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多重宇宙理论 超乎想像的多维空间

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发表于 2016-9-21 22:34:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
多重宇宙理论 超乎想像的多维空间:阿尔伯特·爱因斯坦曾经说过:“我真正感兴趣的是上帝在创造世界时是否有所选择。”这是他特有的诗情画意式的语言,他的意思是说,我们的宇宙是不是唯一可能的宇宙,而有很多宇宙,就是多重宇宙和多维空间。
一提到上帝,人们很容易产生误读,因为爱因斯坦的问题并非神学问题。其实,爱因斯坦是想知道,根据物理定律是否必然能产生我们这个独特的宇宙,里面充满了星系、恒星和行星;或者说,像汽车经销商每年推出新车型一样,物理定律是否会让宇宙具有大量不同的特色?如果事情果真如此,那么我们通过强大的望远镜和巨型粒子碰撞机所了解到的宏伟现实是不是某种随机过程产生的结果?或者说宇宙这枚骰子在抛出时是不是选择了某些可能的特色?或者说宇宙的现状还有更深层次的解释?

多重宇宙理论 超乎想像的多维空间

多重宇宙理论 超乎想像的多维空间

在爱因斯坦的那个时代,说我们的宇宙本不该如此这样的话,对物理学家来说是莫名其妙的一件事,他们只会在完成一天的正经研究任务、很消停的时候,玩弄这样的话题。可是,近来这个问题从物理学的边缘地带转移到了主流;不仅如此,支持三大独立发展观的物理学家不只想象我们的宇宙本来会有不同的特性,他们还认为,除了我们的宇宙之外还有其他宇宙,大多由不同的粒子构成,受制于不同的力,形成一个令人瞠目结舌的大宇宙。

这个大宇宙被人们称为多重宇宙,这是过去几十年里物理学界出现的一个最为极化的概念,在学者中间激起热烈的争论。其中有些人认为这是我们理解宇宙的第二个阶段,而其他人声称这纯属胡言乱语,是认识的扭曲,是理论家恣意想象的结果。
那么到底怎样?我们为什么会在意?要想找到答案,首先就得讨论宇宙大爆炸。

探寻这次爆炸本身

1915年,爱因斯坦发表了他最重要的研究成果:广义相对论。这是他整整十年辛勤探讨引力问题的高潮。广义相对论富于奇迹般的数学美,为极其精准地解释从行星运动到星光轨迹等宇宙间的一切提供所需的公式。
用了短短的几年工夫,爱因斯坦通过其他数学分析得出结论,认为宇宙本身在膨胀,使得星系彼此分离。起先,他虽然强烈抗拒自己的理论所具有的这种令人吃惊的含义,但是1929年,美国伟大的天文学家爱德温·哈勃对深空的观测结果证实了这一点。不久之后,科学家推论,如果空间在膨胀,那么回溯早先的宇宙就会越来越小,然后到了久远过去的某个时刻,我们现在能够看到的一切——构成每个行星、每个恒星、每个星系,甚至构成空间本身的所有成分——一定被压缩成极其小的一个点,就是这个点的膨胀演化出了我们所认识的宇宙。
大爆炸理论诞生了。在这之后的几十年里,这个理论势不可挡,不断得到观测数据的支持。然而,科学家意识到,这个大爆炸理论有一个重大缺陷,它省略了这个爆炸本身。爱因斯坦的公式极其成功地描述了这个爆炸之后一瞬间如何演变出这个宇宙,但是把他的这些公式运用于这个宇宙最早那一瞬间的极端环境时却产生了故障(就像计算器在运算1除以0时得到的错误信息那样
吧?),因此这个大爆炸无法让人深刻地认识这个爆炸本身的动力。

多重宇宙理论 超乎想像的多维空间

多重宇宙理论 超乎想像的多维空间
产生火力的燃料

20世纪80年代,物理学家阿兰·古斯提出了宇宙大爆炸的一个增强版,叫作膨胀宇宙学,大有填补这个关键空白之势。这个提议的核心部件是一种假设的宇宙燃料:如果集中在一个微小的区域,这种燃料会让空间产生短暂且巨大的外推力——一次爆炸,而且是一次巨大的爆炸。事实上,数学计算表明,这次爆炸非常剧烈,就连量子领域里的微小颤动都会产生极其巨大的伸展力,顺利地穿越空间,就像过度拉伸的弹性纤维一样,呈现出它的结构模式,产生一个温度微弱变化的精确图案,在整个夜空中展现微热的点和微冷的点。20世纪90年代初,美国航空航天局的宇宙微波背景探索卫星首次探测到这些温度变化,为项目组负责人约翰·马瑟尔和乔治·斯穆特赢得了诺贝尔奖。

数学分析引人注目,它也揭示出宇宙的膨胀会随时补充其燃料,其效率非常高,燃料耗尽的情况几乎不可能。这正是多重宇宙的入口。也就是说,大爆炸不可能是一种独特事件。它的燃料不仅给爆炸提供动力产生我们这个膨胀的王国,也会为无数其他爆炸提供动力,而这些其他的爆炸个个都会产生自己独立的膨胀宇宙。那么,我们的宇宙就是多重宇宙这个宇宙泡泡浴中逐渐膨胀的一个泡沫。

这个前景非常引人瞩目。这种观点如果正确,那么它将给宇宙一长串的重新评估提供一块压顶石。我们曾经以为我们的地球是一切的中心,后来认识到它只不过是围绕太阳运转的许多行星之一,然后我们又了解到我们的太阳处于银河系的边缘,另外还有数不清的恒星,然后又意识到宇宙中还有无数其他星系。现在膨胀宇宙学提出,我们这个拥有无数星系、恒星和行星的宇宙可能只是构成一个大宇宙的许多小宇宙之一。

多重宇宙理论 超乎想像的多维空间

多重宇宙理论 超乎想像的多维空间
然而,先行者安德烈·林德与亚历山大·维兰金20世纪80年代提出多重宇宙时,物理学界的同仁只是耸耸肩膀而已。那些其他的宇宙即使存在,也处于我们能够观察的范围之外,所以我们只能接近我们这个宇宙。在当时来看,显然它们不影响我们,我们也不影响它们,井水不犯河水;那么,其他宇宙在科学方面能对致力解释我们看到的世界发挥什么作用?
由于抱着这样一种心态,这方面的研究停滞了大约10年;然后,一项令人吃惊的天文学观察暗示了这个问题的答案。

暗能量之谜

虽然说发现空间在膨胀具有革命性,但是关于膨胀有一个方面几乎每个人都认为是想当然的。正如地球引力的作用会使上抛的球减速,每个星系对其他星系的拉力同样会使空间的膨胀减速。
20世纪90年代,两个天文学家团队着手测量宇宙减速的速率。通过对遥远星系多年的苦心观测,两个团队收集到了空间膨胀速度如何随时间变化的数据,完成数据分析之后,大家都大吃一惊:膨胀速度非但没有降低,反而从70亿年前就加快了,从此以后一直在增速。这就好似向空中投球,最先曾经减速,但是随后更快地蹿向空中。


全球的科学家都竞相来解释宇宙膨胀的加速问题。是什么力使得每个星系都在越来越快地离开其他星系?在我们看来,最好的答案来自爱因斯坦的一个老观点。我们都习惯于引力只干一件事:使物体相互吸引。但是,在爱因斯坦的广义相对论里,引力还能干别的事:它能够使物体相互推斥。怎样推斥?像月球、地球和太阳这样的我们熟悉的物体,它们的引力当然是吸引。可是,爱因斯坦的公式表明如果空间里有其他什么,不是一团一块的物质,而是我们看不见的能量,有点儿像空间中均匀散布的隐形薄雾那样,那么这种能雾产生的引力就可能是推斥的。

这正是我们解释那些现象所需的。一种充满空间的隐形能雾(我们现在称之为暗能量)产生的这种斥力使得星系之间相互推斥,使膨胀速度加快,而不是降低。
可是,这里发生了一个故障。当天文学家推导出空间需要渗透多少暗能量才可解释他们观测到的宇宙加速时,他们发现有一个数字谁也无法解释,甚至连近似于解释也做不到——用相关的单位表示,这种暗能量密度极其微小:1.38×10-123。
与此同时,研究人员试图运用物理定律计算暗能量,所得的结果很典型,超过了100个数量级。这也许是科学史上观察与理论之间最大的错配。
这就引起人们一定程度的深思。

物理学家长期以来一直相信,只要付出辛勤劳动,通过实验和勤奋的计算,现实的基本结构没有什么细节得不到科学的解释。当然,许多细节仍然缺乏解释,比如电子和夸克这类粒子的质量总有一天会被科学家计算出来。
在解释暗能量方面遭受的惨败,使人们对这种自信产生了怀疑,促使有些物理学家寻求彻底不同的解释方法,即(又一次)暗示多重宇宙的可能存在。

多重宇宙理论 超乎想像的多维空间

多重宇宙理论 超乎想像的多维空间

多重宇宙方案

这个新方法的科学根源可上溯到1 7世纪早期,当时伟大的天文学家约翰内斯·开普勒着迷于理解一个不同的数字:太阳与地球之间148800000千米的距离。开普勒挣扎了好几年,想解释这个数字,但一直没能做到,从我们现代的角度来看,理由显而易见。我们现在知道,有许许多多行星在许许多多的不同距离围绕着它们的恒星运行,展示了开普勒探索中面临的悖论,物理定律不会把任何具体的距离当作特殊情况对待,而地球与太阳之间的距离之所以不同,是因为它产
生了适合于生命存在的条件:我们要是更靠近太阳或更远离太阳,随之产生的极端温度就不能让生命在这里落脚。所以,开普勒在徒劳无益地寻找地日距离的基本解释,我们人类在这样一个距离存在已经有了一个解释。

在寻求解释暗能量值时,也许我们犯了跟开普勒同样的错误。我们的最佳宇宙理论——膨胀理论——自然产生了其他宇宙。那么,也许有许多行星以许多不同距离围绕自己的恒星运行,也许有许多宇宙包含许多不同量的暗能量。如果真是如此,要求物理定律解释暗能量的某个值就跟试图解释某个具体的行星到宿主星的距离一样误入歧途。而正确的问题应当这样问:我们人类为什么发现自己生存于一个拥有如此这般暗能量的宇宙中,而不是其他任何一种情况呢?
这个问题我们能够对付。在拥有更大量暗能量的宇宙里,只要物质试图凝结成星系,暗能量的推斥力都会非常强大,可以使凝团爆炸,从而阻挠星系的形成。在暗能量值小得多的宇宙里,这种推斥力变成一种吸引力,使得那些宇宙迅速坍缩,因而不能形成星系。如果没有了星系,也就没有了恒星、行星,我们这样的生命形式也因此不可能存在于那些宇宙之中。

所以,我们发现自己生存于这个宇宙而不是另外一个宇宙,原因很简单,就像我们发现自己生存于地球上而不是海王星上,因为这里的条件正好符合我们这种生命形式。
即便我们观测不到其他宇宙,它们的存在还是在发挥科学的功能:多重宇宙为解开暗能量之谜提供了答案,使我们观测到的数量得以理解。或者说,倡导多重宇宙说的人这样认为。
很多人觉得这种解释不能令人满意、愚蠢,甚至让人反感,他们认为科学就是要给出确定精确的量的解释,而非“正是如此”之类的故事。

但从根本上说,相比之下,如果你正竭力解释的这个特点在现实景观里能够拥有而且具有大量不同数值的话,那么为每一个值寻找一个确定的解释就是执迷不悟。在众行星围绕各自恒星运行的情况下,要想预测行星与其宿主恒星的确定距离是根本行不通的,因为有许多可能的距离;如果我们属于一个多重宇宙的一部分,要想预测暗能量的确切值同样行不通,因为可能有许多的可能值。
这种多重宇宙并不改变科学方法或降低解释标准。但是,它的确要求我们重新审视自己是否错误地提出了错误的问题。

悬于弦

当然,要想使这种方法获得成功,我们必须确保多重宇宙暗能量的许多不同值当中就有我们测得的那一个。就在这个节骨眼上,出现了第三条研究路线:弦理论。
弦理论试图实现爱因斯坦的梦想,即找到一个能够将所有质量和力缝合到一片数学织锦上去的“统一理论”。该理论最初形成于20世纪60年代晚期,设想每个基本粒子的最里层是一种微小的、颤动的、似弦的能丝。就像小提琴的琴弦那样,不同的颤动模式得到不同的音符,这些微小的弦产生的不同振动模式会产生不同种类的粒子。

这个话题的先驱曾经预期,弦理论严谨的数学建筑很快会得出一套明确的可检验的预测。但是数年已过,仔细分析该理论的公式,你会发现解决方案众多,各自代表一个不同的可能宇宙,而且“众多”意味着很多很多。今天,可能宇宙的计数已经达到几乎无法理解的10500个,这个数字太大,无法类推。有些对弦理论的倡导者来说,未能得出像我们这样的一个独特宇宙的这种惨败,真可谓是致命的一击。但是,对推行多重宇宙理论的人来说,弦理论可能宇宙的巨大多样性至关重要。

只有鞋店存货充足,你才能保证找到你自己的号;所以,只有储备丰富的多重宇宙才能保证我们这个具有独特暗能量的宇宙入围。膨胀宇宙学只靠自己是达不到目的的。虽然说它那一长串没有尽头的大爆炸会产生巨量的宇宙,许多会有类似的特点,就像鞋店一样,这个号一大堆,那个号也一大堆,但就是没有你要找的那个号。
然而,如果将膨胀宇宙学与弦理论结合起来,宇宙的储藏室就盛不下了:在膨胀宇宙学那里,弦理论极其多样的可能宇宙成为现实宇宙,一个大爆炸接着一个大爆炸,随即诞生这些宇宙,我们的宇宙也保证就在其中,且因为有了我们这种生命形式所需的特点,就成为我们居住的宇宙。

高风险的科学


许多年前,卡尔·萨根曾强调,非同寻常的观点需要非同寻常的证据。那我们能够收集到支持一种理论而又引发其他宇宙的证据吗?因为其他宇宙会超出我们观察的范围,如果把多重宇宙置于科学范畴之外,那么似乎答案是否定的。但是不要这么心急。即使支持一种观点的证据的某些重要特征无法观测得到,这样的证据仍然能够收集到。
比如说黑洞。即使什么也逃不出黑洞的内部,就连光也不例外,使得这些区域无法观测,但是科学家一般在使用广义相对论讨论黑洞内部会发生什么时都很有信心,其理由是:一种理论,如果它能对我们观察到的事物进行大量准确的预测,比如广义相对论,我们自然会产生信心,认为它也能预测我们观测不到的事物。
同样,如果产生多重宇宙的理论能对我们观察到的事物一再做出正确的预测,从而得到我们的信任,那么我们对它预测我们不能到达的其他宇宙的信心自然也会增强。
截至今天,我们远远没有跨过这个门槛。膨胀宇宙学准确预测了微波背景辐射,暗能量准确解释了膨胀的加速。但是,弦理论仍然属于假说,主要是因为其基本的区别性特征即使利用今天最强大的加速器也难以探测得到,它只有在我们能够探测的数十亿分之一规模时才能显现。

多重宇宙更直接的证据可能来自我们目前正处于膨胀的宇宙及其邻居的潜在碰撞。宇宙中发生的这种轻微事故会在微波背景辐射中产生另外一种温度变化图案,这只有将来的尖端望远镜才能探测得到。许多人认为这是找到支持多重宇宙证据的最有希望的可能。
检测多重宇宙理论有的是办法,当然都是远程的,这反映了最初认真的数学分析。然而,因为这个理论毫无疑问是尝试性的,所以我们必须抱着一种健康的怀疑态度,明智而审慎地启用其解释性框架。

多重宇宙理论 超乎想像的多维空间

多重宇宙理论 超乎想像的多维空间

试想:当苹果掉落到牛顿的头上,这并没有激励他去开发引力定律,而是推断有些苹果掉落下来,其他的苹果飞了上去,就因为那些苹果早就飞往外层空间,我们只看到下落的那一种。这个例子有点滑稽,但是有一点是严肃的:如果不加选择地利用多重宇宙理论,科学家会借此放弃对更深层次的解释的追寻。另一方面,如果不考虑多重宇宙,科学家就会像上了跑步机那样,拼命地追寻无法回答的问题的答案。

这也就是说,研究多重宇宙理论绝对属于高风险科学。有众多的推导可能削弱思考它的动机,比如说,科学家最后计算出正确的暗能量值,证实一种只得出单一宇宙的膨胀宇宙学理论,或者发现弦理论不再支持众多可能宇宙的存在,如此等等。

但是就像所有理性的赌注一样,高风险也有可能带来高回报。在过去的500年里,我们运用观测和数学计算使众多的误会烟消云散,从最初的一个古怪的、以地球为中心的小宇宙观发展到一个承载着数十亿星系的宇宙观,这个研究旅程很富刺激性,也令人感到自身的渺小,我们不得不放弃以自我为中心的神圣信仰。虽然我们在宇宙中的地位被贬低,但是我们展示了人类的智能,超越了普通经验的藩篱,揭示了非凡的真理。多重宇宙的提议也可能是不正确的,但是,这也许是这次旅程的第二步,它会向我们揭示一个大宇宙中那些小宇宙激动人心的全貌。对包括我在内的有些科学家来说,有这样的可能性就意味着我们的冒险完全值得。

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