第二层多重宇宙,永远无法到达的地方
之前,我曾把暴胀称为“不断给予的礼物”,因为每一次你认为它不会再给出更激进的预测时,它都再一次颠覆你的想法。如果你感到第一层多重宇宙实在太大了,难以接受,那么,试着张开思维的翅膀,想象一下,假如有无穷多个第一层多重宇宙,有一些甚至拥有明显不同的物理定律,你的脑袋会不会一个变成两个大?
然而,安德烈·林德、亚历克斯·维兰金、阿兰·古斯和他们的同事们已经告诉人们,这就是暴胀理论作出的典型预测。我们将它称为第二层多重宇宙。
同一个空间,许多个宇宙
物理学家怎能允许如此疯狂的事情存在?我们在图4-8中看到,暴胀能从有限的体积内创造出无限的体积。
正如图5-3所示,我们没有理由认为暴胀不会在几个相邻的体积内发生,只要交界处的暴胀永不结束,就能由此产生出几个相邻的无限区域(也就是第一层多重宇宙)。
这意味着,如果你居住在其中一个第一层多重宇宙中,你根本不可能去拜访相邻的某一个——暴胀不停地在边界区域创造出空间,速度非常快,你根本不可能穿越过去。
这就好像我和孩子们玩的火箭游戏,我会假装他们坐在火箭的后座上,我带着他们一起前往第一层多重宇宙的边界:
“老爸,我们到了吗?”
“还有一光年。”
“老爸,我们到了吗?”
“还有两光年。”
也就是说,尽管其他第二层平行宇宙与我们处于同一个空间中,但它们与我们的距离无限远,即使我们以光速前进,也永远无法到达它们。与之不同的是,其他第一层平行宇宙从本质上说是可以到达的,你甚至能去往第一层多重宇宙中任意远的地方,只要你有足够的耐心,并且拥有一台宇宙膨胀减速器[17]。
我在图5-3中简化了许多因素,比如忽略了空间正在膨胀。图中,我用垂直的细线将几个U形的第一层多重宇宙分开,而这里正是永恒暴胀的区域,它们膨胀得非常迅速,并且其中有一些地方最终会停止暴胀,孕育出新的U形区域。如果考虑到上述特征,会更加有趣,因为第二层多重宇宙其实更像图5-4中展示的树形结构。
任何暴胀的区域都会膨胀得非常迅速,但是暴胀最终将会在其中一些部分终结,形成U形区域,而每一个U形区域都是一个无限的第一层多重宇宙。这个树形结构的树枝会永远生长下去,创造出无数多个这样的U形区域——所有U形区域一起组成了第二层多重宇宙。在每一个U形区域内,暴胀的终结都将把暴胀物质转变为粒子,最终聚集形成原子、恒星和星系。阿兰·古斯喜欢把每一个第一层多重宇宙叫作“口袋宇宙”(pocket universe),因为它可以很方便地塞进这个树形结构的树枝上。
花样繁多!被改变了的定律
在本章前面部分,我曾提到,第二层多重宇宙可以包含许多不同的无限区域,而这些区域内的物理定律也不尽相同,甚至可能有着天壤之别。诚然,这听起来十分古怪,物理定律怎么可能允许不同的物理定律存在呢?关键在于,从定义上来说,物理定律可以分为基本物理定律(fundamental laws of physics)和有效物理定律(effective laws of physics)。基本物理定律无论在何时何地都是一成不变的,但它能衍生出复杂的物理状态;在不同的物理状态中,有自我意识的观察者就会推论出不同的有效物理定律。
如果你是一条鱼,一辈子都生活在大海里,那么你可能会错误地认为,水并不是一种物质,只是空旷的空间。人类眼中那些水所拥有的性质,比如,游泳时受到的摩擦力,都被你这条鱼误认为是基本物理定律。例如,你会认为:“一条匀速运动的鱼如果不扇动鱼鳍,就会停下来,变成静止状态。”你可能根本不知道水有3种不同的状态——固相、液相和气相。你也可能不知道,你所谓的“空旷的空间”实际上只是液相——这是描述水的方程的一个特殊解。
这个例子可能听起来很傻,如果一条鱼真的这么想,我们也许会忍不住嘲笑它。但是,我们人类所认定的空荡荡的空间有没有可能也是某种奇妙的介质呢?如果真是这样,我们也应该遭到嘲笑!实际上,越来越多的证据表明,这确实是事实。不止“空旷的空间”是某种介质,这种介质似乎还拥有许许多多种状态,比水的3种状态多多了,可能约有10⁵⁰⁰种,甚至可能有无数种。这就开启了一种可能性:除了弯曲、拉伸和振动,我们的空间还可能存在与水的冻结和蒸发类似的性质!
物理学家是怎样得出这个结论的呢?如果一条鱼足够聪明,它就能通过实验证明自己的“空间”只不过是一些遵循着数学公式的水分子。再对这些公式进行研究,它就能如图5-5中画的那样,得出这些公式的3个解,分别对应着三相,也就是固态的冰、液态的水和气态的水蒸气,即使它可能一辈子都没有见过冰山和喷着水蒸气的海底火山口。同样,我们物理学家也正在寻找着那些能够描述我们的空间及其内容物的公式。我们还没有找到最终的答案,但是我们目前所得到的近似解和水有许多相似之处——它有不止一个解(也就是相),可以描述均匀的空间。在最终答案的候选者中,弦理论是最有可能拔得头筹的那个,人们发现它存在至少10⁵⁰⁰个解。而对其他候选者(比如圈量子引力论)来说,目前也没有迹象表明它们只存在唯一的解。物理学家喜欢把一个理论可能存在的所有解的集合称作这个理论的“图景”(landscape)[18]。不同的解所具有的不同性质组成了各自的有效物理定律,但它们都是相同的基本物理定律容许范围内的不同可能性。
这和暴胀有什么关系呢?令人惊讶的是,永恒暴胀有能力创造出任何一种可能存在的空间类型!它将整个图景变为了现实。事实上,对空间的每一种相,暴胀都能创造出无数多个第一层多重宇宙,每一个的内部都充满了这种相。这意味着,我们这些观察者很容易被愚弄,也很容易得到和鱼儿一样错误的结论:由于我们观察到我们的宇宙空间中处处拥有相同的性质,所以我们很容易错误地认为其他地方的空间也同样如此,认为它们与我们的空间一样,拥有同样的性质。
暴胀是如何做到这一点的呢?要让空间发生相变,需要大量能量,而我们日常观察到的种种过程都不具备这样的能量,所以无法完成这种改变。但是,回溯到暴胀的时代,每个微小的空间内都蕴藏着巨大的能量,足以使得前文提到过的量子涨落在微小的区域内触发偶然的相变,这个小区域随后暴胀为一个硕大无朋的区域,其内部处处拥有相同的相。此外,一个区域要停止暴胀,必须要处于特定的相,才能够保证两种相之间的边界区域处于永恒暴胀的状态。所以,每种相都各自把一个第一层多重宇宙塞得满满当当。
那么,这些异相的空间看起来什么样呢?
想象一下,假如你以前从来没有听说过汽车,也完全不知道汽车的工作原理,可是你生日那天却收到了一辆汽车作为礼物,车钥匙就插在点火装置上。你十分好奇,钻进车里,东摸西搞,把各种按钮、旋钮、控制杆都试了一遍。最后,你终于发现了正确的使用方法,并学会了开车,开得还相当不错。但是,假设有人在你拿到车之前,神不知鬼不觉地把变速杆旁表示倒车挡的字母“R”擦掉了,并对变速器动了手脚,导致你必须使出全身力气才能把变速杆换到倒车挡。这意味着,除非有人告诉你真相,那么你可能永远也不知道车还能倒着开。如果有人向你请教如何开车,无一例外,你会错误地向他断言,只要发动机尚在运行,那么,油门踩得越狠,向前的车速就越快。同样,如果此时在另一个平行宇宙中,同一辆车被改装后,需要巨大的力量才能向前进而不是向后退,那另一个你可能会总结道:“这台奇怪的机器只能倒着开。”
我们的宇宙和这辆车有异曲同工之妙,它有一堆控制用的“旋钮”(见图5-6)。这些旋钮正是规定物体随外力如何运动的定律——就是我们在学校里所学的物理定律,包括所谓的自然常数。每设定一次旋钮的位置,都相当于设定了空间的一种相,所以,假如一共有500个旋钮,每个旋钮有10个可选的档位,那么,空间就总共有10⁵⁰⁰种不同的相。
当我还在上高中时,老师告诉我们,这些定律和常数都是放诸四海而皆准的,永远不会随地点和时间而改变。这显然是错误的。可是,他错在哪里呢?原来,要拧动这些控制宇宙的旋钮,改变它们的档位,就像扳动那辆汽车里的变速杆一样,需要巨大的能量——比我们目前所能支配的能量大多了,所以,我们根本不知道这些设定竟然可以改变,甚至连这些设定的存在都不知道。但是,与汽车变速杆不同,大自然的“旋钮”隐藏得非常好。这些“旋钮”以所谓的“高质量场”(high-mass fields)等晦涩不清的形式存在,不仅改变它们需要巨大的能量,甚至连探测到它们的存在也需要相当大的能量。
那么,物理学家们是如何发现这些旋钮的存在,以及它们竟然可以在巨大的能量作用下,改变宇宙运行规律的呢?用同样的方法,你也能发现你的车竟然还能倒着开,只要你拥有足够的好奇心。这种方法就是,认真研究各个零件的工作原理!比如,仔细钻研一下变速箱。同样,对自然界最小的基本构件进行仔细研究后,人们发现,只要加诸足够的能量,它们就会重新排列,改变宇宙的运行规律,我们将在下一章对这些基本构件进行探索。永恒暴胀可能早已向量子涨落提供了足够的能量,并在不同的第一层多重宇宙中触发了这种重新排列。这就好像一只身强力壮的大猩猩闯进一个停满了车的停车场,大肆地随意破坏车里的按钮和变速杆。等它搞完破坏,一定有一部分车处在倒挡上。
总而言之,第二层多重宇宙从根本上改变了我们对物理定律的传统观念。许多曾被认定为放诸四海而皆准、不随时间和空间而变化的基本定律,到头来原来都只是有效物理定律,就像只对本地人有约束力的地方法规一样,每个地方的旋钮设定都可能不一样,从而形成不同的相。表5-2总结了这些观念及其与平行宇宙的关系。这延续了一个古老的趋势——曾几何时,哥白尼认为行星轨道成完美的圆形是基本物理定律,而现在,我们知道非正圆形的轨道更加普遍。行星轨道偏离正圆形的程度(天文学家称之为“离心率”)就好似一个可控的旋钮,但是,一旦太阳系已经形成,这个旋钮的相位就很难改变,即使可变,变的速度也很慢。第二层多重宇宙把这种概念上升到了一个新高度,将许许多多基本物理定律都降级为了有效物理定律。我们接下来将继续探索这一点。
微调性是第二层多重宇宙的证据
那么,第二层多重宇宙究竟是否存在呢?此前我们已经看到,永恒暴胀的证据(已经有很多了)正是第二层多重宇宙的证据,因为后者是前者的预测。我们也看到,如果一些自然规律或常数本质上是可以随地点而变化的,永恒暴胀就会让它们在第二层多重宇宙中全部实现。那么,有没有更多直接的证据来证明第二层多重宇宙的存在,而不用如此依赖理论推测呢?
在这一节中,我将论证这个观点,即我们的宇宙似乎经过了某种精细微调,以适应生命的出现。从根本上说,我们发现,前面提过的那些旋钮似乎被调到了非常特殊的数值,如果有人哪怕极其轻微地改变了这些数值,我们所知的一切生命形态都不可能出现。比如,如果旋动暗能量的旋钮,星系将不可能形成;再旋动另一个旋钮,原子就会变得不稳定,诸如此类。这就好像,如果我没有经过飞行训练就去开飞机,面对驾驶舱里琳琅满目的旋钮,我肯定立刻吓趴下了。但是,如果我有能力随意拧动我们宇宙的旋钮,毫无疑问,我能活下来的概率肯定更低。
据我观察,人们对已观测到的微调性有三种反应:
●偶然说。有人认为,这只是一种偶然的巧合,别无长物。
●设计说。有人认为这是一个证据,说明我们的宇宙是由某种实体(也许是一个神,或者一个高级的宇宙模拟生命形态)设计出来的,它谨慎小心、一丝不苟地把那些旋钮微调到了允许生命存在的数值。
●多重宇宙说。有人认为这是第二层多重宇宙存在的证据。因为,如果旋钮的每个档位都可能出现于某处,那么,自然地,我们当然会发现自己处在一个最适宜的区域。
接下来,我们将探讨“偶然说”和“多重宇宙说”,在第11章探索“设计说”。不过首先,让我们先来看看到底有哪些微调证据,给我们带来了这么多麻烦。
微调暗能量,让宇宙正常运转
我们在第3章中已经看到,我们的宇宙史就是一场万有引力的拔河比赛,对战双方是暗物质和暗能量,前者千方百计想把物质聚集在一起,而后者则处心积虑地将物质分离开。由于星系形成需要将物质拉拢在一起,所以我把暗物质看作我们的朋友,而把暗能量看作我们的敌人。曾经,暗物质在宇宙中占大多数,它那友善的万有引力帮助星系聚集成型,比如我们的银河系。然而,随着宇宙膨胀,暗物质被逐渐稀释,但暗能量却没有被稀释。暗能量无情的万有“斥力”最终占了上风,遏制了更多的星系形成。
这意味着,如果暗能量的密度极其庞大,它就会赶在第一个星系形成之前迅速占据上风。这样一来,宇宙就会胎死腹中,永远陷入黑暗的深渊,没有一丝生命的火种,只有近乎均匀的气体。反过来说,如果暗能量密度减少到负值(爱因斯坦的理论允许这样的情况存在),那么我们的宇宙就会停止膨胀,生命还来不及进化,宇宙就会坍缩为灾难性的“大挤压”。简而言之,如果你真的找到了旋动“暗能量旋钮”(见图5-6)以改变暗能量密度的方法,拜托你,两个方向都不要调得太多,因为这对生命来说是一件糟糕的事——这就像按下了关机键。
那么,暗能量这个旋钮最多能拧到多少,才不至于让万物轰然倒塌呢?目前旋钮的设定相当于我们实际测量暗能量密度的结果,即每立方米大约包含10⁻²⁷千克。这个数字与整个可调范围相比,简直相当于零——暗能量密度旋钮的最大值是每立方米10⁹⁷千克,那时量子涨落用微型黑洞布满了空间;而最小值的绝对值与前者相同,只是前面加了一个负号,即每立方米-10⁹⁷千克。如果图5-6中的暗能量旋钮旋转一整圈就能让暗能量密度在整个可调范围内最大限度地变化,那么,在我们的宇宙中,该旋钮的实际位置偏离中点刻度的比例仅为10⁻¹²³。这意味着,如果你从零点开始微调旋钮,想把它旋转到允许星系形成的位置,那你必须小心翼翼地拧动一个极其微小的角度。小到什么程度呢?小到小数点后120多位!尽管这听起来像是不可能完成的任务,但某些机制却似乎完美地做到了这一点,将参数调整得非常精确,好让我们的宇宙能正常运转。
微调粒子,建立稳定的原子世界
在下一章中,我们将探索基本粒子的微观世界,那里也有许多旋钮,决定着粒子的质量和相互作用力的大小。如今,科学界越来越清晰地意识到,这些旋钮仿佛也经过了精确的微调。
比如,如果电磁力略微降低4%,太阳就会立刻爆炸,氢会立刻聚变为所谓的双质子(diprotons,双质子是一种不含中子的氦,在其他情况下是不可能存在的)。而如果将电磁力稍微升高一点点,之前稳定的原子(譬如碳和氧)就会产生放射性,并很快发生衰变。
如果弱相互作用力略微降低一点点,我们周围就不会出现氢,因为它们都将在大爆炸后不久就全转变为氦了。如果弱相互作用力过高或者过低,超新星爆炸释放出的中微子就无法吹走恒星外层,那生命进化所必需的重元素(比如铁元素)就难以被回馈到宇宙空间,最终也没法落在地球这样的行星上,更别说孕育出生命了。
如果电子比现在轻很多,那就不可能存在稳定的恒星。如果电子重很多,就不可能存在晶体和DNA分子之类的有序结构。如果质子重0.2%,它们就会衰变为中子,无法捕获电子,所以原子也将不复存在。如果质子轻很多,原子内部的中子就会衰变成质子,那么除了氢之外,宇宙中不可能存在其他稳定的原子了。实际上,控制质子质量的那个旋钮拥有非常宽广的可调范围,却必须被调到小数点后33位的精确度,宇宙中才可能形成氢原子以外的稳定原子。
充满探险之旅的微调宇宙学
大部分微调的例子都发现于20世纪七八十年代,发现者是保罗·戴维斯(Paul Davies)、布兰登·卡特(Brandon Carter)、伯纳德·卡尔(Bernard Carr)、马丁·里斯(Martin Rees)、约翰·巴罗(John Barrow)、弗兰克·蒂普勒(Frank Tipler)、史蒂文·温伯格等物理学家。近年来也正涌现出越来越多的例子。我进入该领域的第一次探险就是同马丁·里斯一道。他是一位极具英伦风格的白发天文学家,很有魅力,也是被我视为英雄的科学家之一。我从来没见过有人演讲时像他那样欢欣鼓舞,他的眼睛仿佛总是放射出热情的光芒。他也是第一位鼓励我遵从自己的内心、追寻非主流话题的科学权威。我们在上一章里看到,宇宙种子起伏的幅度大约为0.002%。马丁和我经过计算得出,如果这个数值小很多,星系就不会形成;如果它大很多,则会发生频繁的小行星撞击等艰难之事。
我正是在讲这个主题时,台下的阿兰·古斯进入了梦乡。而那场演讲的主持人亚历克斯·维兰金则一直醒着,后来,我们组成了一个研究团队,开始研究中微子——这是一种由大爆炸创造出来的鬼魅般的粒子,数量很丰富。同样,我们发现它们也仿佛经过了细致的微调,如果它们重很多,就会阻挠星系的形成。我在MIT的同事弗兰克·韦尔切克(Frank Wilczek)冒出了一个想法,关于暗物质的密度在平行宇宙之间是如何变化的。
他和我、马丁·里斯、安东尼·阿吉雷(Anthony Aguirre)一起进行了计算之后发现,如果把暗物质的旋钮拧动到远离观测值的地方,我们的健康也将受到损害。
一个无法解释的巧合
那么,我们应当如何看待微调性呢?首先,让我们来看一下,为什么我们不能对它置之不理,只把它看作一堆偶然的巧合。这是因为科学方法不能容忍无法解释的巧合存在,比如,“我的理论需要一个无法解释的巧合才能符合观测结果”等同于“我的理论被排除了”。例如,我们已经看到,暴胀理论预测出空间是平坦的、宇宙微波背景中斑点的平均尺度约为1度,这些预测都得到了第3章所提到的那些实验的证明。假设普朗克卫星团队观测到的平均斑点尺度竟比这个预测值小很多,促使他们不得不宣布以99.999%的置信度排除了暴胀理论。如果出现这种情况,暴胀依然有可能成立,因为它所预测的平坦宇宙中的随机涨落依然有可能生成与测量值一样小得异乎寻常的斑点,从而哄骗他们得出暴胀不存在的错误结论。然而,有99.999%的可能性,这种事并不会发生。换句话说,在这种情况下,暴胀理论需要十万分之一的巧合才能符合观测结果。如果阿兰·古斯和安德烈·林德现在联合举行一场新闻发布会,坚称没有任何证据证明暴胀不存在,因为他们的直觉认为普朗克卫星的测量结果只是一个偶然的巧合,应该被排除掉,那他们俩就违背了科学方法。
也就是说,随机涨落意味着我们在科学中永远不能100%确定某一件事——永远存在一个微小的可能性,会让你不幸遭遇随机的测量噪声,诸如探测器故障,甚至有可能整个实验都只是一场幻觉。不过,在实际操作中,如果一个理论以99.999%的置信度被排除掉了,就相当于已被科学界判了死刑。与之类似,那种认为暗能量的微调性只是一个偶然的理论,同样需要一个无法解释的巧合,而这个巧合被排除掉的置信度为99.999999……%,小数点后大约有120个9。
那个A打头的单词——人择原理
那么,第二层多重宇宙如何解释微调性呢?有一个理论认为,自然界的旋钮刻度上的任意一个数值,本质上都有可能出现在某处,那么这种理论将预测到,我们这种宜居宇宙会出现的可能性是100%。由于我们只能生活在一个宜居的宇宙中,所以无须惊讶我们正好栖身于这样一个宇宙中。
虽然这个解释符合逻辑,却引来了众多争议。在地心说这种认为地球很特殊的观点被证明为愚蠢之见之后,它的对立面根深蒂固地植入了人们的大脑。这个与地心说对立的观点就是哥白尼原理,该原理认为我们在时间和空间中所处的位置都毫无特别之处。布兰登·卡特对哥白尼原理提出了异议,他把自己的观点称为“弱人择原理”(weak anthropic principle)。他说:“我们必须考虑到一个事实,那就是,我们在宇宙中的位置必然是特殊的,至少特殊到允许我们这些观察者存在。”我的一些同行认为,这种观点是一种倒退,让人联想到地心说。但是,当我们把微调性纳入考量时,第二层多重宇宙的图景确实与哥白尼原理相悖,如图5-7所示,绝大多数宇宙都是一片死寂,我们的宇宙却与众不同——它包含的暗能量比其他大多数宇宙少很多,与此同时,其他“旋钮”的设定也迥然不同。
引入无法观测的平行宇宙来解释观测现象,惹恼了我的一些同行。我还记得1998年费米实验室的那场演讲,那里位于芝加哥郊外,拥有一台著名的粒子加速器。当一位演讲者谈到那个以“A”打头的单词——“anthropic”(人择)时,观众席上爆发出一阵嘘声。后来,为了躲避人们灵敏的嗅觉,也为了通过审稿,马丁·里斯和我一起写第一篇人择原理论文时,发明了我们自己的方法:在摘要中避免使用这个“A”打头的单词……
从个人的角度来说,我对卡特提出的人择原理仅存一点异议:它不应该只是一个原理。因为“原理”二字意味着它是可选择的,也就是说还可能存在其他选项。但事实并非如此。用正确的逻辑来对待一个符合观测的理论,这是必须的,而不是一个可选择的选项。如果大部分空间都不宜居,我们当然会出现在一个特别宜居的地方。实际上,别提其他宇宙了,只消看看我们自己的宇宙,你便会发现,大部分空间也都是相当不宜居的——如果你出生在空旷无垠的星系间空洞,或者一颗恒星内部,那只能祝你好运了!再比如,在我们的宇宙中,只有一千分之一的万亿分之一的万亿分之一的万亿分之一的空间位于一颗行星表面1公里的范围内,所以,这真的是一个非常特别的地方。这就是我们栖身的地方,一点也不用惊讶。
再举个更有趣的例子吧。比如,用M来代表太阳的质量,M影响着太阳的光度。运用基本物理定律,我们就能计算出允许我们所知的地球生命形态存在的M值区间。这个区间非常狭窄,大约在1.6×10³⁰~2.4×10³⁰千克之间。否则,地球的气候就会变化,要么比火星还要冷寂,要么比金星还要炎热。那M值究竟为多少呢?
M的测量值大约为2.0×10³⁰千克。根据计算可知,恒星的质量范围很广,约为10²⁹~10³²千克,而太阳的质量为何如此巧合,正好位于允许生命存在的小范围内,就像被微调过一样呢?这个巧合无法解释,看起来让人有些不安。然而,我们却可以这样来解释这个巧合:宇宙中有许许多多恒星系,它们各自有着不同的“旋钮设定”,比如不同的母星尺度和恒星轨道。很明显,我们栖身的地方必然是一个宜居的恒星系。
这个例子的有趣之处在于,我们可以用太阳系的微调性来预言其他不同恒星系的存在,即使它们还未被我们发现。用同样的逻辑,我们也可以用我们宇宙的微调性来预言其他不同宇宙的存在。唯一的区别在于,其他恒星系可以被我们观测到,其他宇宙却永远无法被我们观测到。但这点区别并不能弱化前面所说的论证过程,因为它与逻辑推理无关。
我们究竟希望预测什么
我们物理学家很喜欢测量数字,比如下面这些参数的测量值:
●地球的质量:5.9742×10²⁴千克。
●电子的质量:9.10938188×10⁻³¹千克。
●地球绕着太阳旋转的轨道半径:149597870 691×10²⁴米。
●电子绕着氢原子旋转的轨道半径:5.291 772 11×10⁻¹¹米。
除此之外,物理学家还喜欢尝试从基本原理来预测这些数字。那么,我们成功过吗,或者这只是一厢情愿?
约翰尼斯·开普勒在作出“行星轨道是椭圆形的”这个著名发现之前,曾经提出过一个优雅的理论,与上面所列的第3个数字有关。他提出,水星、金星、地球、火星、木星和土星的轨道就好像位于6个球体中,这6个球体像俄罗斯套娃一般嵌套在一起,每层间分别插入了一个八面体、一个二十面体、一个十二面体、一个四面体和一个立方体(见第6章图6-2)。且不说这个理论很快就被更精确的观测所排除了,它的整个前提看起来都很愚蠢,因为现在我们知道,宇宙中还存在有其他恒星系,我们测出的太阳系行星轨道数据根本无法带来任何关于宇宙本质的信息,只能告诉我们在宇宙中的位置。具体到这个案例中,也就是我们居住在哪个特别的恒星系中。从这个意义上说,我们可以把这些数字看作我们在空间中的地址的一部分,或者我们在宇宙中的邮政编码的一部分。
比如,一个外星人邮递员要向地球递送包裹,我们如何向他解释太阳系在银河系中的位置呢?我们可以告诉他,你应该去一个有着8颗行星的恒星系,在这个恒星系中,8颗行星距离母星的距离分别等于最里面那颗行星轨道半径的1.84倍、2.51倍、4.33倍、12.7倍、24.7倍、51.1倍和76.5倍。这样一来,他可能就会恍然大悟地说:“噢!我知道你说的是哪个恒星系了!”
我们早就放弃通过宇宙基本原理来预测地球的质量或半径了,因为我们知道宇宙中还存在着许多尺度不同的行星。那电子的质量和轨道半径呢?找遍宇宙,你会发现,宇宙中所有电子的质量和轨道半径都完全相同,所以,我们仿佛重拾了找到宇宙本质的希望——这几个数字有可能就是我们这个物理世界的基本性质,终有一天能根据开普勒轨道模型的精神,纯粹用理论计算出来。实际上,早在1997年,著名弦理论学家爱德华·威滕就告诉我,他相信总有一天,弦理论能预言出电子比质子轻的倍数。然而,我最近一次见他是在安德烈·林德的60岁生日派对上,他酒后向我吐露真言,说他已经放弃了预言任何一个自然常数。
为何威滕如此悲观?因为历史总是惊人地相似。第二层多重宇宙之于电子质量,正如其他行星之于地球质量——让电子质量从“宇宙的基本性质”降格为了仅仅只是宇宙地址的一部分。对所有在第二层多重宇宙中变化的数字来说,测量它数值的唯一作用,就是缩小我们碰巧所栖身宇宙的可选择范畴。
我们目前已经发现了32个构建在我们宇宙内部的独立参数,我们希望能尽可能精确地测量它们的值,小数点位数越多越好(见第9章)。它们是否会在第二层多重宇宙中发生变化呢?或者,它们中的其中一些是否能从基本原理中(或从其他更少的数字中)计算出来呢?我们依然缺少一个能成功回答这个问题的基本物理理论,因此,在这个理论显露真容之前,去研究那些测量值以寻求一些线索,是非常有趣的事情。如果我们随机选择一个宇宙,那些在多重宇宙间发生变化的数字也会显得十分随机。那么,我们测量到的这些数值看起来随机吗?你可以看一看图5-8,自己判断一番。图中,我标出了9种基本粒子的质量,这9种粒子在粒子物理学中被称为费米子(fermions)。不用在意我使用的奇怪刻度,这种刻度从左往右每隔几厘米尺度就增大10倍。反正在我看来,它们像9个随意扔出去的飞镖。实际上,这9个数字通过了统计学家对随机性的严苛测试,插上了胜利的旗帜。它们符合从统计学家所谓的均匀分布中随机抽取的样本,斜率小于10%。
并非如堕烟海
如果我们居住在一个随机的宜居宇宙中,这些数字应该看起来也很随机,但总的来说,它们应该满足与宜居性有关的概率分布。将这些数字在多重宇宙中的变化情况与星系形成等物理过程结合起来,我们就能对可能观测到的现象作出统计学预测。目前看来,这些预测与暗能量、暗物质和中微子(见图5-9)的数据十分吻合。实际上,史蒂文·温伯格对暗能量密度所作出的第一个非零预测,就是这样作出来的。
我非常喜欢详细研究我们“宇宙控制器”上的已知“旋钮”,暗自揣摩假如它们被设定在不同的数值上,将会发生什么事。比如,请不要随便拧动图5-6中代表空间与时间维度的两个旋钮,因为这将带来致命的影响。如果你增加时间维度的数量,让它超过3,就不可能存在稳定的恒星系,甚至连稳定的原子都将不复存在。比如,在一个四维空间内,牛顿的万有引力方程将发生改变——万有引力将不再与距离的平方成反比,而是与距离的立方成反比,这样一来,就再也不可能存在任何稳定的轨道。我对自己的这个发现感到十分兴奋,但没过多久,我就意识到我只是打破了自己的认知藩篱而已,因为奥地利物理学家保罗·埃伦费斯特(Paul Ehrenfest)早在1917年就发现了这一点……如果把空间的维度降到3以下,太阳系就不可能出现,因为万有引力将不再是“引力”。这样的空间过于简单,无法孕育出像我们这样的观察者,原因有很多,比如,两个神经元无法交叠。不过,改变时间的维度却并没有你想的那么诡异,爱因斯坦的广义相对论就能很好地处理这一点。
然而,我曾经写过一篇论文,文中探讨了改变时间的维度将抹去物理学中与预测息息相关的数学性质,这样一来,进化出大脑也就失去了意义。正如图5-10所示,唯一可行的方案就是3个空间维度加1个时间维度。换句话说,假如有一个无限聪明的婴儿,那么,即使它不进行任何观测,也能从基本原理中推演出两个事实:
第一个事实是,第二层多重宇宙中包含着不同时空维度组合的宇宙;第二个事实是,在所有的维度组合中,只有时空维度为3+1的宇宙才可能存在生命。套用笛卡儿的话,这个婴儿可能会在第一次睁眼看世界之前,就顿悟到:“我思,故空间是三维的,时间是一维的。”
整个第二层多重宇宙都存在于同一个空间范围内,那么时空的维度为什么会变化呢?原来,根据最流行的弦理论模型,只有表观的维度才会发生变化,真正的空间永远拥有9个维度,但是我们却无法察觉到其中的6个维度,因为它们蜷缩在非常微观的尺度内,就像图1-7中所示的圆柱形。如果你沿着这6个隐藏维度中的任意一个维度前进一段极其微小的距离,你会发现你又回到了出发点。根据推测,所有的9个维度一开始都是蜷缩起来的,但是在我们这部分空间内,暴胀将其中3个维度从蜷缩状态伸展开,并拉伸到极其大的尺度,而剩下的6个维度依然蜷缩在微不足道的尺度内,不为人所见。在第二层多重宇宙中的其他地方,暴胀展开的空间维度可能不尽相同,从而创造出从零维到九维的众多世界。
数学家们已经确定了许多种能使多余维度蜷缩起来并充满能量的不同方式(比如,广义磁场能在隐藏维度内形成回路)。在弦理论中,这些方式就相当于我们前面所讨论过的可变旋钮。这些方式不仅对应着表观维度中不同的物理常数,还对应着不同的规则,规定可能存在哪些基本粒子,以及哪些有效方程可以描述它们。
所以,很可能存在一些第二层平行宇宙,其中存在10种夸克,而不是像我们一样的6种。
简而言之,这意味着,虽然物理学(这里主要指弦理论)的基本方程在整个第二层多重宇宙中都是有效的,但位于不同第一层多重宇宙中的观察者却会发现,彼此的表观物理定律各不相同。换句话说,这些表观定律是“放诸四海而皆准”的,但这个“四海”仅指第一层多重宇宙,而不是指整个第二层多重宇宙。这些表观定律的有效性只到第一层多重宇宙,无法“皆准”到第二层多重宇宙。然而,基本方程的效力却可以覆盖第二层多重宇宙,它们会巍然不动、保持不变,直到我们踏上第四层多重宇宙的疆域(见第11章)……
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