多元宇宙真的存在吗？

原创 马丁·里斯 湛庐文化

《多元宇宙真的存在吗？》

本文作者：马丁·里斯

英国皇家学会会员，剑桥大学达尔文学院院士

国王学院名誉院士

01.

有些人可能倾向于将多元宇宙假说斥之为“形而上学”。从物理学家的观点来看，这完全是一种贬斥。我认为，多元宇宙确实属于科学的范畴，尽管它只是一个暂时的假说。

这是因为，我们已经能够规划出必须解决哪些问题，以便使它具有更可靠的基础。更重要的是，因为任何好的科学理论都很容易遭到驳斥，我们可以提前设想出一些可能会排斥这个假说的趋势。

当然，最主要的障碍是，我们对“大爆炸”后最初时刻的极端物理过程仍然不甚了解。我们有充分的理由将暴胀当作膨胀宇宙的一种可信解释。这个理论最确定和最普遍的一个预测是，宇宙应该是“扁平的”。

这一预测似乎已经得到了最新数据的证明，尽管这些数据的形式不是最简单的。决定“扁平性”的因素有三个——原子、暗物质和真空能量λ。

宇宙膨胀的实际细节取决于最初10-35秒时起主导作用的物理定律，此时的条件非常极端，远远超出了我们可以直接测量的范围。不过，有两种方法可以确定这些极端条件究竟如何。

首先，极早期宇宙可能在当前的宇宙中留下了明显的“化石”。例如，暴胀过程中出现的微观尺度上的波动为星系团和超星系团的形成播下了“种子”，天文学家现在就可以对它们的具体性质展开研究，掌握有关线索，以探索“播下”这些种子时起主导作用的奇异的物理过程。

其次，一个统一的理论或许可以为我们理解微观世界那些还不确定的神秘之处提供新视角，例如，各种类型的亚原子粒子（夸克、胶子等）及其行为方式等，以赢得信赖。这样，我们就有信心将这一理论应用于暴胀时期。

上述两个方向的进展可能会带来一种对极早期宇宙物理学现象的可靠描述。这样，计算机就可以模拟宇宙是如何从微观尺度中形成的。

02.

安德烈·林德和其他一些研究者已经模拟了一些“多元宇宙”，但在写这本书的时候，他们输入的理论非常随意，许多推测性的选项似乎是开放性的，我们没有办法判别和做出选择。

关于“永恒膨胀”的研究引出了一系列假说，与我们所知道的其他一切相一致；同时，还引出了多元宇宙假说，这些宇宙各自从单独的“大爆炸”中诞生，并最终演变成彼此分离的时空区域。这些宇宙永远不会被直接观测到，即使从原则上来讲也是如此，我们甚至无法确定，它们究竟存在于宇宙之前、之后，还是同时。

然而，如果输入的理论能够预测出多元宇宙，并能为我们观测到的现象提供令人信服的解释，并得到“实战检验”，那么我们就应该相信其他（不可观测的）宇宙的存在，就如同相信目前的理论所预测的：原子内部的夸克或黑洞内部存在卷缩区域。

如果确实存在多元宇宙，那么接下来的问题便是：它们究竟有多少种不同的类型？这个答案依然取决于比我们目前所了解的更深、更统一的物理定律的特性。

也许某种“最终理论”会为宇宙的六个数提供独特的表达公式。如果是这样，即使存在许多宇宙，它们本质上只是当前宇宙的复制品，与单一宇宙作为全部现实世界的情况没有什么区别，而那种明显的调谐将仍然是一个谜。

我们仍然感到困惑的是，为什么在“大爆炸”的极端条件下会确定这样一组数字，其取值恰好位于这样一个狭窄的范围内，为100亿年后的宇宙带来如此有趣的结果。

03.

不过，还有另外一种可能性。适用于整个多元宇宙的基本定律可能很宽松。每个宇宙都可能以各自独特的方式演化，决定其特征的是一组不同于塑造当前宇宙的关键数字。

我们习惯于将地球上的偶然事件都解释为“历史的偶然”，比如，为什么会有一座特定的山，甚至对太空中的一些特征也作如是观，比如星云和星系的形状。尽管我们不怀疑它们是某些基本规律的结果，但无法更深入地解释这些事件。

在很大程度上，力的强度和基本粒子的质量（包括Ω、Q和λ）可以成为支配整个多元宇宙的最终理论（可能是超弦理论的一个版本）的次要结果。

我们可以用“相变”做一个类比，诸如我们熟悉的水变成冰的现象等。当某一特定宇宙的暴胀阶段结束时，空间本身（真空）经历了剧烈的变化。

随着温度的下降，基本力（引力、核力和电磁力）都“冻结成型”，并以一种可以被认为“偶然”的方式决定了数字N和ε的值，就像水结成冰时出现的结晶形状一样。

当宇宙处于微观尺度时，由量子涨落决定的数字Q的取值也可能取决于这些相变是如何发生的。

有些宇宙可能表现出不同的维度，这取决于最初的九维空间收缩或者延展了多少。即使在三维空间中，也可能存在不同的微观物理现象，可能存在不同的λ值，这取决于六维空间的类型，而其他维度都蜷缩其中。

有些宇宙可能有不同的Ω值（Ω决定了这些宇宙的密度，以及它们的“周期”会持续多久，如果它们重新崩溃的话）和Q值（它决定了宇宙的平滑程度，因此决定了宇宙中会出现什么样的结构）。

在某些宇宙中，引力也许完全被“真空能量”（λ）的斥力压倒，以至于无法形成星系或恒星。或者核力可能会超出ε接近0.007(24)的范围，最终碳和氧无法在恒星中合成并保持稳定，这样就没有元素周期表中的元素，也没有化学物质。

有些宇宙的寿命可能非常短暂，在它们的整个生命中，其密度非常大，以至于各处温度都相同的情况下，所有的一切都处于接近平衡的状态。

还有一些宇宙可能太小、太简单，根本容不下任何复杂的结构。

宇宙中的巨大数字N后面有36个零，其大小反映了引力的强弱程度：在引力作用变得重要之前，大量的粒子必须聚集在一起，例如，在恒星中就是如此（恒星可以被看成是受引力束缚的聚变反应堆）。

数字N取超大值的一个直接结果是：恒星的寿命变得非常长，这使光合作用和演化过程有足够的时间在某颗合适的行星上展开。

我们设想过一种宇宙，其中N的取值没有1036那么大，其他一切（包括其他5个数）都保持不变。恒星和行星仍然可以存在，但它们会变得更小，演化得更快。它们没有足够的演化时间，引力会粉碎任何大到足以进化成复杂有机体的物体。

任何“有趣”的宇宙都必须包含至少一个非常大的数字，因为在一个被压缩到几乎不包含粒子的宇宙中，不可能出现太多事物。每一个复杂的物体都必须包含大量的原子。若想以精细的方式进化，它还必须持续很长一段时间，这个时间要比单个原子事件所要的时间长很多倍。

不过，大量的粒子和较长的时间本身还不够。即使在一个大、长寿且稳定的宇宙中，我们可以控制的只是暗物质那样的惰性粒子，这要么是因为物理过程预先排除了普通原子的存在，要么是因为普通原子全部被数量刚好相同的反原子湮灭了。

原标题：《多元宇宙真的存在吗？》

阅读原文