穿越平行宇宙

如果数学宇宙假说是正确的，那么总体来说，我们物理实在的未来并没有太多东西可以说——由于它存在于时间和空间之外，它终结或消逝的方式与它创生和变化的方式并没什么不同。但是，如果我们拉近镜头，仔细观察我们栖居的这个包含时间和空间的数学结构，那么一切就会变得更加有趣。在我们这里，万事万物仿佛是在我们这样的观察者的着眼点上展开，所以我们自然而然地想知道最终会发生什么。

那么，数十亿年之后，我们的宇宙将如何终结？对这个即将到来的宇宙末日，我有5个主要的猜想，都画在图12-2中了，并在表12-1中进行了总结——大冷寂、大挤压、大撕裂、大断裂和死亡泡泡。

我们的宇宙已经膨胀了约140亿年。大冷寂是指我们的宇宙将永远膨胀下去，稀释为一个冷寂黑暗、最终死亡的地方。这让我想到艾略特所说的：“这就是世界完结的方式，不是砰的一声垮掉，而是轻轻啜泣着消亡。”如果你像罗伯特·弗罗斯特（Robert Frost）一样，更喜欢世界终结于烈火中而非冰冻中，那么请双手合十，祈祷大挤压的出现吧。在大挤压中，宇宙膨胀最终将反向进行，万事万物被再次压缩在一起，导致灾难性的坍缩，很像大爆炸的倒播。而大撕裂在无耐心的人眼里与大冷寂十分相似，在其中，我们的星系、行星甚至原子都将在有限时间后的一场终曲中被撕裂。

这三个结局，你会赌哪一个发生呢？这将取决于暗能量随空间膨胀将发生什么事。我们在第3章曾提到过，暗能量占宇宙质量的约70%。如果暗能量保持不变，那将发生大冷寂；如果暗能量稀释为负密度，将发生大挤压；如果暗能量“反”稀释为更高的密度，将发生大撕裂。

由于我们尚不知道暗能量究竟是什么东西，我只能告诉你，我的赌注是这样的：40%赌大冷寂，9%赌大挤压，1%赌大撕裂。另外50%呢？我要把钱存起来，投注给“以上皆非”选项，因为我认为人类应当更加谦卑地意识到，还有许多基本的东西是我们所不了解的，例如空间的本质。大冷寂、大挤压和大撕裂的结局，都事先假定了空间本身是稳定的，并且能够被无限拉伸。

我们曾经认为，空间处在一个无聊的稳定状态，宇宙的戏剧在其中徐徐展开。然后，爱因斯坦告诉我们，空间并不只是这场戏剧的舞台，它也是其中的重要演员——它能弯曲成黑洞，能荡漾出引力波，能拉伸为一个膨胀的宇宙。也许，它还能像水一样冷冻为另一个不同的相，在其中产生出致命的高速膨胀泡泡（见第5章）。这些泡泡都是新的相，为我们提供了一个新的宇宙末日候选者。我们还曾经认为，如果空间不与其他东西相互远去，就无法创造出更多空间。

然而，爱因斯坦的引力理论讲述了一个完全相反的故事（见第2章）：在星系之间的某个区域内，能够产生出更多的空间体积，而不需要将新产生的体积膨胀入其他区域——新的体积还是待在原来的星系之间。此外，爱因斯坦的理论还说，空间的拉伸可以永恒持续下去，这样，在大冷寂和大挤压的情景中，我们宇宙的体积就会接近无限大。这听起来好得令人难以置信，不禁让人怀疑：真是这样吗？

橡皮筋看起来很不错，具有连续性，就像空间一样。但是假如你把它拉伸得过多，它就会断裂。为什么？因为它是由原子组成的，如果拉伸得太多，橡皮筋原子的颗粒性质就变得重要起来。有没有可能，在人类无法企及的微小尺度上，空间也具有类似的颗粒性呢？数学家喜欢用理想的连续统来模拟空间，不采用任何颗粒性，因此无论距离多么小，都是有意义的。在MIT的大多数物理课上，我们也使用着同样的连续统空间模型，但是，它真的正确吗？肯定不正确！事实上，反对它的证据越来越多（见第10章）。在一个简单的连续空间中，你需要写下一个数位无限多的数字，才能确定两个任意点之间的距离，但是物理学巨擘约翰·惠勒告诉我们，量子效应或许会让小数点后34位之后失去意义，因为我们整个经典的空间概念在小尺度上会崩溃，也许是被一个奇怪的泡泡结构所取代了。这有点像你在计算机屏幕上不断放大一张照片，就会发现原本看起来光滑而连续的画面实际上变成了颗粒状，就像橡皮筋一样，只不过照片中不可细分的组成单元是像素（见图10-3）。

由于照片是由像素组成的，它只包含着有限量的信息，并能很方便地在互联网上传输。同样地，越来越多的证据表明，我们的可观测宇宙也只包含着有限量的信息，让我们更容易理解大自然如何计算下一步要做什么。全息原理指出，我们的宇宙最多包含着10¹²⁴比特的信息（见第5章）。算下来，平均每个原子的体积中可以塞进10个TB的信息。

下面就是困扰我的事。量子力学薛定谔方程暗示着，信息不可能被创生，也不可能被毁灭（见第6章）。也就是说，随着宇宙的膨胀，每一升空间中所包含的信息量在持续减少。在大冷寂情景（我在天体物理学家中进行了一圈投票，大冷寂的得票处于宇宙末日选举中的领先地位）中，宇宙会永远膨胀下去，那么，当每升空间所包含的信息含量的数量级从GB降到MB，甚至少于一部手机能存储的数据时，会发生什么呢？降到每升1字节呢？在我们用详细模型来取代连续统空间模型之前，我们无从知晓具体的结果，但是我想，我应该把赌注押在下面这种情况：某些糟糕的事情会发生，将逐渐改变我们所知的物理定律，让我们这样的生命形式不可能继续存在下去——欢迎来到我所谓的“大断裂”。

下面的事更让我困扰：我经过简单的计算发现，大断裂将在几十亿年后发生，甚至比我们的太阳耗尽燃料、吞噬地球的时间还早。暴胀理论是将“爆炸”放入宇宙大爆炸的最好理论（见第4章）。暴胀理论说，在早期宇宙中，存在相当多的高速拉伸区域，某些区域拉伸的程度比其他区域大。如果空间拉伸存在一个上限，到达上限后就会遭遇到大断裂，那么，大部分体积（因此也包括大部分星系、恒星、行星和观察者们）都将处在拉伸得最多、最接近断裂的区域内。

那么，这个即将来临的大断裂会是什么样呢？如果空间的颗粒性逐渐增长，那最先陷入困境的就是尺度最小的结构。我们可能会先注意到，核物理学的性质发生了变化，例如先前稳定的原子发生了放射性衰变。接着，原子物理学开始改变，扰乱了所有化学和生物学。幸运的是，我们宇宙中的伽马射线暴就像一个便利的预警系统，就像煤矿中的金丝雀，或许可以早在大断裂伤害我们之前就发出警示。伽马射线暴是灾难性的宇宙爆炸，从遥远的宇宙深处而来，向我们爆发出短波的伽马射线。在连续空间中，所有波长移动的速度都相同，等于光速，但是在一个颗粒空间中，短波移动的速度稍慢。我们最近发现，两个波长不同的伽马射线从一个遥远的爆炸出发，在宇宙中旅行数十亿年后到达同一张照片的时间差在0.01秒之内。从表面上看，这排除了大断裂将发生在亿亿年之后的可能性，将上一段中的时间预测呈现在我们面前。

实际上，问题比这更加严重。我们空间的膨胀并不均匀，其实，某些区域（例如我们的银河系）根本不膨胀。因此，有人可能会认为，在星系间的空间经历大断裂之后，住在星系里的观察者还可以快乐地生活很长时间，只要这些遥远区域的恶化效应还未传递到我们的星系就好，但是，这种情景只能拯救观察者，却拯救不了潜在的理论！实际上，理论和观测之间的差异只会变得更糟——现在，再重复一下先前的论证就可预测道，我们有极大的可能性正幸福地生活在某个幸存的星系中，而其他大部分空间早已发生了大断裂，所以，奇怪的伽马射线时间滞后现象的缺乏就变得更加难以解释。

所以，我们将宇宙学和量子力学中某些最受人珍视的配料混合在一起，再加上一些实验数据，搅一搅，就炮制出了一味奇怪的佳酿。结果是什么呢？配料混合得并不好，这意味着，至少其中一个方面出了问题。我热爱神秘的事物。我发现，悖论是大自然赐予我们物理学家最好的礼物，因为它们常带来突破的线索。我想，我们理应在空间本质的研究上获得突破，大断裂的悖论正是一条有趣的线索。