的那样,是通过辩称设计者可能首先选择严格或宽松的法则,从而规避她意图在那个阶段使生命存在或者积极偏好严格的法则,然后才选择有利于生命的常数(6)。这种回应的问题与第 3.4 节讨论的困难类似,即我们对宇宙设计者几乎没有经验,因此难以预测假设设计者的偏好和可能的行动。

微调和多元宇宙

根据多元宇宙假说,存在着多个宇宙,其中一些与我们自己的宇宙有着根本的不同。许多认为生命微调需要一些理论回应的人认为,多元宇宙假说是设计者假说之外的主要选择。其基本思想是,如果存在着条件在不同宇宙之间有所不同的多样化宇宙,那么可以合理地预期至少存在一个宇宙的条件适合生命。正如强人类论原则所强调的(见第 3.2 节),我们作为观察者所处的宇宙必须是一个条件与观察者的存在相容的宇宙。这表明,在假设存在着多样化的多元宇宙的情况下,既不奇怪存在至少一个适合生命的宇宙,也不奇怪我们发现自己处于一个适合生命的宇宙中——因为我们不可能发现自己处于一个对生命不友好的宇宙中。许多物理学家(例如 Susskind [2005],Greene [2011],Tegmark [2014])和哲学家(例如 Leslie [1989],Smart [1989],Parfit [1998],Bradley [2009])认为,这种思路暗示着根据我们的宇宙中的条件适合生命而需要微调的发现,推断出多元宇宙是对其合理的回应。

精细调整论证多元宇宙作为人类学解释的推论?

精细调节论证多元宇宙的简要概述有时被描述为对多元宇宙作为生命精细调节的最佳解释的推断——这种解释,由于其对人类论证的吸引力,有时被称为“人类论”(例如,Leslie 1986, 1989: ch. 6; McMullin 1993: 376f., sect. 7; Bostrom 2002)。然而,有争议的是,这种描述是否足够。由 Carter 在开创性论文(1974)中作为典范人类论“解释”而加以描述的是天体物理学家罗伯特·迪克(1961)对宇宙学中大量数字的巧合的解释。这种巧合的一个突出例子是,作用于电子/质子对的电磁力和引力的相对强度大致相同(即约 1040),与以原子物理的自然单位测量的宇宙年龄相当。受到这一及其他巧合的影响,狄拉克(1938)规定它们可能在宇宙中普遍存在,并且是物理原则的问题。他推测,引力的强度可能随着宇宙年龄的增长而减小,这的确使得这种巧合可能在所有宇宙时期都成立。

Dicke (1961)批评 Dirac,认为标准宇宙学与时间独立的引力足以解释这一巧合,只要我们考虑到我们的存在与太阳等主要恒星的存在以及在超新星中产生的各种化学元素之间的联系。正如 Dicke 所展示的,这一要求决定了我们只能发现自己处于这一宇宙时期,其中巧合成立。因此,与 Dirac 相反,没有理由假设引力随时间变化以使巧合不足为奇。Carter (1974)和 Leslie (1986, 1989: ch. 6)将 Dicke 的解释描述为巧合的“人类学解释”,这给 Dirac 留下了深刻印象,Leslie 则不断地从微调论证中讨论它。 (Earman [1987: 309],然而,对 Dicke 的解释是否充分被描述为“解释”存在争议。) 但是,Dicke 对巧合的解释使用了生命的存在作为背景知识,以表明标准宇宙学足以使巧合成为可预期的,而随后所述的多宇宙的微调论证则将生命的存在视为需要理论回应(而不是作为背景知识),并提倡多宇宙假设作为最佳的回应。Friederich (2019b; 2021: ch. 6)概述了如何建立多宇宙的微调论证,以便类似于 Dicke/Carter 对大数巧合的人类学推理。

精细调节论证多元宇宙的概率使用

更经常地,对于多元宇宙的微调论证更像是对最佳解释的推断,它是用概率来阐述的,类似于设计的微调论证(见第 3.1 节)。在论证的简单版本中,将为单一宇宙假设 U(其中宇宙具有统一的法则和常数)和对手多元宇宙假设 M 进行合理的概率分配比较,根据多元宇宙假设 M,存在许多宇宙,这些宇宙的条件在宇宙之间有所不同。(对于关于生命微调的讨论,根据这些假设,只有一个宇宙,其常数在时空中变化,符合多元宇宙假设的版本。然而,根据现有证据,它们似乎不受欢迎,详见 Uzan 2003 进行审查。)

根据 Bradley 2009,我们将命题 R 视为微调证据,即存在(至少)一个具有适合生命的恒量的宇宙。使用贝叶斯条件和贝叶斯定理,可以得到后验比率。

(7)P+(M)P+(U)=P(M∣R)P(U∣R)=P(R∣M)P(R∣U)P(M)P(U).

如果根据 M 的多元宇宙是足够广阔和多样的,生命必然会在其中的某个地方出现,因此条件先验 P(R∣M)必须为 1(或非常接近 1)。如果我们假设,基于只有一个宇宙的假设,它具有适合生命的条件的可能性很小(见第 2.1 节讨论),条件先验 P(R∣U)必须远小于 1。这导致 P(R∣M)≫P(R∣U),从而导致 P(R∣M)/P(R∣U)≫1,进而导致后验比的比率远大于先验比率:P(M∣R)P(U∣R)≫P(M)P(U)。除非我们有充分的先验理由明显地偏好单一宇宙而不是多元宇宙,即除非 P(U)≫P(M),否则后验比 P+(M)P+(U)将大于 1。

正如微调设计的论证一样,多元宇宙的微调论证必须面对生命存在对我们来说是旧证据的问题。如果将豪森的原始概率解应用于此,就必须一贯地将方程式(7)中的所有概率解释为从一个不知道自己存在的反事实认知主体的角度分配的。至少在初看之下,对于处于这种奇特状态的主体可以假定什么背景知识是不清楚的(请参见第 3.3 节的讨论)。尤尔(2007)推测,要激发一个非可忽略的先验概率 P(M)是不可能的,而不是在隐含地依赖于证据,这些证据暗示条件适合生命存在。如果这是正确的,这意味着基于一个在经验上有充分动机的非可忽略的先验概率 P(M)来运行多元宇宙的微调论证,必然会涉及对微调证据 R 的谬误双重计数(正如尤尔所称的那样,“双重计数”(2007:554))。

4.3 逆向赌徒谬误指控

逆赌徒谬误,由伊恩·哈金(1987)所确定,是指从一个具有显著结果的事件推断出过去很可能发生了许多同类型的事件,其中大多数结果并不那么显著。例如,逆赌徒谬误是指一个人进入赌场,在看到最近的赌桌上出现了一个显著的结果——比如,五次六点的骰子投掷中出现了五个六——然后得出结论说这次投掷很可能是一个大序列投掷的一部分。对于多元宇宙的微调论的批评者指责其犯了逆赌徒谬误。据他们称,这一论点犯了这个谬误,正如怀特所说,

假设存在许多其他宇宙,这使得我们观察到的唯一宇宙更有可能适合生命。 (White 2000: 263)

这种批评的版本得到了德雷珀等人(2007)和兰兹曼(2016)的支持。哈金(1987)认为只有那些关于多元宇宙微调论证的版本才犯了逆向赌徒谬误,从而推断出多个宇宙存在于时间序列中。

逆赌徒谬误的拥护者对多元宇宙微调论提出了质疑,认为应该关注命题 R 的影响——即某个宇宙的条件适合生命存在。他们认为,我们应该考虑更具体的命题 H 的影响:即这个宇宙的条件适合生命存在。他们认为,如果我们用 H 替换 R,就会清楚地看到,这个论点是站不住脚的,因为其他宇宙的存在并不提高这个宇宙适合生命存在的概率。

许多哲学家为多元宇宙的微调论辩护,反对这一异议(McGrath 1988; Leslie 1988; Bostrom 2002; Manson & Thrush 2003; Juhl 2005; Bradley 2009; Epstein 2017)。在对 Hacking 的早期回应中,McGrath(1988)认为,微调论为多元宇宙的论证与一个随机进入赌场并目睹了一个非凡结果的人之间的类比是误导性的:虽然进入赌场的人可能会得到任意的结果,但我们不可能发现自己处于一个不适合生命的条件的宇宙中。根据 McGrath 的观点,应该考虑的适当类比涉及到只有在发生某些特定非凡结果时才允许进入赌场的人,当被召进去并发现这一结果已经发生时,推断出过去存在其他的试验。在这种情况下,对多次试验(过去)的推断是合理的,因此,根据 McGrath 的观点,从微调条件推断出多个宇宙也是合理的。

McGrath 的赌场类比的适当性也受到质疑。在 McGrath 的类比中,认识论主体在赌场外等待,直到出现了非凡的结果,她/他才被召进去,“这并不是说我们是等待大爆炸产生某个能容纳我们的宇宙的脱体灵魂”,正如 White 所说(2000: 268)。Epstein(2017: 653)反驳说“这也不是说我们是热切地观察 [宇宙] ɑ—我们指定的潜在家园—并希望它,特别是它,能够容纳我们。” Epstein 的诊断是逆向赌徒谬误指控基于贝叶斯主义的全面证据要求,根据他的说法,在这些情况下应予以拒绝。Draper(2020)以及 Barrett 和 Sober(2020)捍卫了全面证据要求,并在这样做的同时,攻击了 Epstein 对逆向赌徒谬误指控的批评。Bradley(2009)提供了更多赌场类比,超越了 Hacking、McGrath 和 White 考虑过的那些,根据他的说法,这些类比有利于拒绝逆向赌徒谬误指控,但 White 的诊断继续得到支持,例如,由 Landsman(2016)。Friederich(2019a; 2021: ch. 4)认为,从微调到多元宇宙的推论是否犯了逆向赌徒谬误,可能不符合被接受的理性标准的标准,因此,从微调到多元宇宙的推论是否犯了逆向赌徒谬误,可能没有一个明确的答案,这个问题与在更熟悉的情境中遇到的问题如赌场情景中遇到的问题非常不同。

4.4 独立推动和测试多元宇宙假说?

正如刚才所概述的,从我们宇宙为了生命而进行的微调来推断存在多个宇宙是否合理存在争议。然而,如果我们有强有力的独立证据表明其他宇宙存在不适宜生命的条件,那么试图解释为什么我们自己的宇宙适合生命的努力很可能会显得徒劳无功。因此,对于一些多宇宙场景的独立证据可能会对我们认为合理的对待微调为生命而进行的回应产生强烈影响。此外,微调为多宇宙的论证的支持者可能会欢迎这样的证据,因为它有可能有助于激发对多宇宙的非可忽略先验概率 P(M)的动力。

许多物理学家现今认为,现代基础物理学的发展确实暗示了一个特定版本的多宇宙假设,尤其是充气宇宙学和弦理论的结合所提出的。充气宇宙学的许多支持者认为,充气过程导致了因果隔离的时空区域,即所谓的“岛宇宙”。这个过程一般是“永恒”的,岛宇宙的形成从未结束。因此,它导致了一个巨大的(根据大多数模型,是无限的)“多宇宙”岛宇宙的产生(Guth 2000)。

正如第 2.3 节所述,弦理论具有大量的最低能量状态(真空),这些状态将在观测和实验层面上以不同的更高级物理定律和常数值的形式显现出来。当与膨胀宇宙学所建议的岛宇宙的概念相结合时,就得到了一个宇宙学图景,在这个图景中存在着无限多个岛宇宙,其中所有不同的弦理论真空——对应于这些定律中的不同的更高级物理定律和常数——实际上在不同的岛宇宙中得以实现。这种所谓的景观多元宇宙符合多元宇宙的微调论证的具体多元宇宙场景。当然,一个必要的条件是,作为景观多元宇宙的一部分的岛宇宙的集合,包括至少一个与我们自己的有效(更高级)定律和常数相同的宇宙,这一点被广泛认为是成立的。

很遗憾,像景观多元宇宙这样的具体多元宇宙场景非常难以测试,正是因为它们意味着不同的宇宙展现出非常不同的条件。多元宇宙宇宙学文献中的广泛共识是,为了使多元宇宙场景符合经验确认的条件,它必须暗示我们在我们自己的宇宙中发现的条件在多元宇宙中的观察者中是典型的。典型性的广泛使用的表述是维伦金的平庸原则(Vilenkin 1995)和博斯特罗姆的自我抽样假设(Bostrom 2002)。典型性原则可以被看作是人类原则(Bostrom 2002)的细化形式,即自定位信念的无差别原则(Elga 2004):因为我们对我们是观察者中的谁和在哪里一无所知,所以它们建议我们根据我们的经验证据推理,就好像我们可能是任何观察者中的任何一个一样可能。

典型性原则的好处在于至少在原则上可以对多元宇宙理论进行测试(Aguirre 2007; Barnes 2017)。然而,它们是有争议的,因为人们争论典型性是否总是一个合理的假设(Hartle&Srednicki 2007; Smolin 2007),并且很难确定应该假设哪个参考类别的观察者具有典型性。在实践中,选择观察者代理,例如巨大星系中聚集的重子物质的份额(Martel 等,1998 年)或熵梯度(Bousso 等,2007 年)。在宇宙学场景中,这些困难在景观多元宇宙等无限参考类别的观察者中被加剧。规范化这些无限性的问题对应于宇宙学的所谓测度问题,根据一些宇宙学家的说法,“是当今物理学中最大的危机”(Tegmark 2014: 314)。 (有关面向物理学家的测度问题介绍,请参见 Schellekens [2013:sect.VI.B],对其可解性的哲学家的怀疑评估,请参见 Smeenk [2014],以及更乐观的观点,请参见 Dorr&Arntzenius [2017]。)Friederich(2021:ch.8)认为,例如选择观察者代理和宇宙测度的自由使得基于典型性的多元宇宙理论的预测不可靠,并容易受到确认偏见的影响。

多元宇宙理论测试的持续困难是许多领先物理学家(例如,Ellis 2011)对多元宇宙理念本身持续持怀疑态度的主要原因。

5. 微调和自然性

根据许多当代物理学家的观点,最深层次的问题不在于为生命进行微调,而是关于自然性的违反,自然性是粒子物理学和宇宙学中的理论选择原则,可以被描述为无微调准则。

5.1 引入自然性

自然性的基本思想是,由某些物理理论描述的现象不应该对更基本的(目前未知的)理论的具体细节敏感,后者是它的有效低能近似。接下来,在量子场论框架下解释了这一思想的动机、意义和实施。针对物理学家的更详细介绍请参见 Giudice(2008),针对物理哲学家的介绍请参见 Williams(2015)。

现代物理学将我们目前最好的粒子物理理论收集在标准模型中,视为有效场论。有效场论是对假设的更基本物理理论的低能有效近似,其细节目前尚不清楚。有效场论在适用范围上有一个内置的限制,由某个能量尺度 Λ 确定。当应用于与 Λ 高能相关的现象时,有效场论将无法给出正确的结果。此时,必须考虑更基本的理论,而有效场论被认为是低能近似。对于标准模型中收集的理论,已知它们在普朗克尺度 ΛPlanck≈1019GeV 附近无法满足实证要求,因为在那里,目前未知的量子引力效应变得相关。然而,标准模型在普朗克尺度显著以下的能量尺度上可能已经无法满足实证要求。例如,如果存在一些目前未知的质量小于普朗克尺度 ΛPlanck 但超出当前加速器技术范围的粒子与标准模型描述的粒子相互作用,那么标准模型变得不适用的截断尺度 Λ 可能是 M 而不是 ΛPlanck。

在有效场论中,任何物理量 gphys 都可以表示为所谓的裸量 g0 和来自真空涨落的贡献 Δg 的总和,这些真空涨落对应于截断 Λ

(8)gphys=g0+Δg.

裸量 g0 可被看作是一个黑匣子,总结了与截断尺度 Λ 之外能量相关的效应,其中必须考虑未知的影响。将一个理论视为有效场理论意味着将其视为一个自给自足的现象描述,直至截断尺度 Λ。这种观点表明,只有当物理量 gphys 可以达到其实际量级,而不需要在 g0 和 Δg 之间进行多个数量级的微妙抵消时,才能将有效理论视为自然。由于裸量 g0 总结了超过截断尺度 Λ 的物理信息,因此在裸量 g0 和 Δg 之间进行微妙的抵消将意味着,如果与截断尺度 Λ 之外能量相关的现象稍有不同,物理量 gphys 的数量级将不同。

一种可以将自然性的违反描述为微调的实例,即在自然性被违反时,低能现象对于某些未知基本理论的细节依赖敏感,这些理论涉及非常高能的现象。物理学家已经发展出了量化这种意义上的微调的方法(Barbieri & Guidice 1988),这些方法在 Grinbaum(2012)的批判性讨论中得到了讨论。关于自然性的违反是否可以被看作是微调的实例,它们是否应被视为有问题存在争议。Wetterich(1984)提出,任何裸参数的微调都是无问题的,因为这些参数取决于所选择的正规化方案,并且没有独立的物理意义。正如 Rosaler 和 Harlander(2019)所强调的那样,Wetterich 的观点取决于对由参数空间中的整个轨迹 gi(Λ)定义的量子场论的理解。

绝对自然性(见 Wells [2015] 的实证动机)有时被称为自然性的另一标准,即一个理论只有在可以使用全为 1 阶的无量纲数来表述时才是自然的。更宽松的是 ’t Hooft 的技术自然性标准(’t Hooft 1980),根据这一标准,一个理论只有在可以用全为 1 阶或非常小但如果它们确实为零,该理论将具有额外对称性的数来表述时才是自然的。这一表面上任意的标准的动机在于,它优雅地再现了基于上述自然性表述的裁决,即低能现象不应该对某些更基本理论的细节对高能有敏感依赖。

5.2 违反自然性:例证

自然性违背的一个典型例子出现在具有自旋 0 标量粒子(如希格斯粒子)的量子场论中。在这种情况下,物理质量的平方与截断 Λ 的依赖关系是二次的:

(9)m2H,phys=m2H,0+Δm2=m2H,0+htΛ2+….(9) m2H,物理 = m2H,0 + Δm2 = m2H,0 + htΛ2 +….

希格斯粒子的物理质量已经经验性地知道是 mH,phys≈125GeV。 Δm2 的主要贡献,如方程(9)中的 htΛ2 所示,是由希格斯粒子和最重的费米子-顶夸克之间的相互作用造成的,其中 ht 是度量该相互作用强度的某个参数。鉴于顶夸克的经验已知属性,ht16π2 因的大小约为 10^-2。由于它对截断尺度 Λ 的二次依赖性,如果截断尺度很大,ht16π2Λ2 项将会非常大。如果标准模型有效直至普朗克尺度 ΛPlanck≈1019GeV,那么平方裸质量 m2H,0 和真空涨落的影响将必须在大约 34 个数量级上互相抵消,才能导致物理希格斯质量为 125GeV。目前尚不清楚为什么在裸质量 mH 中收集的效应需要与 Δm2 中收集的真空涨落效应如此微妙地平衡。普朗克尺度和希格斯质量相差如此悬殊,这被称为层次问题。由于这个问题,由于希格斯质量引起的自然性违规是如此严重。

对于希格斯质量的自然性问题,已经提出了各种理论替代标准模型的解决方案。在超对称性中(见 Martin [1998] 进行介绍),超对称伴随粒子对 Δm2H 的贡献可以抵消来自重夸克等重费米子的贡献,从而消除微调问题。然而,具有这一特征的超对称理论似乎受到了更近期实验结果的质疑,特别是来自大型强子对撞机的结果(Draper 等人,2012 年)。对于希格斯粒子的自然性问题,其他建议的解决方案包括所谓的技术色模型(Hill&Simmons,2003 年),其中希格斯粒子被额外的费米子粒子取代,具有大额外维度的模型,在这些模型中,希格斯质量和普朗克尺度之间的层次结构被大幅减小(Arkani-Hamed 等人,1998 年),以及具有所谓的弯曲额外维度的模型(Randall&Sundrum,1999 年)。

宇宙常数 ρV 是对整体真空能量密度的具体规定,这更严重地违背了自然性。在这里,由于真空涨落引起的贡献与截断尺度 Λ 的四次方成正比。

(10)ρV=ρ0+cΛ4+….

宇宙学常数的物理值 ρV 经验上被发现大约为 ρV∼10−3eV 的数量级。常数 c 依赖于表征顶夸克和希格斯粒子的参数,经验上已知大约为 1 的数量级。如果我们将截断值取为普朗克尺度的数量级 Λ∼1019GeV,裸项 ρ0 必须抵消贡献 cΛ4 超过 120 个数量级。即使我们假设截断值低至 Λ∼1TeV,即已经达到当前加速器技术的范围,我们发现 ρ0 和 cΛ4 之间仍然需要大约 50 位数字的抵消。与希格斯质量的情况相反,目前很少有关于未来物理理论如何避免这个问题的想法。

5.3 违反自然性和生命微调

如第 5.1 节所述,自然性的违反可以被视为微调的实例,但不是指为了生命的微调。然而,可以通过以下方式建立自然性和为了生命的微调之间的联系:

可以将方程(9)和(10)解释为暗示希格斯质量和宇宙常数的实际物理值要比标准模型框架下预期的值要小得多。值得注意的是,如果希格斯质量的量级与截断 Λ(例如普朗克尺度)相当,并且宇宙常数的量级为 Λ 的 4 次方,那么裸参数就不需要被固定到很多位数,物理参数的数量级就能得到保证,这意味着物理值是自然的。因此,假设自然性和我们目前最好的物理理论在普朗克尺度上是有效的,人们会期望希格斯质量和宇宙常数的值与它们的真空贡献相同数量级,即远大于实际值。

关于在第 2.1 节讨论的规定物理参数可能值的概率分布问题,自然性可能被视为表明所有合理的这种分布在自然值附近具有大部分的概率权重。正如所解释的,对于希格斯质量和宇宙常数,自然值要比观察到的值大得多。认为为了生命而进行微调需要回应的观点的支持者,特别强调与自然性违背相关的生命微调实例,尤其是宇宙常数(例如,Susskind 2005: ch. 2; Donoghue 2007; Collins 2009: sect. 2.3.3; Tegmark 2014: 140f.)。

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Acknowledgments

I am grateful to Luke Barnes, Friedrich Harbach, Robert Harlander and two anonymous referees for helpful comments on earlier versions. Work on this article was supported by the Netherlands Organization for Scientific Research (NWO), Veni grant 275-20-065.

Copyright © 2021 by Simon Friederich <s.m.friederich@rug.nl>

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