多重宇宙：魔瓶中放出的精靈

李劍龍

多重宇宙：魔瓶中放出的精靈

李劍龍

我國南北朝時期，古印度貴族后裔鳩摩羅什將大乘佛教的重要論著《大智度論》譯成中文。這部論著保留了當(dāng)時流傳于古印度的眾多民間故事和傳說，其中最著名的當(dāng)屬“三千大千世界”?！叭Т笄澜纭笔轻屽饶材岱痍P(guān)于時空的基本看法，他將世界分為大千世界、中千世界和小千世界3個層次。1個大千世界分為1000個中千世界，每個中千世界分為1000個小千世界，每個小千世界又分為1000個小世界。每個小世界都有相同的構(gòu)造，中央是須彌山，周圍是九山八海、一日月、四大部洲、欲界六天，以及初禪三天。

在類似的問題上，古希臘人的想象力絲毫不輸古印度人。公元前4世紀(jì)，數(shù)學(xué)家歐多莫斯提到畢達哥拉斯學(xué)派的一種無限重現(xiàn)、無限循環(huán)的思想：“……一模一樣的事情還會再次發(fā)生，那么我還會手執(zhí)教鞭，像你一樣端坐，再跟你討論一次，而且其他每一件事情都跟現(xiàn)在一模一樣?！倍ブZ創(chuàng)立的斯多葛學(xué)派則認(rèn)為，每隔一段時間，宇宙都會毀滅于一場大火，之后又會像鳳凰一般浴火重生。

18世紀(jì)初，微積分的創(chuàng)始人之一萊布尼茨提出了一種更為激進的哲學(xué)觀點。長期以來，基督教研究者都在試圖回答這樣一個問題：為什么全知全能的上帝所創(chuàng)造的世界存在如此多的丑惡現(xiàn)象？之前的神學(xué)家認(rèn)為，上帝允許人類擁有自由意志，人類行善還是作惡都在自己的一念之間。而萊布尼茨提出，上帝所創(chuàng)造的世界已經(jīng)是“所有可能世界”中最好的一個了。其他可能的世界在某個方面比我們的世界更加美好，但另外一些方面必然加倍惡劣。萊布尼茨提到的“所有可能世界”雖然不及佛經(jīng)或古希臘哲人筆下的眾多世界那么具體，但卻懷有一種將世界的定義盡可能地外延，使之包羅萬象、無所不有的野心。又過了200多年，一種同樣宏大的野心開始在關(guān)于宇宙的科學(xué)研究中顯露。

比大爆炸更猛烈

時間快進到20世紀(jì)80年代初，西方資本主義世界已多年受到高失業(yè)率和高通貨膨脹率的雙重折磨。宇宙大爆炸理論剛剛慶祝了一場全面勝利，2個美國工程師由于觀測到彌漫在宇宙空間中的微波背景輻射，因此獲得1978年的諾貝爾物理學(xué)獎。然而，大爆炸理論并沒有徹底解釋宇宙起源問題，它只告訴你有一場大爆炸，對爆炸的緣由卻緘口不提。同時，大爆炸理論的背后還隱藏著更加深刻的危機，它所引發(fā)的問題比它解決的問題更為棘手。

此時，一位由于經(jīng)濟不景氣而做了多年博士后的美國理論物理學(xué)家阿蘭·古斯，在同事戴自海的啟發(fā)下提出：我們的宇宙在大爆炸發(fā)生之前的數(shù)百萬億億億分之一秒內(nèi)，經(jīng)歷過一場更劇烈的加速膨脹。在這場加速膨脹中，原先如一個分子大小的空間會變得像銀河系一樣廣闊，而原先如豌豆大小的空間會變得比我們所能觀測到的宇宙還要巨大。古斯將這個過程稱為暴脹（Inflation），這個單詞的原始含義正是通貨膨脹。

暴脹機制假設(shè)宇宙中曾經(jīng)存在一種起排斥作用的量子場，能夠?qū)⒖臻g當(dāng)作氣球一樣加速吹大。這一假設(shè)看似毫無科學(xué)根據(jù)，但卻以非常小的代價解決了大爆炸理論自身的問題，以及它與粒子物理學(xué)和天文觀測之間的積怨。例如，大爆炸無法解釋為什么宇宙剛剛誕生時，空間的不平坦度和物質(zhì)的不均勻度都必須限于小數(shù)點后面許多位。在暴脹機制看來，這就像一個皺巴巴的氣球變大時，表面會變得光滑一樣。無論之前的空間如何強烈彎曲，暴脹都會大幅降低它的曲率。之前的物質(zhì)也可以分布得非常不均，但暴脹將空間放大幾十個數(shù)量級之后，我們目光所及的范圍內(nèi)就看不到那么多“不均勻”了。暴脹沒有經(jīng)歷大爆炸理論的坎坷命運，20世紀(jì)80年代的理論物理學(xué)家?guī)缀踉谕粫r間向它敞開了懷抱。

永恒暴脹

暴脹機制認(rèn)為，暴脹的結(jié)束可以看作是大爆炸的開始。就像沸騰的水變成水蒸汽一樣，原本加速膨脹的空間突然進入減速模式。同時，量子場的能量轉(zhuǎn)化成一鍋滾燙的基本粒子，我們看到的所有物質(zhì)都由這鍋粒子演化而成，微波背景輻射就是它的余溫?？墒?，來自俄羅斯的兩位理論物理學(xué)家則認(rèn)為，沸騰的水不會變成水蒸汽，而是在內(nèi)部隨機產(chǎn)生氣泡，直至完全燒干。如果我們的宇宙形成于其中一個氣泡的某個角落，那么在這個氣泡之前和之后，必然還存在無數(shù)其他的氣泡。每一個氣泡就意味著一場大爆炸，其中必然是一個自成一體的宇宙空間，這可以稱作為泡泡宇宙。與沸騰的水不同，加速膨脹的空間永遠(yuǎn)不會“燒干”。雖然每時每刻都會有泡泡宇宙在暴脹的空間中產(chǎn)生，但不要認(rèn)為暴脹的空間會因此越變越小。請記住，暴脹是一場劇烈的加速膨脹，只要一息尚存，它擴張地盤的速度總是會超過泡泡宇宙產(chǎn)生的速度。所以，暴脹一旦發(fā)生，就不可能停止。這是一場永恒的暴脹，它所產(chǎn)生的世界的數(shù)量和規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何一種神話、宗教和哲學(xué)涉獵的景象。

盡管暴脹機制廣受歡迎，它預(yù)言的現(xiàn)象在之后的30年間一次又一次地獲得驗證，但物理學(xué)界對永恒暴脹和多重宇宙最初的反應(yīng)其實非常冷淡。暴脹理論的創(chuàng)始人古斯，竟然在聽另一位科學(xué)家講解暴脹如何推導(dǎo)出多重宇宙時睡著了。人們的第一反應(yīng)不難理解，永恒暴脹和多重宇宙都在我們所觀測的范圍之外，沒有人能證明它對，也沒有人能證明它不對。坦白地說，它們不具備科學(xué)理論的基本特征。

宇宙學(xué)常數(shù)和額外維度

然而，正如安德烈·林德所說，“精靈已經(jīng)從魔瓶中放出來了，你再也不能把它關(guān)進去了?！背良帕艘欢螘r間之后，暴脹的多重宇宙又在另外兩個科學(xué)進展引發(fā)的難題中重振旗鼓，其中一個難題源自宇宙學(xué)常數(shù)。早在20世紀(jì)20年代，愛因斯坦為了從他的方程中得到一個靜態(tài)的宇宙解，向其中增加了一個同樣起排斥作用的宇宙學(xué)常數(shù)。當(dāng)哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙并非靜止，而是在膨脹時，愛因斯坦便將宇宙學(xué)常數(shù)稱為他一生中最大的錯誤。粒子物理學(xué)也會得出一種宇宙學(xué)常數(shù)的等價物，鑒于當(dāng)時沒有人能一窺它的蹤跡，人們樂觀地認(rèn)為宇宙學(xué)常數(shù)必然等于零。

與普通物質(zhì)產(chǎn)生的引力相比，宇宙學(xué)常數(shù)的排斥性引力更勝一籌。因此在幾十億年之前，我們的宇宙又再次從減速膨脹狀態(tài)轉(zhuǎn)為加速膨脹狀態(tài)（當(dāng)然，現(xiàn)在的加速膨脹遠(yuǎn)不如暴脹那么劇烈）。1998年，兩組美國天文學(xué)團隊的發(fā)現(xiàn)震驚了物理學(xué)界——他們觀測到的宇宙學(xué)常數(shù)是粒子物理學(xué)的預(yù)言值的10-123。也就是說，兩者相差123個數(shù)量級。諾貝爾物理學(xué)獎得主史蒂芬·溫伯格將原先的預(yù)言值稱作“科學(xué)史上數(shù)量級估算的最糟糕的失敗”。

幾乎與此同時，超弦理論也遭遇了一場顏面掃地的失敗。弦論認(rèn)為一切基本粒子都是由更微小的弦組成的，這些弦生活在十維空間中。作為許多人眼中的統(tǒng)一廣義相對論和量子理論的最有力候選者，弦論應(yīng)該解釋為什么我們只看到了三維空間和一維時間。要做到這一點并不困難，數(shù)學(xué)家卡拉比和丘成桐已經(jīng)證明：其他的六維空間能夠以某種形態(tài)蜷縮起來，使我們暫時看不見。人們又一次樂觀地認(rèn)為，只要從已知的幾個選項中挑一個合適的額外維度形態(tài)，使得在其中振動的弦能夠產(chǎn)生已知的基本粒子，物理學(xué)的統(tǒng)一大業(yè)就宣告在即了。

但是，還未等到人們找到符合要求的額外維度形態(tài)，額外維度形態(tài)候選選項的數(shù)目就已“暴脹”到了10500個。相比之下，我們所能看到的宇宙中的基本粒子只有1090個。如此一來，我們即使能動用全宇宙的資源，制造一個宇宙級計算機，恐怕也沒有辦法迅速從這么多選項中找到一個令人滿意的結(jié)果。

“瑕疵變成美德”

21世紀(jì)初，永恒暴脹、宇宙學(xué)常數(shù)和額外維度形態(tài)這3個難兄難弟走到了一起。在物理學(xué)家、暢銷科普作家格林看來，這一結(jié)合將三者之前的“瑕疵變成了美德”。宇宙學(xué)常數(shù)的問題在于理論和觀測值的數(shù)量級相差太大，似乎只有比買彩票中頭獎還要幸運的物理機制才能解釋如此微妙的數(shù)值。假如宇宙不只1個，而是像弦論所預(yù)言的那樣，至少有10500個呢？比如，我們買10500次彩票，每個彩票的號碼都在0和1之間。顯然，這么多號碼中至少有1個號碼能精確押中宇宙學(xué)常數(shù)的觀測值。那么，弦論中的10500個選項如何才能變成真實的宇宙呢？此時，永恒暴脹產(chǎn)生的數(shù)不勝數(shù)的泡泡宇宙學(xué)說恰好找到了歸宿。

于是，暴脹多重宇宙升級成了弦論中的景觀多重宇宙。如果從上帝的視角俯瞰整個宇宙，不同區(qū)域的宇宙學(xué)常數(shù)或其他物理常數(shù)取值有高有低，像山地景觀一樣充滿了溝壑和山峰。泡泡宇宙中還會嵌套更多層次的泡泡，每一個泡泡的物理常數(shù)可以不同，甚至空間維度和物理規(guī)律也可以不同。有些宇宙空無一物；有些宇宙充滿了黑洞；有些宇宙雖有一套獨特的規(guī)律和基本粒子，卻無法產(chǎn)生像我們這樣的智慧生命；有些宇宙表面上與我們的宇宙類似，其中甚至還有一個生機盎然的地球，然而主宰那個地球的卻是一種體型龐大的爬行動物的后裔。在如此海量的可能性中間，必然有一個宇宙與我們看到的完全一致。

無法回頭

至此我們已見過兩種多重宇宙。但多重宇宙不是一個理論，而是一套理論。此外，格林還在著作《隱藏的現(xiàn)實：平行宇宙是什么》中介紹了另外7種多重宇宙。如同我們見過的那樣，這些多重宇宙大多是某種或幾種理論的衍生物。雖然有人對多重宇宙避之不及，但他們無法對這么多不同類型的多重宇宙視而不見。支持或反對多重宇宙的人各有一套說辭，或激烈或溫和，并且各有諾貝爾獎得主助陣。盡管不時有人聲稱從微波背景輻射的特殊圖案中發(fā)現(xiàn)了支持某種多重宇宙的證據(jù)，但主流科學(xué)界一致認(rèn)為，若想得出最終結(jié)論，我們還要等待很長時間。

無論如何，人類的宇宙觀再也無法完全退回到之前“宇宙只有一個，世界只有一個”的單一視角了。在宇宙真相揭曉之前，我們不妨重溫量子力學(xué)之父，同時也是量子力學(xué)某種意義上的反對者普朗克的名言：“一個新的科學(xué)真理的勝利，不是通過讓它的反對者們信服并看到真理的光明，而是通過這些反對者們最終死去，而熟悉它的新一代成長起來而獲得的?！?/p>

相關(guān)鏈接

安德烈·林德：美籍俄裔宇宙學(xué)家。他是宇宙學(xué)研究的領(lǐng)袖人物之一，是最早提出暴脹宇宙學(xué)的學(xué)者之一，并修正了古斯的模型。

宇宙學(xué)常數(shù)：出自愛因斯坦對靜態(tài)宇宙的哲學(xué)信念。在哈勃提出膨脹宇宙的天文觀測結(jié)果后，愛因斯坦放棄了宇宙學(xué)常數(shù)?？茖W(xué)家認(rèn)為，宇宙學(xué)常數(shù)與暗能量有著某種關(guān)聯(lián)。

超弦理論：又稱弦理論或弦論，是理論物理的一個分支學(xué)科。弦論的一個基本觀點是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子，而是很小很小的線狀的“弦”。

十維空間：人們從直觀上觀察到三維空間和一維時間，相對論稱為“四維空間”。對于超四維空間，科學(xué)界一直沒有統(tǒng)一定論。有人認(rèn)為宏觀世界空間是三維的，微觀世界空間是三維空心球體，時間是四維的，總計為十維空間。