宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第33章

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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，第一轮暴胀已经平息下来，又恢复了往日的减速膨胀。每个角落的形状、密度、温度和膨胀方式都各不相同。对于其中一些角落来说，暴胀的持续时间太短了，无法让宇宙的膨胀速度达到临界值；而对另一些角落来说，量子涨落被放大后产生了各式各样的不规则性，有的比我们所在之处的不规则性强得多，有的则弱得多。而且每个角落也都拥有各自的物理定律。
　　　　我们应该如何应对如此众多的可能性？可能存在的宇宙数目无穷无尽，用再强大的计算机也无法进行系统的研究。通过求解简单的方程，甚至是复杂的方程，我们都无法预言其中任何一轮暴胀的持续时间或真空能的大小：这些事都是随机的。
　　　　在不同的人看来，随机性的含义有所不同。有的人认为随机性就是缺乏秩序、杂乱无章。有的人认为随机性指的是不确定性，使人无法精确地确定某事。还有一些人认为，随机性意味着结局的变幻莫测，完全无法预测。在早期宇宙中，所有随机事件都源自于量子的不确定性，我们只能预测这种事件发生的概率。物质和能量的本质是量子的，有一种与生俱来的不确定性，这就是随机性的根源。收集的信息再多再详细也不能消除这种随机性。这种随机性就像我们描述世界时说的空间、时间和运动一样，是一种内在属性。两个完全相同的起因并不能得出一样的量子结果。
　　　　甚早期宇宙中发生的随机事件波及了遥远的未来。密度的微小涨落最终形成了巨大的星系团，而它们都起源于宇宙暴胀时产生的量子不确定性和量子随机性。
　　　　这种量子的粗粒性意味着，如果我们想预测永恒暴胀宇宙中的事件进程，就必须学会概率论的语言。理想的情况下，如果你大体选定了一种宇宙（跟我们的可见宇宙非常类似），我们就很想知道，永恒暴胀宇宙在自我繁殖时，会有多大概率产生这样一种空间。可惜，到目前为止，宇宙学家仍然不知道如何回答这么难的问题，仍然不知道如何才能搞清楚其中所谓的“概率”或“可能性”的含义。＇1＇然而，这个问题还没有难到不可收拾的地步，人们提出了几种不同的解决方案，并分别进行了深入的研究。到目前为止，每一种方案都有不足之处。也许，我们离问题的解决只有一步之遥。＇2＇
　　　　概率性的宇宙
　　　　我一直在寻找用以表达现实的抽象方式以及会给自身启迪的抽象理念。
　　　　——埃里克·坎通纳（Eric　Cantona，法国著名足球运动员）
　　　　在谈论可见的宇宙时，我们所提到的“不可能的”和“可能的”分别表示什么意思呢？假设我们已经得出了宇宙拥有某种属性的概率（例如其中存在原子或恒星的概率），形如图10。1所示。我们所画出的这张图很有代表性，描述了某个自然常数的概率分布。其中有一个峰，表示最可能出现的结果，从这个结果出发朝两边走，概率就会越来越小。这张图可能是多重宇宙理论的一个预言，于是我们想知道如何使用这张图来检验理论的正确性。我们的可见宇宙所拥有的性质在这张图中出现的概率是否为最大？更重要的是，如果我们的可见宇宙所拥有的性质在这张图中是极不可能出现的，那么我们是否该认为多重宇宙理论错了呢？
　　　　图10。1　宇宙中的自然常数可能拥有许多不同的取值，每种取值出现的概率各不相同。最可能出现的取值超出了允许生命存在的取值范围，因此我们观察不到这样的最可能出现的宇宙
　　　　对于以上问题，如果你回答“是”，那你就错了。为了明白其中的道理，我们需要了解一些多重宇宙理论中的“生命”知识。也许，任何形式生命都可以被狭隘地定义为“原子间的复杂行为”。要想使生命的出现成为可能，宇宙中的自然常数就必须落在特定的取值范围内。如果永恒暴胀最可能产生的结果处于这个范围之外，因而这种最可能的宇宙中不允许生命的存在（也许是因为该宇宙的温度从未降低到一百万度以下），那么我们就不该为自己连最可能出现的宇宙都没有见到而感到惊讶。此外，假如允许生命存在的自然常数的取值范围非常狭小，那么非