多元宇宙是什么

我们在未知海岸上发现了奇怪的脚印。为了解释它的来源，我们接连设计了许多深奥的理论。终于，我们成功重现了踩出脚印的生物。啊哈！原来就是我们自己。

——亚瑟·爱丁顿爵士

自然常数

从DNA分子到巨大的星系，宇宙中万事万物的性质归根结底都是由几个数字所决定的，这就是所谓的自然常数。这些常数包括基本粒子的质量、表征四种基本相互作用（强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、引力相互作用）强度的参数等。例如，质子质量比中子质量少0.14%，同时是电子质量的1 836倍；两个质子之间的引力是它们之间电斥力的1040分之一。从表面上看，这些数字似乎是完全随意的，借用天体物理学家克雷格·霍根（Craig Hogan）的比喻，我们可以想象造物主坐在宇宙的控制面板前，旋转不同的旋钮来调节这些常数数值（见图13.1），喃喃道：“我们要把它设成1 835还是1 836呢？”

有没有可能，在这看似随机的一组数字背后，存在某种系统性？也许并没有什么旋钮可以旋转，所有的数值都是由数学上的必然性所决定的。长久以来，粒子物理学家们一直坚信，所有这些自然常数最终都能从某些尚未被发现的基本理论中被推导出来，我们别无选择。

然而，到目前为止，我们还没有观测到任何迹象能表明这些常数的选择都是天意。粒子物理的标准模型可以描述所有已知粒子的强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用，这个模型中含有25个“可调”常数，它们的数值都是根据观测结果确定的。加上新发现的宇宙学常数，我们总共需要26个自然常数来描述我们的物质世界。当然，如果发现了新的粒子或者新的相互作用，就需要扩充这个自然常数列表。

精细调节的宇宙

在对自然常数的选择上，造物主似乎表现得相当难以捉摸。然而值得注意的是，在这背后似乎确实存在某种系统性，虽然并不是物理学家们一直所希望的那种。当前的物理学研究中，多个不同领域的研究结果都表明，宇宙的许多基本特征与某些自然常数的精确值息息相关。即使造物主稍微调节了一下控制面板上的旋钮，也会把我们的宇宙变成一个截然不同的样子，而且极有可能，我们或者任何现有的生物，都会随之消失不见。

让我们从中子质量开始，考虑“改变”带来的后果。中子质量稍大于质子，因此自由中子能够衰变成质子和电子。现在，假设我们将代表中子质量的旋钮往数值较小的那侧旋转一点点。这个转动非常小，数值变化不超过0.2%，但足以使质子与中子间的质量差发生逆转。转动后，质子会变得不稳定，进而衰变成中子与正电子。原子核内的质子也许能够保持稳定，然而随着旋钮的进一步转动，它们也同样会衰变。最终，原子核将失去所有的电荷，并且由于无法将电子保持在原子核周围的轨道上，整个原子也将因此瓦解。无拘无束的电子会与正电子紧密成对，在相互旋转环绕的死亡舞蹈中迅速湮灭成光子。而我们将会被留在一个“中子世界”中，这个世界由孤立的中子核与辐射组成，没有化学反应，没有复杂结构，也没有任何生命。

接下来，我们把中子质量旋钮转向相反的方向。同样地，质量上千分之几的增长都足以引发灾难性的变化。中子越重，就越不稳定，到达某一临界值之后会在原子核内部衰变成质子。在质子间电斥力的作用下，原子核会被撕裂。而质子一旦从原子核中被放出，就会和电子结合形成氢原子。这样一来，我们的世界最终就变成了一个相当无聊的“氢世界”，除了氢以外不存在任何其他的化学元素。让我们继续探索，研究一下改变基本粒子间的相互作用的强度会带来什么影响。在当今的宇宙中，弱相互作用只在壮观的超新星爆发时才显示出一些存在感。当一颗大质量恒星耗尽内部的核燃料时，它的内核会在自身引力的作用下坍缩。这一过程会释放巨大的能量，其中大部分以参与弱相互作用的中微子的形式被释放。受到强相互作用或者电磁相互作用影响的光子等粒子，仍然被困在超致密的坍缩核中。在逃逸的过程中，中微子冲开恒星外层，就产生了前面提到的壮观的爆发。如果弱相互作用比实际强度强得多，中微子就无法从内核中逃逸；而如果弱得多，中微子将径直穿过恒星外层，不会把其中的物质带出来。因此，无论我们将弱相互作用强度变大还是变小，超新星爆发都将不会发生，天文学家也将因此失去他们最珍贵的壮观景象之一。

也许你觉得，失去一种天文现象并不是什么大不了的事。但是请等一下，让我们先不要转动旋钮。在宇宙演化的早期，自然常数的改变可能会造成更具毁灭性的影响。诚如第4章中所述，碳、氧、铁等重元素形成于恒星内部，并随着超新星爆发而散布到宇宙中，它们对于行星形成和生命起源都至关重要。如果没有超新星爆发，这些重元素都将被埋藏在恒星内部，宇宙空间中可用的仅仅是一些产生于大爆炸中的最轻的元素，比如氢、氦、氘，以及微量的锂。没有人会想要生活在这样的宇宙中。

引力是目前四种基本作用力中最弱的力。只有当星系或者恒星这样的大质量天体存在时，它才能产生重要影响。事实上，正是引力的这一“弱”点，才使得恒星质量如此之大：足够大的质量，才能将高温气体压缩到足以发生核反应的高密度条件。如果引力强度增加，那么恒星质量将会相应减小，而且会更快地燃烧殆尽。引力强度百万倍的增加将会导致恒星质量减小到原先的十亿分之一。在这种情况下，典型恒星的质量将小于当前的月球质量，其寿命也将缩短为大约一万年。与此相比，正常引力强度下，太阳这样的典型的中等质量恒星寿命大约为100亿年。一万年的时间跨度甚至不足以完成最简单的细菌的进化。事实上，即使引力强度增加的幅度远低于百万倍，也足以消灭宇宙中的生命。完成类似地球智能生命进化这样的过程需要恒星寿命在十亿年以上，而引力强度仅仅增加100倍，恒星寿命就会远远小于这个数值。

以上这些例子，以及许多其他例子都表明，我们在宇宙中的存在取决于许多不同倾向之间的不稳定平衡，一旦自然常数与当前的数值有明显偏差，这种平衡就会被破坏。我们该如何看待这些似乎经过了精细调节的自然常数呢？这是否说明造物主为了实现生命和智慧而仔细调节了这些常数呢？也许是吧。但是还有另一种全然不同的解释。

人择原理

在另一种视角下，造物主展现了一种全然不同的形象。他并没有进行什么精妙的设计，而是任性而为，草率地用各种完全随机数值的常数制造了大量的随机宇宙。其中大部分都和中子世界一样，一片死寂。但偶尔也会有这么一两次，他纯属偶然地创造出了一个适合生命存在的具有精准常数数值的宇宙。

从这种观点出发，我们扪心自问：我们能够期望生活在什么样的宇宙中呢？大多数的随机宇宙都是死气沉沉的，没有生命存在，但也因此没有任何人能去抱怨它。所有的智慧生物都会发现自己身处在一个罕见的适宜生存的宇宙中，其中所有的自然常数都精准得恰好使得生命的存在成为可能，看起来像是一个不可思议的阴谋。这种推理思路被称为“人择原理”，由剑桥大学的天体物理学家布兰登·卡特（Brandon Carter）在1974年命名。他对人择原理做出如下表述：“……人们观测到的宇宙环境，必须允许我们作为观测者存在。”人择原理是一种选择标准，它假定存在某些相距甚远的、由不同自然常数所定义的区域，这些区域可能位于我们这个宇宙的某个遥远的地方，也可能属于其他完全不相连的时空。由这些性质各异的区域组成的集合，我们称之为“多元宇宙”，这个名词是由英国皇家天文学家马丁·里斯提出的，他和卡特曾是剑桥的同学。稍后，我们将在此书中谈到三种类型的多元宇宙。第一种多元宇宙中所有的区域都属于同一个宇宙；第二种多元宇宙则由各自独立的、互不相连的宇宙组成；第三种则是前两者的结合：它由多个宇宙组成，每个宇宙中又包含多个不同的区域。如果上述的任何一种多元宇宙当真存在，那么存在着适宜生命生存的精准的自然常数就不足为奇了。或者说，这些常数必然是精准的。

除了空间性质，人择原理也同样适用于时间上的可观测变量。罗伯特·迪克用它来解释宇宙的年龄，就是这一原理最早的应用之一。迪克认为，生命只有在恒星内部合成了重元素之后才会形成，而这一过程需要几十亿年的时间。随后，这些元素将会随着超新星爆发分散到宇宙中，再经过几十亿年，第二代恒星及其行星系统才能形成，生命演化也才有可能发生。因此，作为观测者的第一代生命体最早也只能在大爆炸后100亿年出现。此外，类似太阳这样的中等质量恒星会在诞生后约100亿年内燃尽其内部的核燃料，用于新恒星形成的星系气体也会在差不多的时间跨度内耗尽。在大爆炸后的1 000亿年之后，可见宇宙中几乎不会剩下多少太阳这样的中等质量恒星。如果我们假设生命会随着恒星的死亡而消失，那么就可以得到生命体存在的时间范围，具体说来，大约是大爆炸后50亿~1 000亿年间。不言而喻，宇宙现在的年龄正落在这一区间内。迪克应用人择原理来确定我们在时间轴上的位置，这一点毫无争议。但是当布兰登·卡特、马丁·里斯以及其他少数物理学家试图更进一步，利用人择原理的推论来解释基本常数的精准性时，争论便由此开始了。

人择原理与色情文学的共同点

前文中卡特所表述的人择原理当然是成立的，这不言而喻。自然常数和宇宙年龄这些结论的得出必须有观测者存在这一事实作为前提，否则我们的理论从逻辑上就是错误的。从这个意义上来说，人择原理作为一个简单的一致性要求当然是毫无争议的，虽然用处并不大。但是，任何用它来解释宇宙精细调节的尝试，都会引起物理学界的异乎寻常的负面反应。

物理学界的反应也自有其道理。为了解释精细调节的存在，我们不得不假设存在一个多元宇宙，其中包含许多由不同的自然常数所定义的相距甚远的区域。然而问题在于，没有任何一丝证据能支持这一假设。更糟糕的是，它似乎永远不能被证实或者证伪。哲学家卡尔·波普尔认为，任何不能被证伪的思想观点都不是科学。这一被物理学家广泛接受的评判标准，似乎意味着精细调节宇宙的人择原理解释并不科学。另一种批评意见认为，人择原理只能解释我们业已知晓的事物，而不能做出预测，也因此无法被验证。

人择原理的真实面目被各种含混不清的解读和演绎所掩盖，这对正确理解它毫无帮助。最重要的是，许多关于这一原理的表述出现在文学作品中。哲学家尼克·博斯特罗姆（Nick Bostrom）曾为此写过一本书，总结出30余个相关构想。作家马克·吐温的一句话很好地概括了这一情况：“许多评论家的研究已经给这一问题蒙上了迷雾，如果任由他们继续发展，很快，我们将对这个领域一无所知。” “人择”一词本身就具有一定的迷惑性，因为它似乎特指人类，而不是广义的作为观测者的智慧生命体。

不过，在利用人择原理来解释宇宙的问题上，人们的反应如此情绪化，可能主要还是源自一种被背叛的感觉。自爱因斯坦之后，物理学家们就认为，总有一天，所有的自然常数都能从某个包罗万象的万有理论中被推演出来，而诉诸人择原理，则被看作一种投降，因此引发了程度不等的不满，有的只是厌烦，有的则是彻底的敌意。一些着名的物理学家甚至说，人择原理的思想是“危险的”，它正在“腐蚀科学”。只有在其他可能性都被否定的极端情况下，提及“人择原理”这一禁忌词的行为才可能被原谅，而有时甚至绝不可能得到原谅。诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格曾经说过，物理学家谈论人择原理，“与牧师谈论色情文学面临同样的风险，无论你如何强调自己的反对立场，总有人认为你实际上是乐此不疲的”。

宇宙学常数

如果说最后只剩一个问题需要解决，那一定是宇宙学常数问题。真空能量密度是多种来源不同的能量共同作用的结果，它们相互抵消，其精确度能达到10120分之一。这是物理学中关于宇宙精细调节的最恶名昭彰也最令人费解的问题。安德烈·林德是第一个吃螃蟹的人，他率先应用人择原理来解决这一问题。他对当时关于“其他宇宙”的含混不清的讨论相当不满，并提出了一个具体模型，用以解释宇宙学常数是如何变化的，以及导致这些变化的原因。

林德从以前的工作中受到了启发。还记得那个沿着能量函数滚落的小球吗？这个小球代表一个标量场，而它所处的高度就是该标量场的能量密度。当标量场小球沿着能量函数向下滚落时，它所释放的能量就推动了宇宙暴胀式的膨胀。

林德利用了该暴胀模型的一大特点：能量函数中不同的高度对应着不同的能量密度。他假定存在另一个拥有自己能量函数的标量场。为了区别于前文中表示宇宙暴胀的场，我们将后者命名为“暴胀子”，这也是它在物理学文献中的常用名。早在约140亿年前，宇宙暴胀的末期，在我们邻近的宇宙区域中，暴胀子就已经滚落到了它的能量函数的谷底。为了防止暴胀子滚落的速度过快，必须要求能量函数的斜率非常小，要比暴胀模型中的小得多。然而无论斜率多小，它终将导致暴胀子下落，区别只在于更小的斜率上小球需要滚动更长的时间。林德设定斜率必须足够小，以保证在宇宙大爆炸之后的140亿年里，暴胀子这个标量场不会移动太多。即便如此，如果这个斜面延伸得足够远的话，那么能量密度还是能在正负两个方向上都达到很大的数值（如图13.2所示）。

将标量场的能量密度，与通过粒子物理计算出的费米子和玻色子的真空能量密度相加，就得到了真空的全能量密度，即宇宙学常数。即使费米子和玻色子的真空能量之间没有相互抵消，粒子物理部分的真空能量密度数值很大，在能量函数的斜面上也必定会有某个特定点，使得暴胀子的能量密度与之数值相同但符号相反，从而使得总的真空能量密度为零。据推测，在我们这个宇宙中，暴胀子的位置应该与这一特定点相去不远。

如果暴胀子在宇宙中因地而异，那么同样地，这个宇宙学“常数”也会因地而异，这些都是应用人择原理的有利条件。但是什么原因会导致暴胀子的变化呢？对此，林德也给出了一个好的解答。

在大爆炸之前的永恒暴胀期间，整个宇宙经历了随机的量子冲击。和前文一样，我们可以用一群随机行走的行人来描述这种行为模式（见第8章）。其中斜面的斜率可以忽略不计，因此行人向左或是向右的概率几乎相同。即使从同一个位置出发，这些行人也会逐渐分散开来，如果时间足够长，他们将遍布整个斜面。当然，在永恒暴胀的过程中，并不缺时间。在这个比喻中，行人表示不同空间区域内的标量场数值，因此我们可以得出结论：暴胀中的量子过程必然会形成一个包含标量场所有可能取值的区域分布，即产生了宇宙学常数的所有可能取值。

当行人在斜坡上游荡的时候，他们所代表的区域之间的距离正在被指数级的暴胀式膨胀所拉长。因此，真空能量密度的空间差异非常小。即使在10100公里的空间跨度内，可能也很难发现最轻微的变化。

将林德的模型扩展到其他更多的标量场，也可以导致其他自然常数发生改变。如果基本粒子物理学允许这些常数改变，那么在永恒暴胀中，量子过程将不可避免地产生广阔无垠的空间区域，其中包含所有自然常数的所有可能取值。可以说，永恒暴胀理论为人择原理的应用提供了天然的演练场。

通过上面的推导，现在我们已经得到了宇宙学常数的所有可能取值，那么其中究竟哪一个取值是我们希望观测到的呢？在真空质量密度大于水的密度（1 g/cm3）的区域内，恒星将会在斥引力的作用下被撕裂。事实上，比这小得多的真空密度就足以造成严重的破坏，从而导致宇宙中不存在任何观测者。物理学家史蒂文·温伯格在他的一篇论文中证明了这一点，该论文后来也成为人择原理推导方面的经典之作。

随着宇宙膨胀，宇宙中的物质被稀释，其密度也相应变小，并且不可避免地会在某个时间点降到真空密度以下。温伯格指出，一旦发生这种情况，物质会在真空斥引力的作用下继续稀释，再也不可能聚集形成星系。宇宙学常数越大，真空就会越早占据主导位置。对于一个由真空主导的区域来说，如果在此之前其中没有形成星系的话，那么以后也不会再有机会产生星系了，更不会产生任何宇宙学家来担心宇宙学常数的问题了。

如果宇宙学常数是负数，则会产生更具破坏性的影响。在这种情况下，真空引力是相互吸引的，因此由真空所主导的区域会迅速收缩并最终坍缩。而人择原理要求坍缩必须发生在星系形成并演化出观测者之后。

根据温伯格的分析，允许星系形成的最大真空质量密度约为每立方米几百个氢原子质量，仅有水密度的1027分之一。与粒子物理学家们计算出的每立方厘米10100吨的结果相比，这可谓是一个巨大的进步。

如果确实是人择原理造成了如此小的宇宙学常数，那么哪怕再小，这个常数也不会严格等于零，而它似乎也没有理由要远小于由人择原理所推导出的取值。早在20世纪80年代末，观测精度就已经足以探测这一量级的数值了，温伯格也预测很快就能通过天文观测来确定宇宙学常数。事实上，大概又过了十年，宇宙学常数的线索才第一次出现在超新星的观测数据中。

1. 质量的数值取决于用来度量物体的单位（例如克、盎司、原子单位等），但是两个质量的比值，比如文中提到的1 836，则与单位的选择无关。
   

2. 请参见Craig J. Hogan, “Quarks, electrons and atoms in closely related universes”, in Universe or Multiverse, ed. By B.J. Carr (Cambridge University Press, Cambridge, 2006)。
   

3. 其中某些常数的数值，尤其是用以表征中微子性质的那些常数，目前还是未知之数。
   

4. 衰变过程中还会发射出一个反中微子。
   

5. 从更加基本的层面上考虑，质子和中子都是由夸克组成的。因此，更恰当的做法是将夸克质量视为基本的自然常数，而质子与中子的质量均为其衍生量。然而，这并没有改变上述的结论。夸克质量仅仅发生百分之几的改变，就足以将我们现在的世界变成“中子世界”或者“氢世界”。
   

6. 值得一提的是，即使引力相互作用力强度增加一百万倍，电磁相互作用力强度仍然是它的1034倍。
   

7. 更多关于自然常数精细调节的例子请参见如下论文与书籍：Bernard J. Carr and Martin J. Rees in Nature, vol. 278, p. 605 (1979), The Accidental Universe (Cambridge University Press, Cambridge, 1982) by Paul C.W. Davies, The Anthropic Cosmological Principle (Oxford University Press, Oxford, 1986) by John D. Barrow and Frank J. Tipler, and Universes (Routledge, London, 1989) by John Leslie。较通俗的可参见马丁·里斯的Before the Beginning: Our Universe and Others (Addison-Wesley, Reading, 1997)及Just Six Numbers (Basic Books, New York, 2001)。
   

8. 现就职于法国国家科学研究中心默东天文台。
   

9. 请参见B. Carter , “Large number coincidences and the anthropic principle in cosmology”, in Confrontation of Cosmological Theories with Observational Data, ed. By M.S. Longair (Reidel, Boston, 1974, p. 132)。
   

10. 哲学家通常把宇宙定义为“存在的一切”。如此一来，当然就不可能再有其他的宇宙。物理学家们通常不会使用这个名词来描述这种最广义的概念，而是把完全不相交的、全然自成一体的时空称为独立宇宙。在本书中，我遵循物理学的传统。
    

11. 质量小于太阳质量的恒星拥有更长的寿命。然而，它们往往不稳定，其发出的突然的闪耀足以毁灭整个行星系统。因此，我们假设围绕此类恒星运动的行星不适合观测者生存。
    

12. 可以想象，先进文明能够在恒星死亡之后存活下来，并利用核能或者潮汐能来维持生命。但是目前看来，文明存在的时间都相对较短。我将在下一章的尾注1中谈及这个问题。
    

13. 迪克在1961年提出了这个观点，以回应着名英国物理学家保罗·狄拉克那耐人寻味的假说。狄拉克被引力的微弱所吸引，它仅有电磁力的1040分之一。而同时，他还注意到，可见宇宙的大小正好是质子的1040倍。狄拉克认为这不可能只是单纯的巧合，这两个数字之间必定存在某种联系。然而，可见宇宙的尺度会随着时间而增加，因此它与质子大小的比例也会随之增加。狄拉克由此得出了一个结论，即引力大小必须逐渐减弱，才能使另一个1040也随时间增加。
    而对于这个巧合，迪克的观点给出了一种完全不同的看法。我们所观测的宇宙并不是处在任意一个年代，而是其年龄与恒星寿命相当的特定时期。迪克表明，在这个特殊的时间范围内，狄拉克所说的两个大数确实彼此接近，这不是偶然，可见宇宙之所以会这么大，是因为天体的寿命足够长，而天体的长寿又与引力作用的微弱特性息息相关，从而建立了这两个大数之间的关联。因此，在观测者存在的年代，这种巧合自然而然会得到满足，因此无须去推断引力是否减弱。随后更加精确的天文观测表明，在非常高的精度下，引力也是保持不变的。如果真的发生任何变化，也必须小于每年1011分之一，这远远小于狄拉克假说的要求。
    

14. 布兰登·卡特自己就有过这种混淆视听的行为。他提出了人择原理的另一种解释，即所谓的“强人择原理”，其具体表述为“我们的宇宙……必须允许观测者在某一阶段存在”。许多人从神秘主义的角度解读这一表述，认为它在某种程度上暗示了神存在的必要性。本书中，我采用卡特的原始表述，即所谓的“弱人择原理”。
    

15. 请参见N. Bostrom, Anthropic Bias (Routeledge, New York, 2002)。
    

16. 请参见A. L. Macay, A Dictionary of Scientific Quotations (Institute of Physics Publishing, Bristol, 1991, p. 244)。
    

17. 此为戴维·格罗斯的观点，引自“Zillions of universes? Or did ours get lucky?” by Dennis Overbye in The New York Times, October 28, 2003。
    

18. 此为保罗·斯坦哈特的观点，请参见“Out in the cold” by Marcus Chown in New Scientist, June 10, 2000。
    

19. 由于斜面的斜率非常小，近似平坦，想要达到一个明显的海拔差异，随机行走的行人必须沿着斜坡走很长的路。与此同时，宇宙将膨胀很多倍。
    

20. 目前尚不清楚林德假设的那种标量场是否真实存在。我们将在第15章重新回到这个问题上来。