多重宇宙：魔瓶中放出的精灵

2014-12-23李剑龙

科学24小时 2014年3期

李剑龙

多重宇宙：魔瓶中放出的精灵

李剑龙

我国南北朝时期，古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。这部论著保留了当时流传于古印度的众多民间故事和传说，其中最著名的当属“三千大千世界”。“三千大千世界”是释迦牟尼佛关于时空的基本看法，他将世界分为大千世界、中千世界和小千世界3个层次。1个大千世界分为1000个中千世界，每个中千世界分为1000个小千世界，每个小千世界又分为1000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4世纪，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丑恶现象？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”虽然不及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200多年，一种同样宏大的野心开始在关于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，西方资本主义世界已多年受到高失业率和高通货膨胀率的双重折磨。宇宙大爆炸理论刚刚庆祝了一场全面胜利，2个美国工程师由于观测到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，对爆炸的缘由却缄口不提。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更为棘手。

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内，经历过一场更剧烈的加速膨胀。在这场加速膨胀中，原先如一个分子大小的空间会变得像银河系一样广阔，而原先如豌豆大小的空间会变得比我们所能观测到的宇宙还要巨大。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。

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。这一假设看似毫无科学根据，但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变大时，表面会变得光滑一样。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，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，20世纪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是大爆炸的开始。就像沸腾的水变成水蒸汽一样，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，微波背景辐射就是它的余温。可是，来自俄罗斯的两位理论物理学家则认为，沸腾的水不会变成水蒸汽，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。每一个气泡就意味着一场大爆炸，其中必然是一个自成一体的宇宙空间，这可以称作为泡泡宇宙。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过任何一种神话、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30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其实非常冷淡。暴胀理论的创始人古斯，竟然在听另一位科学家讲解暴胀如何推导出多重宇宙时睡着了。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。坦白地说，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，正如安德烈·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。

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。因此在几十亿年之前，我们的宇宙又再次从减速膨胀状态转为加速膨胀状态（当然，现在的加速膨胀远不如暴胀那么剧烈）。1998年，两组美国天文学团队的发现震惊了物理学界——他们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，两者相差123个数量级。诺贝尔物理学奖得主史蒂芬·温伯格将原先的预言值称作“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，这些弦生活在十维空间中。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三维空间和一维时间。要做到这一点并不困难，数学家卡拉比和丘成桐已经证明：其他的六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的基本粒子，物理学的统一大业就宣告在即了。

但是，还未等到人们找到符合要求的额外维度形态，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。如此一来，我们即使能动用全宇宙的资源，制造一个宇宙级计算机，恐怕也没有办法迅速从这么多选项中找到一个令人满意的结果。

“瑕疵变成美德”

21世纪初，永恒暴胀、宇宙学常数和额外维度形态这3个难兄难弟走到了一起。在物理学家、畅销科普作家格林看来，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1个，而是像弦论所预言的那样，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1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真实的宇宙呢？此时，永恒暴胀产生的数不胜数的泡泡宇宙学说恰好找到了归宿。

于是，暴胀多重宇宙升级成了弦论中的景观多重宇宙。如果从上帝的视角俯瞰整个宇宙，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山峰。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，必然有一个宇宙与我们看到的完全一致。

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。此外，格林还在著作《隐藏的现实：平行宇宙是什么》中介绍了另外7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衍生物。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。尽管不时有人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，但主流科学界一致认为，若想得出最终结论，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“宇宙只有一个，世界只有一个”的单一视角了。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：“一个新的科学真理的胜利，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，而熟悉它的新一代成长起来而获得的。”