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南北朝时期,印度贵族后裔鸠摩罗什将大乘佛教的重要论著《大智度论》译成中文。这部论著保存了当时流传于印度的众多民间故事和传说,其中最著名的说法当属“三千大千世界”。这种说法认为世界分为大千世界、中千世界和小千世界三个层次。一个大千世界分为一千个中千世界,每个中千世界分为一千个小千世界,每个小千世界亦分为一千个小世界。每个小世界都有相同的构造,中央是须弥山,周围是九山八海、一日月、四大部洲、欲界六天,以及初禅三天。

在类似的问题上,古希腊人的想象力丝毫不输古印度人。公元前四世纪时,数学家欧多莫斯提到毕达哥拉斯学派的一种无限重现、无限循环的思想:“……一模一样的事情还会再次发生,那么我还会手执教鞭、像你一样端坐,再跟你讨论一次,而且其他每一件事情都跟现在一模一样。”而芝诺创立的斯多葛学派则认为,每隔一段时间,宇宙都会毁灭于一场名为ekpyrosis的毁天灭地的大火,之后又会像凤凰一般浴火重生。

18世纪初,微积分的创始人之一莱布尼茨提出了一种更为激进的哲学观点。长期以来,基督教研究者都在试图回答这样一个问题,为什么全知全能的上帝所创造的世界存在如此多的邪恶现象?之前的神学家认为,上帝允许人类拥有自由意志,人类行善还是作恶都在自己的一念之间。而莱布尼茨提出,上帝所创造的世界已经是“所有可能世界”中最好的一个了。其他可能的世界在某个方面比我们的世界更加美好,但另外一些方面必然加倍恶劣。莱布尼茨提到的“所有可能世界”虽然不如佛经或古希腊哲人笔下的众多世界那么具体,但却怀有一种将世界的定义尽可能地外延,使之包罗万象无所不有的野心。又过了两百多年,一种同样宏大的野心开始在宇宙的科学研究中显露。

比大爆炸更猛烈

时间快进到20世纪80年代初,西方资本主义国家已多年困扰于高失业率和高通货膨胀率的双重折磨。大爆炸理论刚刚庆祝了一场全面胜利,两个美国工程师由于观测到它所预言的弥漫在宇宙空间中的微波背景辐射,因此获得1978年的诺贝尔物理学奖。然而,大爆炸理论并没有彻底解释宇宙起源问题,它只告诉你有一场大爆炸,却对爆炸的缘由缄口不提。同时,大爆炸理论的背后还隐藏着更加深刻的危机,它所引发的问题比它解决的问题还要棘手。

此时,一位由于经济不景气而做了多年博士后的美国理论物理学家阿兰·古斯,在同事戴自海的启发下提出,我们的宇宙在大爆炸发生之前的数百万亿亿亿分之一秒之内经历过一场更加剧烈的加速膨胀。在这场加速膨胀中,原先如一个分子大小的空间至少会变成方圆一光年的体量,而原先如豌豆大小的空间大致会变得比我们所能观测到的宇宙还要遥远。古斯将这个过程称为暴胀(inflation),这个单词的原始含义正是通货膨胀。

bigBang

暴胀机制假设宇宙中曾经存在一种起排斥作用的量子场,能够将空间当作气球一样加速吹大。这一假设看起来毫无根据,却以非常小的代价解决了大爆炸理论自身的问题,以及它与粒子物理学和天文观测之间的积怨。例如,大爆炸无法解释为什么宇宙刚刚诞生时,空间的不平坦度和物质的不均匀度都必须限于在小数点后面许多位。在暴胀机制看来,这就像一个皱巴巴的气球吹大时会变得光滑;无论之前的空间如何强烈弯曲,暴胀都会大幅降低它的曲率,之前的物质也可以分布得非常不均匀,但暴胀将空间放大几十个数量级之后,我们目光所及的范围内就看不到那么多不均匀了。暴胀没有经历大爆炸理论的坎坷命运,80年代的理论物理学家几乎在同一时间向它敞开了怀抱。

永恒暴胀

暴胀机制认为,暴胀的结束可以看作大爆炸的开始。就像沸腾的水变成水蒸气一样,原本加速膨胀的空间突然进入减速模式。同时,量子场的能量转化成一锅滚烫的基本粒子,我们看到的所有物质都由这锅粒子演化而成的,微波背景辐射就是它的余温。可是,俄国理论物理学家艾利克斯·维连金和安德烈·林德认为,沸腾的水不会同时变成水蒸气,而是在内部随机产生气泡,直至完全烧干。如果我们的宇宙形成于其中一个气泡的某个角落,那么在这个气泡之前和之后,必然还存在无数其他的气泡,每一个气泡意味着一场大爆炸,其中必然是一个自成一体的宇宙空间,叫做泡泡宇宙。与沸腾的水不同,加速膨胀的空间永远不会“烧干”。虽然每时每刻都会有泡泡宇宙在暴胀的空间中产生,但不要认为暴胀的空间会因此越变越小。请记住,暴胀是一场剧烈的加速膨胀,只要一息尚存,它扩张地盘的速度总是会超过泡泡宇宙产生的速度。所以,暴胀一旦发生,就不可能停止。这是一场永恒的暴胀,它所产生的世界的数量和规模远远超出任何一种神话、宗教和哲学涉猎的景象。

尽管暴胀机制广受欢迎,它预言的现象在之后的三十年间一次又一次地获得验证,但物理学界对永恒暴胀和多重宇宙最初的反应非常冷淡。它的创始人古斯在听维连金讲解暴胀如何推导出多重宇宙时竟然睡着了。人们的第一反应不难理解,永恒暴胀和多重宇宙都在我们所观测的范围之外,没有人能证明它对,也没有人能证明它不对。直白地说,它们不具备科学理论的基本特征。

宇宙学常数和额外维度

然而,正如林德所说,“精灵已经从魔瓶中放出来了,你再也不能把它关进去了。”沉寂了一段时间之后,暴胀的多重宇宙又在另外两个科学进展引发的难题中重振旗鼓。其中一个难题源自宇宙学常数。早在20世纪20年代,爱因斯坦为了从他的方程中得到一个静态的宇宙解,向其中增加了一个同样起排斥作用的宇宙学常数。当哈勃发现宇宙并非静止,而是在膨胀时,爱因斯坦便将宇宙学常数称为他一生中最大的错误。粒子物理学也会得出一种宇宙学常数的等价物,鉴于当时没有人能一窥它的踪迹,人们乐观地认为宇宙学常数必然等于零。

1998年,两组美国天文学家的发现震惊了物理学界。与普通物质产生的引力相比,宇宙学常数的排斥性引力更胜一筹,因此自几十亿年之前,我们的宇宙又再次从减速膨胀状态转为加速膨胀(当然,现在的加速膨胀远不如暴胀那么剧烈)。更令人惊奇的是,观测到的宇宙学常数是粒子物理学的预言值的10-123,也就是说,二者相差123个数量级。诺贝尔物理学奖得主史蒂芬·温伯格称之为“科学史上数量级估算的最糟糕的失败”。

几乎与此同时,超弦理论也遭遇了一场颜面扫地的失败。弦论认为一切基本粒子都是由更微小的弦组成的,这些弦生活在10维时空中。作为许多人眼中的统一广义相对论和量子理论的最有力候选者,弦论应该解释为什么我们只看到了3维空间和1维时间。要做到这一点并不困难,因为数学家卡拉比和丘成桐业已证明,额外的6维空间能够以某种形态蜷缩起来,使我们暂时看不见。人们又一次乐观地认为,只要从已知的几个选项中挑一个合适的额外维度形态,使得在其中振动的弦能够产生已知基本粒子,物理学的统一大业就胜利在即了。

但是,还未等人们找到符合要求的额外维度形态,候选选项的数目就已“暴胀”到了10500个。相比之下,我们所能看到的宇宙中的基本粒子只有1090个。即使动用全宇宙的资源,制造一个宇宙级计算机,恐怕我们也没有办法迅速从这么多选项中找到令人满意的结果。

“瑕疵变成美德”

21世纪初,永恒暴胀、宇宙学常数问题和额外维度形态问题三个难兄难弟走到了一起。在物理学家、畅销书作家格林看来,这一结合将三者之前的“瑕疵变成了美德”。宇宙学常数的问题在于理论和观测值的数量级相差太大,似乎只有比买彩票中头奖还要幸运的物理机制才能解释如此微妙的数值。假如宇宙不只一个,而是像弦论预言的,至少有10500个呢?比如,我们买10500次彩票,每个彩票的号码都在0和1之间。显然,这么多号码中至少有一个号码能精确押中宇宙学常数的观测值。那么,弦论中的10500个选项如何才能变成有血有肉的宇宙呢?此时,永恒暴胀产生的数不胜数的泡泡宇宙恰好找到了归宿。

于是,暴胀多重宇宙升级成了弦论中的景观(landscape)多重宇宙。如果从上帝视角俯瞰整个宇宙,不同区域的宇宙学常数或其他物理常数取值有高有低,像山地景观一样充满了沟壑和尖峰。泡泡宇宙中还会嵌套更多层次的泡泡,每一个泡泡的物理常数可以不同,甚至空间维度和物理规律也可以不同。有些宇宙空无一物;有些宇宙充满了黑洞;有些宇宙虽有一套独特的规律和基本粒子,却无法产生像我们这样的智慧生命;有些宇宙表面上看与我们的宇宙类似,其中甚至还有一个生机盎然的地球,然而主宰那个地球的却是一种体型庞大的爬行动物的后裔。在如此海量的可能性中间,必有一个宇宙与我们看到的完全一致。

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无法回头

至此我们已见过两种多重宇宙。但多重宇宙不是一个理论,而是一套理论。除此之外,格林还在《隐藏的现实:平行宇宙是什么》中介绍了另外七种多重宇宙。如同我们见过的那样,这些多重宇宙大多是某种或几种理论的副产物。虽然有人对多重宇宙避之不及,但他们无法对这么多不同类型的多重宇宙视而不见。支持或反对多重宇宙的人各有一套说辞,或激烈或温和,并且各有诺贝尔奖得主助阵。虽然间或有研究声称从微波背景辐射的特殊图案中发现了支持某种多重宇宙的证据,但主流科学界认为,若想得出最终结论,恐怕我们还要等待很长时间。

无论如何,人类的宇宙观再也无法完全退回到之前“宇宙只有一款、世界仅此一个”的单一视角。在宇宙真相揭晓之前,我们不妨重温量子力学之父、同时也是量子力学某种意义上的反对者普朗克的名言:“一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明,而是通过这些反对者们最终死去,熟悉它的新一代成长起来。”

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本文已发表于《科学24小时》2014年3月刊

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16 Responses to “多重宇宙:魔瓶中放出的精灵”

  1. versugw www.kuaipu.com.cn说道:

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  2. water说道:

    感觉最后普朗克的话说得最好

  3. 我不是这个宇宙的人说道:

    一切都是命啊!残酷的现实!

  4. 郭茂森说道:

    一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明,而是通过这些反对者们最终死去,熟悉它的新一代成长起来。”

  5. 冯吉琥说道:

    貌似宇宙学常数的量级问题不是通过多重宇宙论来解决的,而是通过额外维度。因为真正的问题在于预言的宇宙学常数导致的宇宙曲率。倘若由宇宙学常数所导致的曲率只出现在观测宇宙以外的维度中,那么这一矛盾就冰消玉释了。

  6. 场物质说道:

    “一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明,而是通过这些反对者们最终死去,熟悉它的新一代成长起来。”

  7. xszx说道:

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  8. lxjts说道:

    “一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明,而是通过这些反对者们最终死去,熟悉它的新一代成长起来。”
    卧槽我能说这话太震撼了么!

  9. JASONZHOU说道:

    想象无限,科学不止!厉害

  10. Ray说道:

    最后还是人择原理吗?

  11. 老鱼说道:

    上下四方曰宇,古往今来曰宙。宇宙一词本身就是万物的统称,那N亿个宇宙的总称又应该叫什么呢?要那么多宇宙干什么?

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    试问苍穹,古今谁定?
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    叹时空,因果如人,死生有命。

    念奇点连珠迸,九天邻并。
    多宇宙、膜里同行,另一你、天边遥应。
    在此时,共阅同吟,两同心令。

  14. 申成2011说道:

    不要闲着没事干。我们只有一个宇宙。搞搞好自己的宇宙就可以了。

  15. 冰水梨少说道:

    一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明,而是通过这些反对者们最终死去,熟悉它的新一代成长起来

  16. constantin说道:

    理论要小心求证,实验是检验理论的唯一标准。