宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第29章
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自我繁殖的永恒暴胀意味着，尽管我们的小宇宙就像一个暴胀的“泡泡”，可能存在一个开端，但整个“多重宇宙”（multiverse）却不存在任何开端，也不会有任何终点。我们生活在其中一个（或许很罕见的？）泡泡之中，这个泡泡膨胀了足够长的时间，使得恒星和行星能够产生，生命得以演化。宇宙的历史也十分复杂，比我们所能想到的还要复杂得多。
这种“永恒暴胀”的理论使我们对宇宙历史的认识变得愈发复杂。这一点十分恼人，因为当我们意识到暴胀宇宙的地理环境异常复杂时，又会发现我们所生活的这个宇宙的历史也是多姿多彩、错综复杂的，其中的大部分内容永远无法为我们所知。宇宙就像一个精致的被子，而我们只是生活在其中一块简单而独特的时空补丁上。
永恒暴胀理论的创始人之一安德烈·林德，生动地描绘了自我繁殖的发生过程（图 9。9）。图中的起伏逐渐变成小山，表示宇宙中的不同区域在以不同的速度暴胀。这张计算机模拟图由他的儿子迪米特里绘制。而那些山头上的尖峰以及尖峰上的尖峰，表示的是随着暴胀不断地进行自我繁殖，空间的复杂性也与日俱增，形成了一种分形结构。我们生活在其中一个独特的尖塔上①，暴胀早已偃旗息鼓，膨胀也已趋于平静。但是我们所处的这个位置并不典型。无限重宇宙的大部分空间仍处于暴胀之中。暴胀形成的这幅丰富多彩的石笋图，被林德称为“康定斯基的宇宙”［不过，这更像是美国概念艺术家所罗门·莱威特（Sol LeWitt）的雕塑《污渍，第 15号》（Splotch 15），如图 9。10］。这是一张表现宇宙分形永不停止的快照。
①应该说我们生活在其中一个低谷中，因为在这张图中，高处表示暴胀仍在继续的区域，低谷表示暴胀已经结束的区域。——译者注
图9。10 所罗门·莱威特在2005年的雕塑作品《污渍，第15号》。这个概念艺术装置高3。66米，用丙烯酸树脂玻璃纤维制成。这是他自2000年开始创作的相似风格的系列结构中的一个（共22个）
突然间，我们的宇宙又变简单了许多
电子报表造就了一个“假如这样假如那样”（what…if）的社会。这种社会里的人不会像常人一样立即付诸实践，而是对每一步行动都满腹狐疑。他们对任何事都会再三斟酌。
——约翰·C。德沃夏克（John C。 Dvorak）＇26＇
暴胀宇宙理论看似简单却大获成功。它解释了我们所看到的宇宙的本性，同时，它又试图告诉我们，视界之外还存在看不到的无穷复杂的广阔空间。支持微波背景辐射中存在特定温度涨落的观测证据越来越多，这意味着我们要认真地对待暴胀理论，我们所看到的这部分宇宙在很早的时期经历过一轮暴胀。这解释了为什么我们会发现宇宙如此均匀且各向同性，为什么其膨胀速度会接近临界值的大小，为什么它不包含磁单极子，以及为什么它又有特定的不均匀性散布其中——在牛顿首先提出的、栗弗席兹证明了的、爱因斯坦理论中也存在的引力不稳定性的作用下，这些不均匀性最终会长成一个个星系。
暴胀理论跟勒梅特八十年前所研究过的一个宇宙模型很像。区别之处在于，暴胀理论构造了一个变化的宇宙学常数，它可以迅速衰变成辐射，并留下了可观测的痕迹。这简直妙不可言。宇宙的最初 10…35秒时所发生的一些事变成了的化石，直到今天还能看到。为了了解在这个早得出奇的时期发生了什么事情，我们得以有机会将理论预言与天文观测进行比较。
但除了成功地解释我们所看到的宇宙，暴胀理论还是吓了我们一跳，因为它得出了一个看似必然的结论，即我们只是生活在无穷复杂的一堆膨胀“泡泡”的一个当中，每个“泡泡”的结构可能千差万别，统治其中的自然法则也可能各不相同。突然间，不止只有一个宇宙，而是有了很多很多。
宇宙也疯狂
据我的发现，世界上没有灾难，只有机会，事实上是发生新灾难的机会。
——鲍里斯·约翰逊（Boris Johnson，现任伦敦市长）＇27＇
暴胀的宇宙将空间中的微小涨落迅速扩充为整个宇宙，这使我们不得不把宇宙改写为复数形式。我们能够看见其中一个原初的微小涨落膨胀后的模样。然而，我们周围的一切，包括视界之外的空间，都是一轮又一轮暴胀自我繁殖的产物。我们所看到的这部分宇宙的模样取决于两个因素：一是这轮暴胀的具体细节，二是统治其中的物理定律。直到不久之前，大多数物理学家都还相信，世上只存在唯一一种“万有理论”。寻找这个理论的过程就像在玩一种大型拼图游戏。每个地方都只有唯一一块合适的拼图，但你不知道什么时候才能找到它。
但渐渐地，人们对于这个简单预期的信心丧失殆尽了。种种万有理论的最佳候选理论具有完全不同的性质。这些理论中都存在一种整体的对称性，这种对称性限制了自然法则可能具有的形式，同时它们又具有一种程度出人意料的灵活性。可以存在各不相同但自洽的物理定律，其中的相互作用数目可以不同，允许的空间维度可以不同，还有很多其他性质都可以不同。许多从前人们认为宇宙固定不变的性质，现在看来却是随机产生的结果。我们从自然界中看到的相互作用力，总结出的定律法则，只不过是其中一套可能的地方性法规罢了。除此之外，其他地方的定律法则也都很完备，从各自的角度看都是自洽的。
起初，有能力角逐万有理论的候选理论似乎不太多，其中一类就是20世纪80年代早期出现的那几种“弦理论”。但到了后来，人们发现这些弦理论并不是终极理论，它们并不是真正的万有理论。实际上，这几种弦理论是一种更深层理论的几种极限情况，这种未知的万有理论叫做“M…理论”。我们只知道世上应该存在这样一个理论，但对细节一无所知，只知道它存在几种极限情况，例如能量和温度很低的时候，或者引力很弱的时候。值得注意的是，这种理论预言了一种相互作用，很像爱因斯坦的广义相对论所描述的引力。据我们所知，这种理论极为复杂，包含了海量的自洽世界；乐观估计，一共有超过10500个世界。这个数目实在太大了。
在10500种可能的状态中，都存在各自的定律和物理常数。当我们这一片宇宙冷却到可以开始暴胀时，所处的状态只不过是其中之一。这个充满了可能性的国度被称作“弦景观”。＇28＇在这些可能存在的世界中，并不是只有密度、温度或者膨胀速率之间存在微小的差异，就像我们在这本书中所提到的那些宇宙模型一样。它们从根本上就是千差万别的：相互作用的数目不同，自然常数的数目不同，就连空间和时间的维度也不同。其中许多世界都可能缺乏像电磁力之类的相互作用，于是就不可能存在原子或生命。
对这些海量可能性的研究仍然很原始。后来，一种叫做卡拉比–丘流形的复杂数学结构被人们引入，促进了相关研究的发展。数学家尤金尼奥·卡拉比和丘成桐很早以前就发现了这种流形，比物理学家的研究早得多。＇29＇起初，这些研究看起来很吓人。我们对卡拉比–丘空间的了解不多，图9。11是其中一幅图片。这些空间可以由一些表示大小和复杂度的特征量来分门别类。
研究人员充分利用了高速计算机去研究这些可能性，并将它们分类整理，但人们力所能及的也不过是弦景观的一些稀疏角落，而且其中的事物也不能太复杂。这些研究燃起了一丝希望，或许在卡拉比–丘流形所定义的巨额数目的空间中，只存在少量“有意义的”世界。其中一些世界中的物理规律可能会产生像电子、夸克之类的粒子，进而组合成原子和分子。
图9。11 一种卡拉比–丘空间。
同时，我们还面临一个巨大的宇宙彩票问题，永恒暴胀宇宙的不同角落会随机地落入10500种弦景观状态中的一种。该角落的暴胀结束后，随机产生的状态将会决定暴胀产生的巨大空间的性质。
弦景观所包含的物理规律的数目听起来相当惊人，即使只研究其中一部分卡拉比–丘空间，难度也相当大。这让数学家们忙活了好一阵子。然而，罗格斯大学的弗里德里克·德内夫和迈克尔·道格拉斯指出，这种研究弦景观的系统性方法存在一个严重的问题。＇30＇有的人可能会想，物理学家们所采用的策略是，寻找弦景观中能演化为我们所观察到的宇宙的地方。可惜，这个计划过于理想化，没有考虑到所谓的计算复杂性问题。仅仅计算弦景观中的最低能量状态就已经需要漫长的计算（对此的技术术语叫“非确定性多项式难题”，简称“NP 难题”），而研究所有这些可能状态的性质更是远远超出了任何人造计算机的能力范围（就连量子计算机也不行）。
这类所谓的“难题”，就是说随着信息输入量的增加，所需要的运算量就会呈指数增长。我们习惯于解决“简单”问题，其运算量与信息的输入量呈正比（或者是后者的某种幂函数）。计算机花了四十万小时（利用许多计算机同时计算），只是简单地扫描了其中一百万种模型。＇31＇但是复杂性和运算时间会随着“难题”范围的扩大而迅速增长，如果我们把模型的数量翻一番，运算时间就会长达一百多万年。
暴胀宇宙正在泛滥成灾！我们没法通过观测实验将不适合的候选模型逐个排除。这听起来十分让人焦虑，不过现实更加糟糕。到目前为止，我们只数出了弦理论存在多少种不同的物理规律，但还没开始计算永恒暴胀的宇宙会自我繁殖出多少个暴胀“宇宙”呢！
假设我们所生活的这一小片空间，随机选择了超弦景观的一个真空态。这就对应着一类特定的物理定律。这片空间开始暴胀时，体积最大不超过光速和宇宙年龄的乘积。为了满足我们在宇宙中看到的各向同性、均匀性以及磁单极子的稀缺性，暴胀必须进行得足够彻底，至少要让体积增大一个 N=e60的因子。暴胀产生的副产品，也就是其他可能存在的“宇宙”至少有
个之多，这些“宇宙”的几何性质都不相同。这个数目实在太大了，给这些可能的世界列一张名单，产生的数据量都会多到无法被我们的大脑容纳。为了将10后面的1077个零完整地写出来，就要把我们所看到的宇宙范围内的所有原子都变成墨水。这个数字比弦景观所包含的真空态的数目还要大得多。实际上，如果我们不单单考虑我们周围的这片宇宙空间，而是考虑更大范围内的宇宙所能产生的空间的话，这个数目甚至还会变得更大。整个宇宙永远在生成新的空间，这些空间数目惊人，一边膨胀，一边又在产生更多的空间，子子孙孙无穷匮也。
我们并不需要造出更大的数字，将这些信息完整地表达出来。可能的宇宙和真实的宇宙都多得难以置信，就像所谓的“可见宇宙”一样无边无际。
第10章
后现代宇宙
如果在路上遇到岔路（fork），就把叉子（fork）拿走。
——约吉·贝拉（Yogi Berra，前职业棒球选手，多有巧言妙语）
随机的宇宙
［机械唯物主义者的］宇宙是人逃避现实、能把埋头进去的最小的洞。
——吉尔伯特·K。切斯特顿
自20世纪初以来，宇宙学家都在深入研究各种可能的宇宙模型，并与天文观测进行比对，然后从中挑选出一个与观测结果最为相符的。而现如今，他们要同时将所有可能性都考虑进来了——某种“多重宇宙”的可能性，其中每一个宇宙都占据多重宇宙的一个角落，每个角落都要比我们可见宇宙的全部还要宽广。这种想法的新颖之处在于，这些可能的宇宙都可以同时存在于现实世界之中，而不仅仅是哲学家口中的“可能的宇宙”、或然历史学家所谓的“或然的宇宙”，又或是奥运会银牌选手心中的“假如当初那样、结果就会那样的宇宙”。
我们回过头去看永恒暴胀的宇宙。在宇宙自我繁殖的过程中，新的宇宙不断破土而出，永无止境，而且这个繁殖过程似乎也没有开端。如果我们拥有上帝之眼，能够纵览全局的话，我们就会发现多重宇宙里的绝大多数宇宙仍然处于暴胀之中。个别角落就像我们所在之处一样，第一轮暴胀已�
