第六章 选择宇宙

大设计  作者:史蒂芬·霍金


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根据中非波桑歌人的传说,太初只有黑暗、水和伟大的天神奔巴。一天,奔巴胃病发作,呕吐出太阳。一会儿,太阳灼干了一部分水,留下大地。可是奔巴仍然胃痛不止,又吐出来月亮和星辰,然后吐出一些动物:豹、鳄鱼、乌龟……最后是人。墨西哥和中美洲的玛雅人描述在创生之前的类似时期。那时存在的一切是海洋、天空和造物主。在玛雅传说中,造物主创造了土地、山岳、树林和大多数动物,但他不快活,因为没有赞美者。由于动物不能说话,他决定创造人类。他先用泥土做人,但他们只能胡说。他将他们溶掉,再试,这回用木头塑造出人来。但那些人很笨,他决定将其毁灭,但他们逃进树林,逃窜途中受到一些伤害后发生了些许的改变,创生了当今知道的猴子。那次惨败之后,最终造物主找到了一个方案,用白色玉米和黄色玉米造出人类。我们今天用玉米制造酒精,然而迄今还未达到造物主制造喝它的人的本领。

诸如此类的古代创生神话都试图回答我们在本书里想要解决的问题:为何存在一个宇宙?为何宇宙如此这般?自古希腊开始的多少世纪里,我们回答这类问题的能力逐渐增强,而在20世纪,这种能力极度发展。有前面的章节作背景准备,现在我们要对这些问题提供可能的答案。

有件事可说是自古以来就很明显的:要么宇宙是一个非常晚近的创生物,要么人类只在宇宙历史中存在了一小部分的时间。那是因为人们在知识和技术上如此迅速地改善,如果人类在周围存在了几百万年,那么人类要先进得多。

根据旧约,上帝在创生之后仅6天就创生了亚当和夏娃。1625~1656年间的全爱尔兰大主教厄谢尔主教甚至把世界起源更精确地设定于公元前4004年10月27日的早上9点。而我们采取不同观点:人类是近代创生的,然而宇宙本身的起始要早得多,大约在137亿年前。

宇宙具有开端的第一个真正的科学证据是1920年代出现的。正如我们在第三章中说过的,那时大多数科学家信仰一直那样存在的静态宇宙。与此矛盾的证据是间接的,那是基于埃德温·哈勃在加利福尼亚帕萨迪纳的威尔逊山利用100英寸望远镜进行的观测。哈勃分析了邻近的所有星系发射的光谱之后,确定几乎所有的星系都远离我们而去,而且它们离得越远,就运动得越快。1929年,他发表了一个将退行速度和它们离开我们距离相关的定律,并得出结论说宇宙正在膨胀。如果这是真的,那么宇宙在过去就应该较小。事实上,如果我们回溯到遥远的过去,宇宙中所有的物质和能量就应集中在具有不能想象的密度和温度的非常微小的区域,而且如果回溯到足够早,那么就存在一个一切起始的瞬间——我们现在称这个事件为大爆炸。

宇宙正在膨胀的观念有些微妙。例如,我们不是说宇宙以这种方式膨胀,比如,人们可以把墙打掉,在曾经长着大橡树的位置装修一个洗澡间。说得更准确些,是宇宙中的任何两点之间的距离在变大,而非空间在延续其自身。1930年代,这种观念在大量的争议中脱颖而出。而想象它的最好方法之一仍然是剑桥大学天文学家阿瑟·爱丁顿在1931年清楚地阐述的比喻。爱丁顿把宇宙想象成一个膨胀的气球的表面,而所有星系为那个表面上的点。这个图像清晰地阐释了为何远处的星系比近处的退行得较快。例如,如果气球的半径每小时加倍,那么在这气球上的任何两个星系之间的距离每小时会加倍。如果两个星系在某一时刻相距1英寸,1小时后它们就会相距2英寸,而它们显得以每小时1英寸的速率相互运动离开。但是如果它们开始是离开2英寸,1小时后它们就分开4英寸,而显得是以每小时2英寸的速度相互运动离开。这正是哈勃的发现:星系越远,它离开我们运动得越快。

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气球宇宙
远处星系离开我们后退,正如宇宙整体是在一个巨大的气球表面上。

空间的膨胀不影响诸如星系、恒星、苹果、原子或其他由于某种力束缚在一起的物体的尺度,意识到这一点很重要。例如,如果我们在气球上圈出一个星系团,在气球膨胀时,那个圆圈并不膨胀。毋宁说,因为星系受引力的束缚,当气球膨胀时圆圈和在其中的星系会保持尺度和外形。因为只有当我们测量的工具具有固定尺寸时,我们才能检查膨胀,所以这一点是重要的。如果万物都自由膨胀,那么我们,我们的标准,我们的实验室等就都会按比例膨胀,而我们就不会觉察到有任何不同了。

对于爱因斯坦,宇宙正在膨胀是一条新闻。然而基于爱因斯坦自己的方程产生的理论根据,早在哈勃论文问世几年之前,就已经有人提出了星系彼此离开运动的可能性。1922年,俄国物理学家兼数学家亚历山大·弗里德曼研究了基于两个可使数学极度简化的假定之上的一个宇宙模型:宇宙在任何方向都显得相同,以及从所有观察点看也是这样。我们知道弗里德曼第一假定不完全真实——还好宇宙并非处处一致!如果我们往上凝视一个方向,我们也许看到太阳;在另一方向是月亮,或者是一群迁徙的吸血鬼蝙蝠。然而,在甚至比星系距离大得多的尺度下看,宇宙在每一方向的确显得大致相同。这很像往下俯瞰森林。如果你处于足够近处,你能辨别出单片叶子,或至少树以及之间的空间。然而,如果你处于相当高的地方,把你拇指伸出就遮盖3平方英里的树,森林就显得是一片均匀的绿荫。我们会说,森林在那个尺度上是一致的。

基于自己的假定,弗里德曼能够发现爱因斯坦的一个解,在该解中,宇宙膨胀。以后不久,哈勃发现这种膨胀方式是千真万确的。特别是,弗里德曼的宇宙模型从零尺度起始,而且膨胀直至引力吸引使之缓慢,并最终使之向自身坍缩。(结果,爱因斯坦方程还有两种其他类型的解也满足弗里德曼模型的假设,其中一种对应于永远继续膨胀的宇宙,尽管它会缓慢下来一些,而另一种其膨胀率向零减缓,但永远不会到达零。)弗里德曼完成这个研究之后没几年即去世,直至哈勃发现之后,大家才知道弗里德曼的思想。然而,一位名为乔治·勒梅特的物理学教授和罗马天主教牧师在1927年提出类似的思想:如果你沿着宇宙历史回溯到过去,它会变得越来越小直到一个创生时刻——那就是今天我们称作大爆炸的时刻。

并非人人都喜欢大爆炸的图像。事实上,“大爆炸”这个术语是1949年剑桥天体物理学家弗雷德·霍伊尔创造的。他深信宇宙永远膨胀,就用这个术语戏称之。直至1965年支持这个观点的最早直接观测才出现,人们发现在整个太空存在着暗淡的微波背景。这个宇宙微波背景辐射或CMBR,和你的微波炉中的一样,只不过微弱得多。你把电视转到一个不用的频道就能看到CMBR——你在屏幕上看到的雪花,百分之几是由它引起的。这个辐射是两位贝尔实验室的科学家在努力消除从他们微波天线来的这种干扰时偶然发现的。他们起初以为这种干扰也许是由栖息在天线中的鸽子粪引起的,然而结果是他们的问题拥有更有趣的起源——CMBR是从大爆炸后很短的时间存在过的非常热非常致密的早期宇宙遗留下来的辐射。随着宇宙膨胀,它冷却下来,直至辐射变成仅仅是我们现在观察到的暗淡的残余。现在这些微波只能将你的食物加热到大约-270摄氏度——绝对温标3开,对于爆玉米花没多大用处。

天文学家还发现了支持一个炽热而微小的早期宇宙的大爆炸图像的其他特征标志。例如,在第1分钟左右,宇宙会比典型恒星的中心还热。在那个时期,整个宇宙就像一个核聚变反应堆那样行为。当宇宙足够膨胀并冷却,该反应就停止了。然而理论预言,这会遗留一个由氢为主要成分的宇宙,但还有大约23%的氦,以及微量的锂(所有更重的元素都是后来在恒星中形成的)。计算结果和我们观察到氦、氢和锂的含量非常一致。

氦丰度以及CMBR的测量为极早期宇宙的大爆炸图像提供了令人信服的有利证据,然而尽管人们可将大爆炸图像认为是早期的一个成功的描述,严格地接受大爆炸,也就是说,认为爱因斯坦理论提供了宇宙起源的真正图像却是错误的。那是因为广义相对论预言在时间中存在一点,那时宇宙温度、密度和曲率都是无限的,这是数学家称之为奇点的情形。对于物理学家而言,这表明在那一点上爱因斯坦理论崩溃了,因此不能用以预言宇宙为何起始,只能用以预言之后它如何演化。因而尽管我们可以使用广义相对论的方程和我们对天空的观测去认识极年轻时代的宇宙,但将大爆炸图像一直延伸至起始却是不正确的。

我们将会很快回到宇宙创生问题,但首先要讲一下有关膨胀的第一相,物理学家称之为暴胀。如果你没在津巴布韦住过——那里通货膨胀最近超过200万倍——这个术语也许听起来并不那么有爆炸性。然而,甚至根据保守的估计,在这个宇宙暴胀期间,宇宙在0.000.000.00000000000000000000000000001秒膨胀了1000000000000000000000000000000倍。它仿佛是直径1厘米的硬币忽然爆炸到银河系宽度的一千万倍。这似乎违反了相对论,它要求没有任何东西可比光运动得更快,但那个速度极限不能适用于空间本身的膨胀。

这种暴胀的事件也许发生过的思想首先是在1980年代提出的,那是基于超出爱因斯坦广义相对论,并注意到量子论方面的考虑。由于量子引力论尚不完备,其细节还在研究之中,因此物理学家尚未确切地肯定暴胀如何发生。然而根据理论,由暴胀引起的膨胀不会是完全均匀的,不像传统的大爆炸图像预言的那样。这些无规性在不同方向的CMBR的温度上会产生微小的变化。这种变化太小了,以至于在1960年代还未被观测到,然而1992年首次被NASA的COBE卫星、后来又被它的后继者——2001年发射的WMAP卫星测量到。因而,我们现在确信暴胀的确发生过。

具有讽刺意味的是,尽管CMBR中的微小变化作为暴胀的证据,CMBR的温度几乎完美的均匀性却是暴胀之为重要概念的一个原因。如果你使物体的一部分比它的周围更热,然后等待,这热点会冷却下来,而周围变得较暖,直到与物体的温度相一致。类似地,人们可以预料宇宙的温度最终会达到一致。但是这个过程花费时间,而如果暴胀没有发生过,假定这种热传输的速度受光速的限制,则在宇宙的历史中就不会有足够的时间让热在相隔很远的区域变得均匀。一个非常快速(比光速快得多)的膨胀时期可以纠正这个问题,因为在极短暂的前暴胀早期宇宙中就可有足够的时间使均匀化发生。

暴胀至少在一个意义上解释了大爆炸中的爆炸,这就是,暴胀所代表的膨胀比广义相对论所预言的传统大爆炸在暴胀发生的时间段里的膨胀远为极端。问题在于,为了我们的暴胀理论模型能有效运行,必须以一种非常特殊和高度不可思议的方式设定宇宙的初始态。这样,传统的暴胀理论解决了一族问题,却产生了另一个问题——需要一个非常特别的初始态,我们即将描述的宇宙创生理论将消除这个零时间的问题。

由于我们不能利用爱因斯坦的广义相对论来描述创生,如果我们要描述宇宙的起源,广义相对论就必须被一个更完备的理论取代。人们期望,即便广义相对论不崩溃,也需要更完备的理论,因为广义相对论没有考虑由量子论制约的小尺度物质结构。我们在第四章中提到,因为量子论适用于描述微观尺度的自然,在宇宙大尺度结构的研究中,对于多数实际的目的,量子论不大相干。然而,如果你在时间中回溯至足够远,宇宙就和普朗克尺度一样小,即十亿亿亿亿分之一厘米,这是必须考虑量子论的尺度。这样,虽然我们还未拥有一个完备的量子引力论,但我们的确知道,宇宙的起源是一个量子事件。因而,正如我们——至少临时地——把量子论和广义相对论相结合以导出暴胀理论,如果我们要回溯得更远并理解宇宙的起源,就必须将我们关于广义相对论的知识与量子论相结合。

为了要知道这如何进行,我们需要理解引力弯曲空间和时间这一原理。空间弯曲比时间弯曲较易想象,把宇宙想象为一张台球台的平坦表面。这台面是个平坦空间,至少在两维上是这样。如果你在台上滚球,它就沿直线运动。倘若台面有些地方被弯曲或者被弄成凹痕,如下图所示,那么球就会走弯路。

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空间弯曲
物质和能量弯曲空间,改变物体的路径。

因为在这个例子中台球台被弯曲到以外我们能看见的第三维中,所以很容易看出它是如何被弯曲的。由于我们不能离开我们自己的时空去观看它的弯曲,故较难想象我们宇宙中的时空弯曲。然而,即便我们不能离开并从更大空间的透视来看它,也仍然能够检测到曲率。从空间本身之中即能检测到它。想象一只小蚂蚁被限制在台面上。即便蚂蚁不能离开台面,只要仔细地把距离记录下来,它就能检测到弯曲。例如,在平坦的空间中,圆周长总是比从中穿越的直径距离的3倍多一些(其真正的倍数为π)。然而,如果蚂蚁取捷径穿过环绕左图台面中的井的圆周,它将发现越过的距离比预想的大一些,大于围绕它的距离的1/3。事实上,如果这口井足够深,蚂蚁会发现,绕过它比穿越它还近些。对于我们宇宙中的弯曲这也同样成立——它以一种可从宇宙内测量的方式,拉伸或压缩空间点之间的距离,改变其几何或者形状。时间的弯曲以类似的方式拉伸或压缩时间间隔。

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时空弯曲

物质和能量弯曲时间,而且使时间维度和空间维度“混合”。

掌握好这些观念之后,让我们再回到宇宙起始的问题。在牵涉低速和弱引力的情形下,像在这里的讨论中一样,我们不妨分别谈论空间和时间。然而,一般而言时间和空间能变成互相纠缠,因此它们的伸缩也牵涉一定程度的混合。这个混合在早期宇宙中是重要的,并且是理解时间开端的关键。

时间开端的问题有点类似世界边缘的问题。在人们认为世界是平坦时,也许会纳闷儿海水是否会从边缘泻出来。这已经被实验检测过:人们可以围绕着世界旅行,而并未掉下来。当人们意识到世界不是一块平板,而是一个曲面时,在世界边缘会发生何事的问题也就解决了。然而,时间似乎像一个模型铁轨。如果它具有开端,那就应该存在某者(即上帝)将火车开动。尽管爱因斯坦的广义相对论把时间和空间统一成时空,并涉及空间和时间的某种混合,时间仍然有异于空间,而且要么具有开端和终结,要么无限地延伸。然而,一旦我们将量子论效应加到相对论之上,在极端的情形下发生的弯曲可达到如此巨大的程度,以至于时间就像空间的又一维那样行为。

在早期宇宙——当宇宙小到足够让广义相对论和量子论一起制约之时——有效地存在四维空间而不存在时间。这意味着,当我们提及宇宙的“起始”,我们正位于微妙问题之边缘,即当我们向极早期宇宙回溯时,我们所知的时间并不存在!我们必须接受,我们通常的空间和时间观念不适用于极早期宇宙。这超出我们的经验,却未超出我们的想象或数学。如果在早期宇宙中所有四维都如空间那样行为,对于时间的起始会发生什么呢?

意识到时间可像空间的又一方向那样行为意味着,以类似我们摆脱世界边缘的方式,人们也可以摆脱时间有个起始的问题。假设宇宙的起始像地球的南极,纬度取时间的角色。随着人们往北运动,代表宇宙尺度的等纬圈将膨胀。宇宙在南极作为一点起始,但是南极和任何其他点都非常像。询问在宇宙起始之前发生什么成为无意义的问题,因为在南极之南不存在任何东西。在这个图像中,时空没有边界——同样的自然定律在南极如在他处一样成立。类似地,当人们将广义相对论和量子论相结合时,关于在宇宙开端之前发生什么的问题就变得无意义了。历史必须是无边界的闭合面的思想被称为无边界条件。

多少世纪来,包括亚里士多德在内的许多人,都相信宇宙必定一直存在,以此避免它如何开始的问题。其他人相信宇宙有一开端,并以此作为上帝存在的一个论证。意识到时间像空间那样行为呈现了一个新的选择。它不仅排除了对宇宙具有开端的长期的异议,而且意味着宇宙的起始由科学定律来制约,而不必由某位神来启动。

如果宇宙的起源是一个量子事件,那么费恩曼的历史求和就应能准确地描述它。然而,将量子论应用到整个宇宙——在这里观察者是被观察的系统的一部分——是难处理的。在第四章中我们看到,射到一个具有两道缝隙的屏幕的物质粒子如何像水波那样显示干涉条纹。费恩曼指出,这是由于粒子不具有唯一的历史引起的。也就是说,当它从始点A运动到某个终点B时,它不采取一个确定的路径,而是同时采取连接这两点的所有可能的路径。从这个观点看,干涉并不奇怪,因为,例如粒子或可同时穿过两道缝隙而和它本身干涉。将费恩曼的方法应用于粒子运动,该方法告诉我们,为了计算任何特别终点的概率,我们必须考虑粒子从它起点到那个终点可能遵循的所有可能历史。人们也能用费恩曼方法来计算观测宇宙的量子概率。如果它们被应用于宇宙整体,不存在点A,这样我们就将所有满足无边界条件和结束于我们今天观测的宇宙的所有历史叠加起来。

这个观点认为,宇宙自发出现,以所有可能的方式开始。其中的大多数对应于其他宇宙。那些宇宙中,有一些类似于我们的,大多数则非常不同。它们不仅是细节不同,诸如猫王是否英年早逝或者芜菁是否为一种餐后的甜点,相反,它们甚至在自然的表观定律上迥然不同。事实上,存在拥有许多不同族物理定律的宇宙。许多人将这个观念故弄玄虚,有时称作多宇宙概念,但这种种说法,只不过是费恩曼历史求和的不同表达。

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多宇宙
量子涨落导致微小宇宙从无中创生出来。其中的一些达到临界尺度,然后以暴胀的方式膨胀,形成星系、恒星以及至少在一种情形下形成像我们这样的生命。

为了摹想这个,让我们改动一下爱丁顿的气球比喻,而把膨胀的宇宙认为是泡的表面。那么,我们的宇宙自发量子创生的图像,有点像在沸水中蒸汽泡的形成。许多微小气泡生生灭灭。这些代表着膨胀但在其仍然处于微观尺度时坍缩的微宇宙。它们代表着可能的另外的宇宙,但由于它们未能维持足够久使得星系和恒星,更不用说智慧生命得以发展,所以不太有趣。然而其中一些小泡泡会长得足够大,使得它们避免坍缩。它们将以不断增加的速度继续膨胀,而形成我们能看到的蒸汽泡。这些对应于开始以不断增加的速度膨胀的宇宙——换言之,即是处于暴胀状态的宇宙。

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微波背景
这张天图是由2010年准许发表的WMAP7年的资料制作的。它揭示了回溯到137亿年前的温度涨落——用不同颜色显示。画出的涨落对应于比千分之一摄氏度还要小的温度差别。然而,它们是长大形成星系的籽。此图承NASA/WMAP科学团队提供。

正如我们说过的,由暴胀引起的膨胀不会完全均匀。在历史求和中,只存在一个完全均匀和规则的历史,而它具有最大的概率,但是其他许多稍微不规则的历史将具有几乎同样大的概率。这便是为何暴胀预言,早期宇宙可能稍许不均匀,这对应于在CMBR中被观测到的微小温度变化。早期宇宙的无规性是我们的福气。此话怎讲?如果你不想从牛奶分离出乳酪,均匀性自然是好的,但一个均匀宇宙令人厌烦。因为在早期宇宙中,如果某些区域具有比它处稍高的密度,那和它周围相比,额外密度的引力吸引会减缓那个区域的膨胀,所以无规性很重要。随着引力缓慢地将物质拉近,它最终能使它坍缩形成星系和恒星,后者能导致行星,而且至少在一种场合导致人的产生。所以,要仔细看这张天空微波图,它可是宇宙中一切结构的蓝图。我们则是极早期宇宙量子涨落的产物。于是,信教的人可以说,上帝的确掷骰子。

这个观念导致一种和传统概念根本不同的宇宙观,要求我们调整思索宇宙历史的方式。为了在宇宙学中作预言,我们需要计算在此刻整个宇宙的不同状态的概率。在物理学中,人们通常对一个系统假定某一初始态,利用有关的数学方程向时间的前方演化。给定一个时刻一个系统的态。人们试图计算在以后一个时刻该系统处于某一不同的态的概率。宇宙学中通常假定宇宙有一单个确定的历史。人们可以利用物理学定律去计算这个历史如何随时间发展。我们将此称作宇宙学的“从底往上”方法。然而,由于我们必须考虑如费恩曼历史求和所表述的宇宙量子性质,宇宙现在处于一个特别的态的概率幅度,乃是由把所有满足无边界条件而结束于该状态的历史所作的贡献叠加在一起而得出。换言之,在宇宙学中人们不应该从底往上遵循宇宙的历史,因为那假定了存在一单个历史,具有明确定义的起点和演化。相反地,人们要从顶往下地跟随历史,从现时刻往回溯。某些历史比其他的历史可能性更大,而求和通常被一单个历史所支配,这个历史开始于宇宙的创生而完成于正被考虑的态。然而,对于宇宙在此刻当下不同的可能的态,乃存在不同的历史。这就导致宇宙以及因果之间关系的根本不同的观点。对费恩曼求和有贡献的历史并没有独立的存在,而依赖于什么正在被测量。我们用自己的观测来创造历史,而非历史创生我们。

宇宙不具有一个唯一的独立于观察者的历史这一思想,似乎和我们知道的某些事实相矛盾。也许存在一个历史,其中的月亮是羊乳酪做的。但是我们观察到的月亮不是乳酪做的,这对于耗子是个坏消息。因此,有些历史,比如说,其中的月亮是乳酪做的那号历史,对我们宇宙的现态没有贡献,尽管那样的历史也许对其他宇宙有贡献。这听起来像是科幻小说,但它不是。

从顶往下方法的一个重要含义是,自然表观定律依赖于宇宙历史。许多科学家相信存在单个理论,能解释那些定律和自然的物理常数,诸如电子质量或者时空的维数。但是从顶往下宇宙学要求,自然表观定律因不同历史而不同。

想一想宇宙的表观维度。根据M理论,时空具有十个空间维度和一个时间维度。意思是空间的七个维度蜷缩到我们觉察不到的那么小,给我们留下错觉以为所有存在的只是余下的三个我们熟悉的大的维度。M理论未能解决的核心问题之一是:在我们宇宙中为何不能有多于三个大的维度,以及为何不能有任何数目的维度蜷缩起来?

许多人愿意相信,存在某种机制使空间维度除了三个以外都自发蜷缩。另外有可能是,或许所有的维度都从微小起始,但是因某种可理解的原因,三个空间维度膨胀了,而其余的没有膨胀。然而,似乎没有动力学原因让宇宙显得是四维的。相反地,从顶往下的宇宙学预言,大的空间维度的数目并非由任何物理原理所确定。对于从零到十的大空间维度的数目,都有一个量子概率幅度。对于宇宙的每一种可能历史,费恩曼求和允许所有这一切;然而,观察到我们宇宙具有三个大的空间维度,就选取出一些历史的亚类,它们具有正被观测的性质。换言之,宇宙具有多于或少于三个大空间维度的量子概率是没有关系的,因为已经确定我们是处于一个具有三维大空间维度的宇宙中。这样,只要对于三个大空间维度的概率幅度不是确切为零,它与其他数目维度的概率幅度相比较,不管多么小都没关系。这就像问现任教皇是中国人的概率幅度。我们知道他是位德国人,即使他是中国人的概率更高,因为中国人比德国人多。类似地,我们知道我们的宇宙展现三个大的空间维度,因此,即使其他数目的大空间维度也许具有更大的概率幅度,我们也只对具有三维的历史感兴趣。

蜷缩的维度又是怎么回事呢?回忆一下,在M理论中,余下的蜷缩维度,内空间的精确形状既确定诸如电子电荷的物理量的值,又确定基本粒子之间的相互作用,也就是自然力的性质。如果M理论只允许蜷缩的维度取一种形状,或者允许一些,但是其中除了一种都被某种手段排除掉,只给我们留下自然的表观定律的一种可能性,那么事情的结果就很漂亮。然而不然。也许多达10500种不同的内空间都拥有一些概率幅度,每种内空间都导出不同的定律和不同的物理常数值。

如果人们从底往上建立宇宙的历史,就没有理由让宇宙应终止于对应于我们实际观测到的粒子相互作用,即(基本粒子相互作用)标准模型的内空间。但在从顶往下方法中,我们接受具有所有可能内空间的宇宙存在。在一些宇宙中,电子具有高尔夫球的质量,且引力比磁力更强。标准模型及其所有参数适用于我们的宇宙。人们可以计算在无边界条件下导致标准模型的内空间的概率幅度。如同存在具有三个大空间维度的宇宙的概率一样,这个概率相对于其他可能性的幅度是多小都没有关系,因为我们已经观察到标准模型描述我们的宇宙。

我们在这一章中描述的理论是可检验的。在较早的例子中,我们强调了,对于极端不同的宇宙,诸如那些具有不同数目的大空间维度的宇宙,其相对概率幅度并不重要。重要的是相邻(即相似)宇宙的相对概率幅度。无边界条件意味着,完全光滑地启始宇宙的历史拥有最高的概率幅度。对于更无规的宇宙其幅度被减小。这表明早期宇宙曾经是几乎光滑的,但具有小无规性。正如我们提到过的,我们能在从天空的不同方向来的微波的微小变化中观测到这些无规性。人们已经发现它们和暴胀理论一般要求完全相符;然而,需要更精密的测量才能把从顶往下理论和其他理论辨别开来,并且要么支持,要么拒绝。这些很可能在将来用卫星来实施。

几百年前,人们认为地球是唯一的,并位于宇宙中心。今天我们知道,在我们星系中存在几千亿颗恒星,其中很大的百分比拥有行星系统,以及存在几千亿个星系。本章描述的结果指出,我们的宇宙本身也是许多宇宙中的一个,而且其表观定律不是唯一确定的。那些希望终极理论即万物理论能预言日常物理性质的人,对此一定非常扫兴。我们不能预言诸如大空间的维数,或者预言确定我们所观察的物理量(例如,电子和其他基本粒子的质量和荷)的内空间。毋宁说,我们使用那些数目去选择哪种历史对费恩曼求和有所贡献。

我们似乎正处于科学史的临界点,此刻必须变更我们有关目标以及使物理理论可被接受的条件的观念。看来,自然表观定律共有多少,乃至取何形式,都不是逻辑或物理原则所必然要求的。参数可自由采取许多值,而定律也可采取任何导致一个自洽的数学理论的形式,而且在不同的宇宙中,它们的确采取不同的值和不同的形式。那可能不满足我们人类的欲求——希望我们自己是特殊的,或者想发现容纳所有物理定律的优雅集合。但那也许正是自然的方式。

似乎存在可能宇宙的巨大全景。然而,正如我们将在下一章中看到的,像我们这样的生命在其中能存在的宇宙是很稀罕的。我们生活在其中生命是可能的一个宇宙中,然而假若宇宙稍为不同,像我们这样的生命便不存在。从这种微调我们可得出什么结论呢?这证明宇宙归根到底是由一位仁慈的造物者设计的吗?或者,科学会提供另外的解释?

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