碰撞的宇宙

碰撞的宇宙_超空间

自然不仅比我们想象的要古怪 ,而且比我们所能想象的还要古怪。

———约翰 ·伯顿 ·桑德森 ·霍尔丹 (J.B.S.Haldane)

宇宙学家史蒂芬 ·霍金是科学上最悲惨的人物之一。他在无法治愈的、不断恶化的疾病中奄奄一息 ,但面对着几乎不能超越的障碍 ,他仍然顽强地致力于他的研究活动。尽管他失去了对手、脚、舌头、声带的控制,身体被约束在轮椅上 ,但他却依然成为了开辟新的研究大道的先锋。任何一个意志稍弱的物理学家遇到这样的困难 ,早就放下解决重大科学难题的努力了。

他不能用手握笔 ,他的所有计算都在大脑里完成 ,只是偶尔依靠助手的帮助。他失去了声带 ,只能依靠机械设备与外界通讯。虽然面对着重重困难 ,但他依然维持着充实的研究工作 ,还抽取时间完成了一部畅销科普书《时间简史》,并在世界各地展开演讲。

我曾经在剑桥大学外 ,他的家中拜访过他。那时 ,我应邀在他组织的物理学会议上演讲。我走过他的客厅 ,惊讶地发现一大批精巧的用于继续他研究的小工具。这些小工具令我印象深刻。例如 ,我在他的办公桌上发现了一个类似音乐家用来放置乐谱的那种器材。然而 ,这个器材更加精致,能抓住书本的每一页以方便阅读。(我战栗着思考 ,我相信很多物理学家也会如此思考 :没有胳膊、手、声带 ,是否还有勇气继续自己的研究,即便有最好的机械为其提供帮助。)霍金是剑桥大学物理学卢卡斯教授 ,艾萨克 ·牛顿也曾担任过同一职 位。霍金和他的杰出的前辈一样 ,从事本世纪最重大问题的研究 ———爱因斯坦引力理论和量子理论的统一。因此 ,他对优美而自洽的十维理论感到惊奇 ,实际上 ,霍金就是用对这一理论的讨论作为他的那本畅销书(《时间简史》)的结尾。

霍金不再将他富有创造性的大量精力消耗在他名扬全球的那个领域 ———黑洞上。它现在已显得过时了。现在 ,霍金正寻找更大的猎物 ———统一场论。我们记得 ,弦理论起初是一种量子理论 ,之后吸收了爱因斯坦的引力理论。霍金是从纯粹的经典相对论专家而不是量子理论专家开始研究的。霍金用另一种观点对这个问题展开研究。他和他的同事詹姆斯 ·哈特尔 (e)从爱因斯坦的经典宇宙出发 ,然后对整个宇宙进行量JamesHartl子化 !

宇宙波函数

霍金是量子宇宙学这一新学科的创始者之一。起初 ,在用词上这似乎是矛盾的。量子一词适用于无穷小的夸克和中微子世界 ,而宇宙意味着无限宽广的外层空间。然而 ,霍金和其他一些人现在相信宇宙的最终问题只能由量子理论来回答。霍金用量子宇宙学得出它的终极量子结论 ,这个结论允许无限数量的平行宇宙的存在。

我们记得 ,量子理论的出发点是波函数 ,它描述粒子所有可能的状态。例如 ,想象天空中有一块巨大的且不规则的雷雨云。雷雨云越黑 ,其中的水蒸气和灰尘的浓度就越大。因此 ,只要看一下雷雨云 ,我们就可以根据浓度快速估算天空中某部分水蒸气和灰尘的概率。

雷雨云可以比作一个单电子的波函数。与雷雨云相似 ,电子的波函数也布满所有的空间。同样 ,在某一点波函数的值越大 ,那么在该点找到电子的概率也越大。与此类似的 ,波函数还可以与大物体 (例如人 )联系在一起。当我坐在普林斯顿自己的椅子上 ,我知道我有一个具有薛定谔概率性质的波函数。如果我有办法看见自己的波函数 ,那它肯定类似于与我身体形状非常接近的一团云。但是 ,云的一部分将分散在所有的空间 ,到达火星 ,甚至逃离太阳系 ,尽管在那里它们已弥散得非常小 (概率非常低)。这意味着 ,我坐在椅子上而不是待在火星上的可能性非常大 (我实际上就 是坐在椅子上)。虽然我的部分波函数已散布出银河系之外 ,但我待在另一个星系上的可能性是无穷小。

霍金的新思想 ,是把整个宇宙看成一个量子粒子。通过重复一些简单的步骤 ,我们得到了一些令人大开眼界的结论。

首先用一个波函数描述所有可能的宇宙集。这意味着 ,霍金的理论出发点必须是一个无限集的平行宇宙 ———宇宙波函数。霍金用宇宙这个词代替粒子 ,他的这个相当简单的分析已经导致我们在宇宙学思想上的概念性革命。

根据这个描述 ,宇宙的波函数散布在所有的可能的宇宙之上。靠近我们自己的宇宙波函数被认为是非常大的 ,所以我们的宇宙有非常大的概率是正确的 ,如同我们的预期。然而 ,波函数也遍及所有的其他宇宙。即使那里是没有生命 ,且与我们熟悉的物理定律不一致。由于波函数在这些其他的宇宙中是微乎其微的小 ,因此 ,我们预期在不远的将来我们的宇宙将不会通过量子跃迁而成为那样的宇宙。

量子宇宙学家面对的目标 ,是在数学上证实这个猜想。即表明我们现在的宇宙的波函数是非常大的 ,而其他宇宙的波函数是非常小的 (微乎其微)。然后 ,进一步证明 ,我们熟悉的宇宙在某种意义上是独特的 ,也是稳定的。(目前 ,量子宇宙学家还不能解决这个重要的难题。)如果我们严肃思考霍金的想法 ,这意味着 ,我们必须从无限多个可能的彼此共存的宇宙开始分析。坦率地说 ,宇宙这个词的定义不再是 “所有的存在 ”,它现在的意思是 “所有可能存在的东西 ”。例如 ,在图 12.1中,我们可以看到宇宙的波函数是如何散布到若干个可能的宇宙上。我们的宇宙是最可能的一个 ,但肯定不会是唯一的一个。霍金的量子宇宙学还假定,宇宙波函数允许宇宙互相碰撞。虫洞可以发展并连接这些宇宙。但是,这些虫洞与前面章节所说的虫洞不同。它并非连接三维空间中的不同部分 ,这些虫洞将不同的宇宙彼此连接起来。

例如 ,悬浮在空气中的一大堆肥皂泡。正常情况下 ,每一个肥皂泡本身就像一个独立的宇宙。除非它不时与另一个肥皂泡相撞形成一个更大的肥皂泡 ,或分裂成两个较小的肥皂泡。而现在的情况是 ,每一个肥皂泡都是一个完整的十维宇宙。由于空间和时间只能存在于单个气泡上 ,所以气泡与气泡之间没有时间和空间这样的东西。每个宇宙都有自己的自洽的 “时间 ”,因此 ,说时间在所有宇宙中都以相同速度流逝是毫无意义的。

图12.1在霍金的宇宙波函数中 ,这个波函数最有可能集中在我们自己的宇宙周围。我们生活在我们的宇宙中 ,是因为这个宇宙最有可能拥有最大的概率。但是 ,仍有一个小的但不为零的概率让波函数偏爱我们的邻居 ———平行的宇宙。因此宇宙间的旅行也许是可能的 (尽管概率非常低)。

(但是 ,这里应当强调 ,受限于我们目前的技术水平 ,这些宇宙之间的旅行还未对我们开放。此外 ,我们还应当强调 ,在这种大尺度上的量子跃迁十分罕见 ,发生的周期可能比我们宇宙的寿命还要长。)这些宇宙中绝大多数是死宇宙 ,它们没有任何生命。在这些宇宙中 ,物理定律是不同的 ,因此无法满足使生命成为可能的物理条件。也许在数以10亿计的平行宇宙中只有 1个宇宙 (我们的宇宙 )有一组合适的物理定律允许生命的存在 (图12.2)。

霍金的 “婴儿宇宙 ”理论 ,尽管不是一个实际的旅行方法 ,但它注定产生了哲学问题乃至宗教问题。它在宇宙学家中引起了两个漫长的和热烈的争论。

图12.2我们的宇宙可能是无限多个平行宇宙中的一个 ,这些宇宙通过无限系列的虫洞彼此相连。在这些虫洞间旅行是可能的 ,但其概率是很低的。

将上帝放回宇宙 ?

第一个争论涉及 “人择原理 ”。几个世纪以来 ,科学家已学会客观地观察宇宙。这种观察在很大程度上摆脱了人们的偏见。我们不再将人类的偏见和奇思异想投射到每一个科学发现上。然而 ,历史上早期的科学家常常犯拟人化的错误 ,认为物体和动物有类似于人的性质。犯这种错误的那些人 ,是因为他们发现他们的宠物也能表现出人的情绪和感受。(好莱坞的电影剧本作家也常犯这样的错误 ,他们想当然地以为天空中绕恒星转动的行星上一定居住着与我们相似的生物。)拟人化是一个古老的难题。爱奥尼亚哲学家色诺芬尼 (Xenophanes)曾悲伤地说 ,“人们想象众神的诞生 ,他们的衣服、声音和体形都与人相似……是的 ,埃塞俄比亚的众神是黑皮肤、扁平鼻 ;色雷斯人的众神是红头发、蓝眼睛 ”。在过去的数十年里 ,一些宇宙学家惊恐地发现 ,拟人化在人择原理的伪装下又悄悄回到了科学中。人择原理的一些鼓吹者公开宣称,他们想把上帝放回到科学中。

事实上 ,围绕人择原理的这种奇特争论 ,还是存在某种科学价值的。争论围绕一个无可争辩的事实 (如果宇宙的物理常数稍微改变一点 ,这个宇宙上的生命将不可能存在 )展开。这个值得注意的事实仅是一个幸运的巧合 ,还是展示了某个 “天帝 ”的作品 ?

有两个版本的人择原理。“弱人择原理 ”的版本宣称 ,宇宙中存在智慧生命 (我们 )应当被认为是一种实验事实 ,它有助于我们了解宇宙常数。正如诺贝尔奖得主史蒂文 ·温伯格 (Steven Weinberg)所说 ,“世界就是它现在的这个样子 ,倘若它不是这样 ,就不会有人问这个世界为什么是这个样子了。” “弱人择原理 ”用这种方式表述 ,人们很难对它进行讨论。

为了使宇宙中有生命 ,需要很多偶然的巧合联系在一起。生命取决于各种复杂的生物化学反应 ,如果稍稍改变某些化学或物理常数 ,生命的存在性将受到改变。例如 ,我们哪怕略微改变支配核物理的常量 ,则发生在恒星和超新星上的核合成和重元素的产生都将变为不可能。接着 ,在超新星中形成的原子或许会变得不稳定 ,或者根本不可能产生。生命需要重元(比铁还重的元素 )以产生 DNA和蛋白质分子。因此 ,哪怕是核物理中素最小的改动 ,也会影响宇宙中重元素的产生。我们都是恒星的孩子。然而,如果核物理的规律略有改变 ,我们的 “父母 ”将不可能有孩子 (们)。作为另一个例子 ,我们可以放心地说 ,生命在早期海洋中的形成可我能经历了 10亿—20亿年。然而 ,如果我们能够以某种方法将质子的寿命缩短到数百万年 ,那么 ,就不可能有生命。因为 ,由分子的随机碰撞形成 生命所需要的时间明显不足。

换言之,我们存在于宇宙中并探求有关宇宙的问题,这个事实必然意味着一系列复杂的事情已经发生了。它还意味着自然的物理常数的值必须有一个确定的范围,以使恒星有足够长的生命时间创造我们身体中所需要的重元素,以使质子在生命有机会发育之前不要衰变得太快。也可以这样说,宇宙中存在能向有关宇宙问题发起探索的人类,给宇宙物理施加了很多的刚性约束。例如:它的年龄、它的化学成分、它的温度、它的尺寸和它的物理过程。

物理学家弗里曼 ·戴森 (Fre

manDyson)对这些宇宙的巧合感到吃惊。他曾写到,“当我们观察宇宙,发现了许多物理学和天文学上的偶然现象。它们巧合地融合在一起造福于我们。我感觉,宇宙似乎在某种意义上知道我们的到来。”这段话带给我们的 “人择原理”的强表述,它认为,宇宙所包含的一切物理常数都已被 (由上帝或某个超人 )精确地选择好了。因此,生命在我们的宇宙中成为可能。因为这个 “强人择原理”的版本提出了有关上帝的问题,故而在科学家中产生了极大的争议。

可以想象,如果只要求几个常数呈现一定的值就能使生命成为可能,也许含有太多的运气成分。事实上,我们需要一大组物理常数在一个狭窄的数值范围内,方能使我们的宇宙形成生命。由于这种巧合事件发生的可能性极小,因此,为了创造生命,神智 (上帝 )或许精确地选择了这些值。

当科学家们第一次听到某个版本的人择原理时,他们大为吃惊。物理学家海因茨·帕格尔斯 (HeinzPagels)回忆说,“这是一种推理形式,他与理论物理学家进行研究工作时通常所用的方式完全不同”。

人择原理是一个古老说法的更完善的版本,旧观点的说法是上帝把地球放在了离太阳恰好的位置。如果上帝把地球放置到距离太阳较近的位置,地球会因为过热而无法形成生命。如果上帝把地球放置到距离太阳较远的位置,地球会因为过冷而无法形成生命。这种观点的错误在于,银河系中数以百万计的行星可能处在距离它们的太阳不恰当的位置,因此这些行星上不能出现生命。但是,一些行星则纯属意外 (我们的星球就是其中之一),它们处在距离它们的太阳恰当的位置。因此我们能在这里讨论这个问题。

最终,大多数科学家从人择原理中醒悟过来。因为它既不具有预见能 力,也无法加以检验。帕格尔斯不情愿地承认 ,“它不像物理学原理 ,没有办法确定它的正确与错误 ,没有办法对其测试。与传统的物理原理不同,人择原理不能接受实验证伪。可以肯定 ,它不是一个科学原理。”物理学家阿兰 ·古斯 (AlanGuth)直言不讳地说 ,“感情上 ,人择原理有点让我心烦 ……人择原理是人们想不出更好的办法时才选择的。”

在理查德 ·费曼 (RichardFeynman)看来 ,理论物理学家的目标就是 “尽可能快地证伪。”然而 ,人择原理毫无新意 ,且不能证伪。或者 ,正如温伯格 (Weinberg)所说 :“没有科学家就没有科学 ,但我们不能确定,没有科学宇宙就不可能存在。”

对人择原理的争论 (有关上帝的争论 )休止了许多年 ,直到最近 ,它又被霍金的宇宙波函数复苏。如果霍金是正确的 ,那么 ,就确实存在着无穷多的平行宇宙 ,存在着许多有不同的物理常量的宇宙。在这些平行宇宙中,有的质子退化得太快、有的不能制造出比铁更重的重元素、有的在生命开始之前大坍缩即快速发生 ,等等。事实上 ,如果没有像我们所知的能使生命变成可能的物理定律 ,无穷多的这些平行宇宙都是死宇宙。

在一个像我们所在的宇宙这样的平行宇宙中 ,物理定律是和我们所知道的生命相容的。我们今天能在这里讨论这个问题就是最好的证据。如果这是真的 ,那么就不必邀请上帝对如此珍贵的生命为什么存在于我们的宇宙中作出解释。然而 ,这又重新打开了 “弱人择原理 ”的可能性 ,即我们的宇宙与许多死宇宙共存 ,而我们的宇宙是唯一适合生命存在的宇宙。

霍金的宇宙波函数所引发的第二次争论要深刻得多。事实上 ,这场争论至今也未得到解决。这就是所谓的薛定谔的猫的难题。

再访薛定谔的猫

由于霍金的婴儿宇宙理论和虫洞发挥了量子理论的威力 ,所以它不可避免地重新引发了有关其基础的仍然悬而未决的辩论。霍金的宇宙波函数并不能完全解决量子理论的矛盾 ,它仅仅表达了一种令人震惊的新观点。

我们记得 ,量子理论指出 ,每一个物体都存在一个波函数。它表征在空间和时间中的某一特定点上找到物体的概率。量子理论还指出 ,在你对粒子进行观察之前 ,绝不能确切地知道它们的状态。在进行测量之前 ,粒 子可能处在由薛定谔波函数描述的各种状态中的任意一种状态上。因此,在作出观察或测量之前,你不能确切地知道粒子的状态。实际上,在进行测量之前,粒子存在于虚空的状态,即所有可能状态之和。

当这个想法首先由尼尔斯 ·玻尔 (NielsBohr)和沃纳 ·海森堡 (WernerHeisenberg)提出,遭到了爱因斯坦的强烈反对。“月亮是因为老鼠盯着它看,才存在的吗?”他总喜欢这样问。根据量子理论的严格解释,月亮在被观测之前,并不存在于我们所知的状态中。事实上,月亮可以处在无穷多个状态中的任意一个。包括:在天空中现在的状态、被炸毁的状态,或根本不存在。是观察月球的过程决定了月球实际上是绕地球转的。

爱因斯坦曾与波尔有过多次交锋,挑战这种非正统的世界观。(在一次讨论中,波尔生气地对爱因斯坦说,“你不是在思考,只是在推理!”)甚至欧文·薛定谔 (他以他著名的波动方程激发了整个讨论)也反对针对他的方程所作的这种再诠释。他曾沮丧地说,“我不喜欢它,非常抱歉我曾经做过一些与之相关的研究。”

为了挑战这种修正主义者的解释,评论家们提出了这样的问题:“在你看到猫之前,它是死的还是活的?”

薛定谔为了证明这个问题有多么荒谬,他将一只虚构的猫放置在一个密封的盒子中。这只猫面对着一支枪,这支枪连接到一台盖革计数器上,计数器又与一块铀相连。铀原子是不稳定的,它将发生放射性衰变。如果某个铀核分裂,它将被盖革计数器捕捉到。这时,盖革计数器会扣动枪上的扳机,其子弹会将猫射杀。

要确定猫的死活,我们必须打开盒子进行观察。然而,在打开盒子之前,猫的状态是什么?根据量子理论,我们只能认为猫由一个描述死猫和活猫的两者总体的波函数来确定。

对薛定谔来说,认为猫不死不活的想法是荒谬的。然而,量子力学的实验证明迫使我们得出这样的结论。现在,每一个实验都证实了量子理论。

薛定谔的猫的悖论是如此奇怪,它经常让人想起刘易斯 ·卡罗尔 (LewisCarol)的寓言中,爱丽丝看到柴郡猫 (Cheshirecat)消失时作出的反应:“‘你将会在那里看见我,’猫说完就消失了。爱丽丝对此并不感到惊讶,她已习惯了这些古怪事情的发生。”多年来,物理学家们也早已习惯了量子力学中的 “古怪”事情。

物理学家对付这种复杂性,至少有三种主要方法。第一种方法,我们可以假设上帝存在。因为 “观察”就意味着有观察者,所以,宇宙中必定存在某种 “意识 ”。一些物理学家,如诺贝尔奖获得者尤金 ·维格纳 (EugeneWigner),坚持认为量子理论证明了宇宙中存在某种万能的宇宙意识。

处理矛盾的第二种方法,得到了绝大多数物理学家的支持。它就是,对一切难题弃之不顾。大多数物理学家指出,没有任何意识的相机也可以进行测量。他们只是单纯地希望绕开这个不可避免的难题。

物理学家理查德·费曼 (RichardFeynman)曾说,“我认为可以放心地说,没有人理解量子力学。如果你能尽量地避开它,就不要不断地自问 ‘它怎么能像那样呢?’。因为你将 ‘血本无归 ’地进入一个盲目的小巷,在那里,没有人能逃脱。没有人知道,它怎么能像那样。”事实上,人们常说,在20世纪提出的所有理论中,最愚蠢的莫过于量子理论。一些人说,事实上,量子理论所希望的就是人们不要去怀疑它。

第三种方法,称为多世界理论。这一理论 (如人择原理)在过去的几十年失宠,但被霍金的宇宙波函数复活了。

多世界

1957年,物理学家休·埃弗雷特 (HughEveret)提出了这样一种可能性:在宇宙的进化过程中,它不断地 “分裂 ”为两半,就像道路上的叉。在其中一个宇宙,铀原子并未发生放射性衰变,盒子里的猫也并未被击中;在另一个宇宙中,铀原子发生放射性衰变,盒子里的猫将被射杀。如果埃弗雷特的观点是正确的,那么就存在无穷多个宇宙。每个宇宙通过道路上的分岔网与其他宇宙相连。或者,像阿根廷作家乔治 ·路易斯 ·博尔赫斯 (JorgeLuisBorges)在《岔口路花园》中所写的那样,“时间不断分岔,通往无数的未来。”

物理学家布莱斯·德维特 (BryceDeWit)是多世界理论的支持者之一。他描述了多世界理论对他产生的旷日持久的影响:“在每一个恒星、每一个星系、宇宙中每一个偏僻的角落,发生的每一个量子跃迁,都将我们地球上的局部世界分裂为无数个自己的副本。我仍然清楚地记得,在我 第一次接触多世界概念时所受到的震惊。”多世界理论假定所有可能的量子世界均存在。在某些世界中,存在着像地球上那样的主导生命形式的人类。在其他一些世界中,亚原子事件的发生将阻止人类在这个星球上的不断进化。

正如物理学家弗朗克·韦尔切克 (Frank Wilczek)指出,据说,如果特洛伊 (Troy)的海伦 (Helen)在鼻尖上长有一个疣,那么,这个世界的历史将会完全不同。是的,疣产生于单细胞中的突变,这些突变通常是由暴露在太阳的紫外线下而引发。这个事件的合理结论是,“的确存在多世界,在它们中的某个世界,特洛伊的海伦确实在她的鼻尖上长有一个疣。”

事实上,可能存在多世界的这个思想由来已久。哲学家圣阿尔伯特 ·马格纳斯 (St.AlbertusMagnus)曾经写道,“存在多个世界,还是只有唯一世界?这是对自然界的研究中最崇高和最伟大的问题之一”。然而,这个古老观念的新变化是,多世界解决了薛定谔的猫的佯谬。在某一个宇宙中,猫或许死了;在另一个宇宙中,猫还活着。

虽然在表面上看,埃弗雷特的多世界理论似乎很奇怪,但可以从数学上证明它等同于通常的量子理论诠释。而在传统上,埃弗雷特的多世界理论并未在物理学家中流行开来。物理学家的终极目标是将问题简化。对他们来说,存在无穷多个随时裂解的同样有效的宇宙,简直是哲学上的噩梦。遗憾的是,他们无法将多世界理论排除。物理学上,有一个被称为奥卡姆 (Ocam)剃刀的原理,它指出,我们应该永远走最简单的最可能的道路,放弃笨拙的其他选择,特别是在其他选择永不能被测量的情况下更应如此。(因此,奥卡姆剃刀剔除了老旧的 “以太”理论,以太理论认为一种神秘的气体曾弥漫在整个宇宙中。以太理论对尴尬的问题提供了一个方便的回答:如果光是一种波且能在真空中传播,那什么是波动?答案是以太,它像流体一样,且在真空中可以振动。爱因斯坦认为,以太是不必要的,但却从未说过它不存在。他仅是说,以太与光并不相干。因此,按照奥卡姆剃刀原理的选择条例,物理学家们不再提以太了。)现在我们可以证明,埃弗雷特的多世界之间的沟通是难以实现的。因此,任一宇宙都无法意识到其他宇宙的存在。如果这些世界的存在不能得 到实验检验,我们就应该利用奥卡姆的剃刀消除它们。

物理学家某种程度上都具有相同的气质,他们不会直截了当地说天使和奇迹是不存在的。也许他们确实存在,但按照定义奇迹是不可重复的,故而不可得到实验检验。因此,按照奥卡姆的剃刀原则必须消除它们 (然,除非我们能找到可以重复的、可测量的奇迹或天使)。埃弗雷特的导当师约翰·惠勒 (John Wheler)也是多世界理论提出者之一。但他最终也不情愿地放弃了这个理论,因为 “它需要携带太重的形而上学包袱”。

但是,随着霍金的宇宙波函数的流行,不受欢迎的多世界理论也开始得到复苏。埃弗雷特的理论建立在单粒子的基础上,通信不能在不同宇宙之间实现,因为它们是分裂的。然而,霍金的理论要深刻得多。他的理论虽与多世界理论相关,但却走得更远———它是以无限多个自洽宇宙 (而不只是粒子)为前提,并假定它们之间存在隧穿的可能性 (通过虫洞)。

霍金甚至进入了令人窒息的工作———计算宇宙波函数的解。他相信他的做法是正确的,部分原因是由于该理论是明确定义的 (正如我们提及的,该理论最终将在十维空间中定义)。霍金的目标是———证明宇宙波函数在我们的宇宙附近以一个极大值呈现。因此,我们的宇宙就成为了最可能的宇宙,但肯定不是唯一。

到目前为止,已经召开了许多有关宇宙波函数的国际会议。然而,正如之前所述,宇宙波函数所涉及的数学运算远超出了这个星球上任何人的计算能力。我们也许要等上若干年,才会等来那个有进取心的人找到霍金方程的严格解。

平行宇宙

埃弗雷特的多世界理论与霍金的宇宙波函数之间的主要区别是,霍金将 “虫洞连接这些平行宇宙”置于他理论的中心。你不必为以下事件担心 ——— “下班后步行回家,打开门进入了一个平行世界。你惊奇地发现,家人们从未听说过你,他们不会冲上来迎接你,而是在恐慌和尖叫中将你当作非法入侵者送进监狱”。或许这种场面只有在电视或电影中才会出现。在霍金的方案中,虫洞实际上不断地将我们的宇宙与万万亿个平行宇宙连接起来。但这些虫洞的平均尺寸极小,大约为一个普朗克长度的尺寸 (约 为质子的一百万万亿分之一,对于人类的旅行来说简直太小了)。此外,由于这些宇宙之间的量子跃迁不频繁,我们也许要等待很长时间才能看到这样的事件发生。事实上,这段等待的时间已超过了宇宙本身的寿命。

因此,理论上我们可以进入与我们的宇宙相像的孪生宇宙 (尽管概率非常低)。这个宇宙与我们的宇宙具有完全一致的物理定律。这两个宇宙仅是在创世分裂时在某一点上产生了微小的决定性差别。

约翰·温德姆 (John Wyndham)在他的小说《随机探秘》中对这种类型的平行宇宙进行了探讨。小说中,英国的核物理学家柯林 ·特拉福德 (ColinTraford)在 1954年的核试验爆炸中死里逃生。他没有死在医院里,相反,他独自毫发无损地在伦敦的一个偏僻的郊区醒来。他放下心来,一切似乎都回归正常。但他很快就发现了非常糟糕的事情。报纸的头条都是一些不可能的且无法想象的事情。在这里,第二次世界大战从未发生,原子弹也从未被发现。

世界历史被扭曲了。此外,他看了一眼书架。注意到了书架上的自己的名字和相片,他成为了畅销书作家。他感到无比震惊。在这个平行世界中,存在着一个他的确切的对应物,这个对应物是一个作者而不是一个核物理学家!

他在做梦吗?多年前,他曾梦想成为一名作家,但他最终却选择了成为一名核物理学家。显然,在这个平行的宇宙中,他在过去做出了不同的选择。

特拉福德翻阅伦敦的电话簿,发现了自己的名字,但地址是错误的。他颤抖着,决定去拜访 “他的家”。

进入 “他”的公寓,他很震惊地遇见了 “他”的妻子,一个他从未见过的人———美丽的女人。她很痛苦,愤怒于 “他 ”与其他女人的暧昧关系。她斥责 “他”的婚外情,但她发现自己的丈夫 (特拉福德 )非常困惑。特拉福德发现,他的对应人是一个无赖和色鬼。然而,他发现很难与一个他从未见过的美丽的陌生人争论,即使她碰巧是 “他的”妻子。明显地,他和他的对应人交换了宇宙。

他逐渐发觉爱上了 “他”的妻子。他无法理解他的对应人怎能如此卑鄙地对待 “他”可爱的妻子。接下来的几周是他们一生中最美好的时光。他决定解除他的对应人多年来对妻子造成的一切伤害。然而,就在他们重新认识后,他被突然地拉回了自己的宇宙,并将这段爱一并带回。被抛回 他之前的宇宙是违背他的意愿的,他开始在自己的宇宙疯狂地寻找 “他”的妻子。他发现,在他的宇宙中,大多数的人 (并非全部人)在另一个宇宙中都有其对应人。他推断,“他”的妻子毫无疑问地在他自己的宇宙中也必然有一个对应人。

他着魔似的追踪他记得的孪生宇宙的所有线索。他利用自己的所有历史和物理知识得出了一个结论———这两个宇宙原本是一个宇宙,1926年或 1927年发生了某个关键事件致使其分裂为了两个宇宙。他分析到,一个单一的事件把这两个宇宙分开了。

然后,他仔细地追溯了几个家庭的出生和死亡记录。他用剩余的积蓄采访了许多人,直到他找到了 “他”的妻子的家谱。最终,他成功地跟踪到他自己宇宙中的 “他”的妻子。小说的结尾是,他将 “他”的妻子娶回了家。

巨大虫洞的攻击

有一位哈佛大学的物理学家投身到有关虫洞的这场争论中,他就是西德尼·科尔曼 (SidneyColeman)。他慢悠悠地穿过杰佛逊 (Jeferson)大厅的走廊,试图说服那些对他最近的最新虫洞理论持怀疑态度的人。他留着卓别林式的胡子,他的头发像爱因斯坦那样向后梳,他穿着超大号的运动衫,这些特征使科尔曼站在人群中鹤立鸡群。他宣称自己已解决了著名的在过去的80年里一直困扰物理学家们的宇宙常数问题。

他的工作甚至登上了《发现》杂志的封面,题为《平行宇宙———来自哈佛最疯狂的物理学家的新真相》。科尔曼在科幻小说上也是疯狂的,因为他是一个十足的科幻小说迷。他甚至与人合作创立了降临出版公司,出版有关科幻小说评论方面的书籍。

现在,科尔曼精力旺盛地忙于攻击那些认为科学家在我们有生之年不能证实虫洞理论的批评家。如果我们相信索恩的虫洞,那么我们将不得不等到有人发现外来物质或者掌握了卡西米尔效应的那一天。在那之前,我们的时间机器没有 “引擎”,不能将我们带回到过去。与此类似的,如果我们相信霍金的虫洞,那么为了能在虫洞之间穿梭,我们必须在 虚“时间”中旅行。无论是索恩的虫洞,还是霍金的虫洞,对于一般的理论物理 学家来说都是非常糟糕的。他们受到了 20世纪不充足的、薄弱的技术的挫折,只能梦寐以求地获得普朗克能量。

这就是科尔曼的工作所承担的任务。他声称 ,在目前而不是某个遥远的不可预知的未来 ,虫洞可能产生一个明确的且可以测量的结果。正如我们前面指出的 ,爱因斯坦的方程认为物体的物质 -能量的含量决定周围时空的曲率。爱因斯坦想知道 ,纯真空的真空空间是否含有能量 ?纯真空没有能量吗 ?这个真空能量是用某个叫做宇宙常数的物理量来衡量的。原则上,没有什么能阻止宇宙常数出现在方程中。爱因斯坦认为 ,这一项从美学观点看是丑陋的 ,但他不能用物理根据或者数学根据将其抛弃。

20世纪 20年代 ,当爱因斯坦求解它的宇宙方程时 ,他非常懊恼地发现宇宙在不断膨胀。当时的人们普遍认为 ,宇宙是静止不变的。为了使他的方程不出现宇宙膨胀解 ,爱因斯坦插入了一个微小的宇宙常数到他的解中。选择好它的数值 ,使它正好与宇宙膨胀相抵消 ,从而建立一个静态的宇宙。1929年,哈勃天文望远镜证明了宇宙确实在膨胀。随后 ,爱因斯坦消除了这个宇宙常数 ,并称其为 “我一生中最大的错误 ”。

今天 ,我们知道宇宙常数非常接近于零。如果存在一个既小且负的宇宙常数 ,引力的吸引将会极强 ,整个宇宙将坍缩到只有几英尺大小 (伸出你的手 ,就能抓住你面前的人 ,他恰好是你自己)。如果存在一个既小且负的宇宙常数 ,引力就是排斥的 ,所有的东西都在快速飞离你。其速度甚至大于光速 ,以至你永远看不到它们发出的光。因为以上这两种噩梦般的场景均未出现 ,所以我们相信宇宙常数是极小的 ,甚至等于零。

这个问题在 20世纪 70年代又重新出现 ,那时在标准模型理论和大统一理论中正广泛研究对称的破坏。每当一种对称被打破 ,大量的能量就倒100

进入真空。事实上 ,充斥在真空中的能量比实验所能观测到的大 10倍。 “10100”毫无疑问是一个巨大的值。在物理学的任何地方 ,我们都没看到理论和实验有这样大的分歧 ———理论预测对称破坏时真空能量很大 ,而实验测量出宇宙常数为零。这就给科尔曼的虫洞带来了用武之地 ,它们用以抵消对宇宙常数多余的贡献。

根据霍金的理论 ,有无穷多个可供选择的宇宙与我们的宇宙共存 ,所有的这些宇宙都被一张无限连通的虫洞网连接起来。科尔曼试图将这些无限系列的贡献相加。当这个总和求出之后 ,他发现了一个令人吃惊的结果:宇宙的波函数正如人们所预期的那样倾向于零宇宙常数。假如宇宙常 数为零,其波函数将变得非常大,这意味着找到零宇宙常数的宇宙的概率非常大。此外,假如宇宙常数为非零,宇宙波函数会很快消失,这意味着发现多余宇宙的概率为零。这正是取消宇宙常数的理由,换句话说,宇宙常数为零。因为这是最有可能的结果。存在万万亿个平行宇宙所带来的唯一效果,就是保持我们宇宙的宇宙常数为零。

因为这个结果非常重要,大多数物理学家都开始投入到这个领域中。 “当西德尼完成了这项工作后,每个人都跳了起来。”斯坦福物理学家伦纳德·斯坎德 (LeonardSuskind)回忆道。科尔曼以他典型的恶作剧的方式,幽默地发表了这一潜在的重要结果。他写道,“我不知道流沙已经淹到了我的脖子,且很快就要将我全部淹没。这种情境始终具有可能性。”

消除宇宙常数到10-100的可能性小到令人难以想象。科尔曼喜欢生动地把这个问题的重要性强加给听众。他说,“试想,在10年时间里,你从不看自己的工资,且花掉数百万美元。最后,当你将自己在这10年里挣的钱与你的花销对比时,发现它们收支相抵”。因此,科尔曼的计算,证明可以消掉宇宙常数到10-100是一个非常不平凡的结果。锦上添花的是,科尔曼强调,这些虫洞还解决了另一个难题:它们有助于确定宇宙的基本常数的值。科尔曼补充说,“这是一个与以前被考虑过的任何机制完全不同的机制。它是在自己的圈中飞旋的蝙蝠侠。”

但是,批评也随之涌现。最持久的批评是,他假定的虫洞是非常小的 (在普朗克长度的量级),他并未对大虫洞求和。根据评论者的意见,大虫洞也应该包含在他的求和中。但是,由于我们看不见大的、可见的虫洞,因此,他的计算似乎存在一个致命的漏洞。

科尔曼并不为这样的批评而苦恼,他用自己惯用的方式予以回击———为他的文章选取一些耸人听闻的题目。为了证明大虫洞可以在他的计算中忽略,他写了一篇文章反驳他的批评者。文章标题是———摆脱巨大虫洞的威胁。当有人问到他的标题时,他回答说,“如果诺贝尔奖的授予是因为标题,我早就得到诺贝尔奖了。”

如果科尔曼的纯数学论证是正确的,那么,他也许给出了虫洞是所有物理过程的基本特征的坚实实验证据,而不仅仅是痴心妄想。它意味着,把我们的宇宙与无穷多个死宇宙连接起来的虫洞,在阻止我们的宇宙将自己包裹进一个紧致的小球或者阻止它以令人不可思议的速度向外暴胀。在这点上,它发挥了重要作用。它还意味着,虫洞具有使我们的宇宙保持相 对稳定的重要特征。

但是 ,随着科学界在普朗克长度上取得的重大进展 ,这些虫洞方程的终解必须等到我们能彻底理解量子引力理论之后才能得到。科尔曼的许多方程都需要消除普遍存在于量子引力理论中的无穷大 ,这意味着必须使用超弦理论这一方法。特别地 ,我们可能还要等到能有把握地计算对这个理论的有限量子修正。许多这些奇特的预言都将等待计算工具的改进。

正如我们所强调的 ,问题主要在理论上。我们尚不具备解决这些明确难题的数学能力。这些方程在黑板上看着我们 ,但我们却没有办法得到它们的严格的有限解。一旦物理学家对在普朗克能量尺度上的物理有了更好的认识 ,一个全新的概率宇宙就会从此开始。任何人或任何文明如果掌握了在普朗克长度发现的能量 ,将成为所有基本力的主人。这是我们将要进行的下一个主题 ———什么时候我们才能成为超空间的主人 ?