宇宙的答案

就像一张脸一样，宇宙同时具有美和潜在的秩序。

有很多次，当我告诉人们我从事“comology”（宇宙学）的研究时，他们会错误地把我当作“cosmetologist”（美容师），这让我觉得非常有趣，如果我真的去做美容师的话，将是多么不适合。但这个错误的确促使我去查了一下这两个词，如果不仔细听的话，它们听起来确实非常相似。这两个词都起源于希腊语“kosmos”的拉丁语版本，所以经常有人将两个词混淆。公元前6世纪，毕达哥拉斯或许是第一个将“kosmos”用于描述宇宙的人。公元1200年后，“cosmos”主要意为“秩序，好的秩序，有秩序的安排”。不过，这个单词一直到19世纪中期才开始流行起来，这是因为德国科学家和探险家亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt）作了一系列报告之后，把它整理制作成了一个名叫《宇宙》（Kosmos）的小册子。这个小册子影响了很多读者，包括作家爱默生、梭罗、爱伦·坡、惠特曼。读到这里，你或许会明白天文学家、科普作家卡尔·萨根（Carl Sagan）重启科普电视片《宇宙》的原因。

“Cosmetic”（化妆品）这个单词可以追溯到17世纪40年代的法语单词“cosmétique”，这个词又起源于希腊语“kosme-tikos”，意为“擅长装饰或者安排”。在线词典给出了双层含义，我猜测只有洛杉矶的居民才能够完全理解^[6]，除了“宇宙，世界”的含义之外，“kosmos”还有一个很重要的含义，与“饰品，一个女人的服饰或装饰”有关。无论如何，我碰到的那个令人尴尬的困惑，并不完全是一个巧合。“Cosmology”（宇宙学）和“cosmetology”（美容学）都源于“kosmos”。就像一张脸一样，宇宙同时具有美和潜在的秩序。

宇宙学是关于宇宙演化的科学，已经发展成为一门独立的学科。它已经进入了一个实验和理论均有革命性进展的时代，所产生的见解要比大多数人在30年前的预期更广泛、更细致。改进后的技术与根植于广义相对论及粒子物理学的理论相结合，提供了一个关于宇宙早期阶段的详细图景，以及它如何演化到今日之宇宙。下一章我将会解释，20世纪的这些进步如何深刻影响了我们对宇宙历史的认识。在探寻这些非凡的成就之前，为了解释在一些有关人类最古老和最基本的问题上，科学能够告诉和不能够告诉我们什么，我要先暂时变身哲学家。

宇宙学是关于大的方面的追问：宇宙如何开始，又如何演化成为现在的状态。在科学变革之前，人们试图利用仅有的方法，比如哲学和有限的观测数据，来回答这样的问题。一些想法被证明是正确的，但也有很多想法是错的，这都是很正常的。

到现在也是如此，尽管我们取得了许多进步，当思考一些未解之谜时，人们还是情不自禁地求助于哲学。事实上，这也迫使我们面对哲学和科学的差别。科学关注那些至少原则上我们能够通过实验或者观测来验证或者排除的想法。至少对于一个科学家而言，哲学关注的那些问题，我们永远不可能给出确定的答案。技术有时会滞后，但我们相信至少在原则问题上，科学的提议是能够被验证或者证伪的。

这让科学家们处于一种困境。宇宙肯定超过人类能够观测的区域。如果光速的确是有限的，而且如果宇宙仅仅存在有限的时间，不管技术有多进步，那么我们也只能看到有限的空间区域，看到那些光触及到的区域，或者其他以光速传播的事物所能到达的区域。只有从那些区域，信号才可能在宇宙产生的时间内抵达地球。任何比这更远的事物，处于物理学家所说的宇宙视界（cosmic horizon）之外，我们目前所做的任何观测都无法触及。

这意味着，从本质上来说，科学知识并不适合于视界之外。对于那些视界之外的猜想，没有人能够通过实验证实或者证伪。根据我们对科学的定义，在那些遥远的区域，哲学至上。但这并不意味着拥有好奇心的科学家不用思考应用于那些遥远区域的物理原则和过程。其实许多人还是会这样去做的。我不想忽视这些探索，因为这些探索既有趣又深刻。但由于这些知识的局限性，这些内容并不是那么可信，即使是科学家的答案，也不比其他人更可靠。然而，因为我时常被人问起，所以利用这一章，我将对那些时常需要被解答的几个问题，谈一谈我的看法。

我时常听到的一个问题是：在这个世界上，为什么有“存在事物”，而不是“空无一物”呢？尽管没有人知道真正的答案，但我会给出我的两个回答。首先，也是不可否认的，如果是“空无一物”的话，你不可能坐在这里提出问题，我也不可能在这里解答问题。其次，我认为“存在事物”是更为可能的。毕竟，“空无一物”是非常特殊的。如果你有一个数字序列的话，在所有可以被选择的具有无限数目的数字当中，“零”仅仅是这当中无限小的一个点。“空无一物”是如此特殊，你根本不会期望用它来表述宇宙的状态，这无须一个潜在的理由。但是即使潜在的理由也不是“空无一物”。你至少需要物理定律来解释一件非随机事件的发生。有起因就意味着一定有某种事物的存在，尽管它听起来有些可笑，但我深信这一点。你或许不能总是找到你想找的东西，但你总会无意地找到某些其他东西。

当物理学家思考构成我们自身的物质时，就会有一个科学而非哲学的问题冒出来。在宇宙中，为什么会有这么多物质（比如，质子、中子和电子）组成我们自身？尽管对普通物质已经有了很多了解，但我们并不完全明白为什么还有那么多普通物质依旧存在。包含在普通物质中的能量总量是一个悬而未决的问题，我们至今不太明白为什么会有这么多的普通物质在宇宙中保存了下来。

这个问题可以归结为：为什么物质和反物质存在的数量不相等？反物质是质量相同，但和普通物质电荷相反的物质。物理理论告诉我们，任何一个物质粒子，必然存在着一个对应的反物质粒子。比如，如果电子的电荷为-1，那么必须有一个叫作正电子的反物质粒子存在，与电子相比，它具有同等质量但相反的电荷+1。为了避免任何不必要的混淆，我要明确指出，反物质不是暗物质。反物质带有像普通物质一样的同种类型的电荷，所以它会和光子相互作用。唯一的差别是，反物质的电荷与其相关物质的电荷是相反的。

反物质携带着与普通物质相反的电荷，两者的净电荷为0。既然物质和反物质在一起时不带有任何电荷，根据电荷守恒和公式E=mc2，我们知道，当物质和暗物质相遇时，就会消失变成纯粹的能量——这个能量也是不带电荷的。

我们本来期望，在宇宙冷却时，所有已知的普通物质最终将会和反物质一起湮灭。这意味着，物质和反物质合并变成纯粹的能量，从而消失。但是我们现在还坐在这里讨论问题，很明显这不是事实。普通物质被保留了下来，在图2-3中你看到它占了宇宙能量的5%，那么宇宙中物质的总量一定比反物质的总量要多。对于宇宙和我们自己而言，一个很关键的特点是，普通物质能够以足够的数量保留下来，从而创造出动物、城市和恒星，这和前文提到的标准热期望不同。不过这只有在普通物质主导反物质的情况下才能发生，也就是说有一个物质和反物质的不对称性。如果总量总是一直相等的话，那么物质和反物质总是能够找到彼此，然后湮灭并且消失。

为了能够让物质保留至今，物质和反物质之间的非对称性必须在宇宙早期的某个时候就已经建立。物理学家已经提出了许多可能的情形，从而创造出这种不平衡，但我们现在还是不知道哪一个想法是正确的。这个非对称性依旧是宇宙学中没有解决的重要问题之一。这意味着，我们不仅不理解暗物质，也不完全理解普通物质。在宇宙演化的早期，一定发生了某种特别的事情，从而可以解释为什么只占宇宙构成5%的物质可以保留至今。

第二个目前没有回答的问题是：大爆炸过程中究竟发生了什么？科学家和大众媒体经常用“大爆炸”代指宇宙时间小于10-43秒和尺度小于10-33厘米，甚至利用非常漂亮的多色图来演示大爆炸。但“大爆炸”很容易误导人，这个我会在第4章深入讨论。天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）倾向于一个静态宇宙，1949年，他在BBC电台节目中发明了这个术语，用来贬低这个他不相信的理论。

无论你对大爆炸宇宙学的态度如何，它都非常成功地描述了我们所知道的宇宙在开始的几分之一秒后的演化，而在更早的时刻所发生的事情，没有人知道。对于大爆炸或者之前的可靠表征则需要一门叫作量子引力的理论。在这个与最早时间相关的微小距离尺度上，量子力学和引力理论都很重要，但并没有人找到可行的理论，能够应用于这个极小的距离尺度范围。只有当我们对这个微小距离尺度上的物理过程有了更多了解之后，我们才能够对宇宙的最初状态了解更多。不过即使到了那个时候，通过观测去检验结论可能还是行不通。

我还时常会听到另外一个更加不可能回答的问题就是：大爆炸之前发生了什么？回答这个问题估计比理解大爆炸需要知道的知识更多。我们现在不知道大爆炸时到底发生了什么、在此之前发生了什么。但在你失望之前，我还是要告诉你，即便发现所有的答案，都仍然不会令人满意。或许宇宙已经存在了无限长的时间，或许它开始于某个特定的时刻。这两个答案似乎看起来都不让人满意，但至少是一些选择。

更进一步来说，如果这个宇宙一直存在，并且大爆炸仅仅是其中一部分，或者我们的宇宙就是所有的一切，或者其他宇宙也是从其自己的大爆炸而来。在多重宇宙中，除了我们自己的宇宙，还有很多其他宇宙。在这种情形下，将会有许多其他膨胀区域——每一个都构成了它自己的宇宙。

这个推理给我们提供了三个选择：宇宙开始于大爆炸；它一直存在，但最终还是经历了大爆炸理论所预言的膨胀阶段；我们的宇宙只是众多宇宙中的一个，而其中的每一个宇宙都产生于已经存在的一个宇宙或者多重宇宙。这涵盖了所有的可能性。不过对我来说，最后一个可能性看起来似乎是最有可能的，因为它无须假设地球，甚至我们已知的宇宙是特殊的，这个推理自从哥白尼时代就一直被使用。依照我的思考方式，这一选择也意味着，宇宙的空间尺度很可能是无限的，而不是有限的，演化的宇宙也不可能有一个时间起点和终点，尽管我们的宇宙确实有可能“有始有终”。在这三个不能完全理解的可能性中，多重宇宙出现但最终消失的可能性，或许是最不能令人满意的一个。

上述问题促使我做了最后一个哲学思考：多重宇宙是否存在？现存的物理理论表明，多重宇宙是非常有可能存在的，尤其考虑到目前很多量子引力理论表明，存在很多可能的解。不知道那些计算是不是经得起推敲，不过我敢打赌，其他无法探知的宇宙是应该是存在的。为什么要否定它们呢？仅根据目前已知的物理定律和科技水平，就认为它们不存在，完全是一种短视。在我们世界里，没有事物与多重宇宙的存在是相违背的。

这并不意味着我们会知道什么。如果没有事物比光运动得快的话，任何在宇宙视界之外的区域都将超出人类观测的极限。但从原则上来讲，其他区域可能包含其他宇宙，且完全与我们的宇宙分隔开来。在某些情况下，一些来自其他宇宙的信号可能会被探测到：随着时间演化，不同的宇宙会发生接触。但这是非常不可能的，因为其他宇宙通常是无法接触的。

对于我的那些忠实的老读者，我想说句题外话。在我们讨论多重宇宙时，我并不是指《弯曲的旅行》一书中所描述的多个维度。在宇宙的视界之内，也许还存在着额外维度，我们所能观测到的三维空间包括左-右、上-下和前-后。尽管没有人看到那个额外维度，但它也是可能存在的。从理论上来说，一个被高维空间所分隔开来的宇宙也是可能存在的。这种类型的宇宙通常被称为膜世界（braneworld）。读过《弯曲的旅行》的读者知道，最让我感兴趣的是，膜世界很有可能有一些可观测的结果，因为它们无须很远。然而，当大家讨论更为广义的多重宇宙时，会涉及许多独立宇宙，即使通过引力它们也不会作用，膜世界并不是通常大家所指的这种独立宇宙。多重宇宙通常是非常遥远的，如果一个物体以其中的一个宇宙中以光速飞行，那么在我们的宇宙寿命之内，也不会抵达我们这里。

大众对多重宇宙的想法有着浓厚的兴趣。最近我和一位朋友聊天，在提到多重宇宙的想法时，他表现得非常兴奋，但他不明白为什么我没有像他那样觉得多重宇宙有趣。对我而言，第一个原因就是我上面说过的：在所有的可能性中，我们永远也不会肯定地知道，我们是否居住在一个多重宇宙中。即使其他宇宙的确存在，它们也是不可探知的。尽管我的朋友有些失望，但兴趣依然。我怀疑他和其他人一样，对存在多重宇宙感兴趣只是因为，他认为另一个自己就生活在某个遥远的宇宙中。必须要指出，我并不赞同这种观点。如果其他宇宙存在，它们很有可能跟我们的宇宙完全不同。它们甚至不会包含类似于我们这个宇宙的物质和力。如果那里有生命的话，我们很有可能不能识别他们。即使它离我们并不遥远，也仍然不能探测到它。将创造人类的无数因素汇聚在一起更是不太可能。与许多宇宙一起，一个更大的宇宙也是有可能存在的。在我给朋友解释完之后，他开始明白我的观点。

事实上，即使多重宇宙的设想是正确的，大多数其他宇宙也将是不稳定的，它们或许会坍缩或者爆炸，无论是哪种情形，几乎在瞬间它们就会变得什么都没有。仅仅只有一些，像我们自己的宇宙，或许会持续很长的时间，形成一定的结构，甚至演化出生命。尽管哥白尼的观点很深刻，但我们这个宇宙看起来的确有一些特殊的性质——允许星系、太阳系的存在和生命的产生。一些人试图假设有多个宇宙存在，其中至少有一个宇宙会具有我们这个宇宙的特殊性质，从而允许生命的存在。许多这样思考的人尝试人择原理（anthropic reasoning），这个原理试图从生命（或者至少能够支持生命的星系）的重要性上来判断，是不是我们这个宇宙所必须具备的特殊性质。这里的问题是，我们不知道哪一类性质是人择决定的，哪个是建立在基本物理定律之上的，或者哪些性质对于生命是必不可少的，哪些是我们主观认为对生命必不可少的。人择原理或许在某些情形之下是正确的，但问题是，我们不知道如何验证这些想法。在所有的可能性中，如果有一个更好更有预见性的想法出现，我们将会把上面那些想法排除。

上文所讨论的想法都只是推断而已。尽管它们很有趣，但我们不会得到答案，至少在短时间内不会。在我的研究中，我倾向于认为物质的多重宇宙“社区”就在这里，而且我们有希望理解它们。尽管我使用了形象化的术语，但距离真相仍然遥远。一个暗物质的宇宙就在我们眼前，然而我们通常与它没有相互作用，也不知道它到底是什么。理论和实验物理学家目前正在推进对“暗宇宙”的了解，我们或许很快就会知道答案。我也相信，这样的发现是值得等待的。