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平庸的宇宙

亚历山大·维伦金说,我们的整个宇宙只是众多宇宙之一,而平庸是普遍的法则。

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塔夫茨大学对其反重力岩石的态度有点矛盾,这不难理解。好处是,就岩石而言,它不算难看;它有一个引人注目的名字,并刻有漂亮的铭文;它还附带了一笔不多的研究资助。不幸的是,它不会浮起来,其牌匾上的铭文假设反重力与安全的飞机飞行之间存在不太可能的关系,而且这笔钱只能用于反重力研究。

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亚历山大·维伦金是塔夫茨大学的一位教员,他认为优点大于缺点。事实上,他几乎总是邀请访客漫步校园去看看这块巨石。许多人接受了,因为另一个选择是待在维伦金那间简朴、略显俗气的办公室里,坐在他那把摇摇晃晃的“亚稳态椅子”上,那把椅子很有可能让你亲身体验重力。

维伦金似乎很享受这些与重力相关的“景点”给他的生活带来的那种讽刺的超现实主义氛围。他为什么不放松一下呢?在他的宇宙学工作中,笑声并不容易获得。例如,维伦金是关于我们的宇宙如何从无中跃然而生的广为接受的解释的作者。(反重力碰巧在这个解释中扮演了一个客串角色,为使用这笔资助提供了一个漏洞。)最近,他提出了一个解决方案,解决了长期以来存在的“为什么我们的宇宙没有消散成冰冷的尘埃或坍缩成一个奇热的微粒”的问题。根据目前对物理学的理解,这些事件中的一个应该早就发生了。

后期的这项工作基于一个合理但看似简单的命题:在这个或任何其他宇宙中可能存在的所有文明中,我们的文明——也就是我们星球上的文明——可能并非非凡。维伦金的成就是从这个一般性陈述中推导出我们应该期望在自然界中观察到的一些物理特性的具体预测。物理学家们早就理解这些特性是什么以及它们如何影响宇宙,但他们一直对为什么自然界会选择这些特定的特性而感到困惑。根据维伦金的说法,答案一直摆在我们面前:这一切都与我们文明的平庸性有关。

平庸似乎是一个不起眼的支点,可以支撑宇宙的所有奥秘,但这很适合维伦金。他不喜欢许多宇宙学同仁所特有的那种夸夸其谈。这位46岁的物理学家说话轻声细语,甚至有些腼腆。他带有柔和的俄语口音,身材瘦小,面部特征柔和,散发出诗人般的优雅。

然后是塔夫茨大学。它位于马萨诸塞州梅德福的中产阶级常态之中,几乎是在字面上,也在很大程度上是象征性地,处于麻省理工学院和哈佛大学这两个高等教育巨头的阴影之下,这两个巨头距离仅15分钟车程,坐落在雅致的剑桥。被这两个学术巨头的光芒蒙蔽,有些人将塔夫茨大学误认为是一所平庸的机构。

毋庸置疑,麻省理工学院和哈佛大学对宇宙的起源有自己的看法,分别由艾伦·古斯和西德尼·科尔曼代表。古斯在1980年提出宇宙在大爆炸之后不仅仅是膨胀,而且是暴胀,其边界以超光速向外扩展,在短短瞬间创造了其广阔的范围,这在当时轰动了整个领域。尽管这个想法当时看起来很激进,但现在它已成为宇宙学家解释我们今天观察到的大部分宇宙特征的最受欢迎的选择。与此同时,几年前在哈佛,粒子物理学家西德尼·科尔曼涉足宇宙学足够长的时间,以他的虫洞理论——通往其他宇宙的亚微观隧道——震动了所有人,该理论设定了我们自己宇宙的物理学。维伦金的工作建立在古斯的思想之上,并为科尔曼的理论提供了一个替代方案。

维伦金对宇宙学的痴迷可以追溯到他在乌克兰的高中时代,那时他把精力分给了卡尔·马克思和阿尔伯特·爱因斯坦的著作。他说,尽管他在哈尔科夫大学学习时,他对马克思的兴趣在更严峻的现实中消退了,但“爱因斯坦的作品在我看来很美。”不幸的是,大学里很少有教授能满足维伦金对宇宙学的好奇心;当他被苏联研究生院拒绝时,他的沮丧感变得更加强烈。他将这种冷遇部分归因于反犹太主义。“拥有良好的人脉可以帮助你避免因为是犹太人而受阻,”他解释说,“但我父亲是一位教授,不是一个很实际的人,他从不建立这些联系。”

维伦金无法找到物理学方面的工作,便在一家动物园担任夜班看守,并开始独自研究宇宙学。1976年获准移民后,他看到了纽约州立大学布法罗分校物理系研究生项目的广告。他在布法罗比在乌克兰更容易被接受,并仅用一年时间就完成了博士项目。最终,他在塔夫茨大学找到了一份凝聚态物理学的工作。一段时间后,当他悄然重新开始研究宇宙学时,没有人抱怨。

维伦金迅速崭露头角,这很有帮助。1982年,他提出了一种解释,说明即使根据理论,物质在宇宙中分布得过于均匀以致无法聚集,星系是如何形成的。他表示,答案在于被称为“宇宙弦”的巨大能量集中,它们蜿蜒穿梭于宇宙中,以其引力将物质聚集在一起。这项工作甚至给宇宙学大师史蒂芬·霍金留下了深刻印象,霍金邀请维伦金参加剑桥大学的一次精英宇宙学家聚会。一年后,维伦金又提出了一个理论来巩固他日益增长的声誉。当时,几乎所有大爆炸理论的变体都始于大爆炸本身。然而,维伦金追溯得更远。如果大爆炸从一个微小的点创造了所有物质、能量、时间和空间,那么这个点是从何而来的呢?它是如何突然出现的?这些不是宇宙学家认为可以回答的问题。物理学没有提供工具来剖析创造本身的本质,而只提供了它的结果。

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真的吗?维伦金指出,圣奥古斯丁的同事曾警告他,上帝为那些询问创世前事物的人预备了地狱,但圣奥古斯丁拒绝相信上帝会惩罚对最终奇迹的好奇心。维伦金也决定投入其中。他首先思考一个奇特的对称性:物理学家用大致相同的理论来描述大爆炸和描述最微小的亚原子粒子。这个理论就是量子力学,它赋予粒子一种模糊的、波状的性质,使它们能够在空间和时间中“涂抹”开来。如果没有这种“涂抹”,大爆炸那一刻发生的事情将是不可想象的。经典物理学,包括爱因斯坦的相对论,不允许将整个宇宙的物质或能量压缩成一个点状的微粒,因为引力将变得无限大,而经典物理学的方程在面对无限时会失效。但是,如果量子力学地将这些物质“涂抹”开来,引力就不再是无限的了。它只是大得难以想象。

维伦金推断,既然宇宙学家已经在使用量子力学的一些工具,为什么不借用它的另一个技巧呢?根据量子力学,外太空最空旷的虚空从来都不是完全空的。它充满了微小的物质粒子,这些粒子不断地凭空出现,然后,稍后又消失。这些被称为虚粒子,它们的存在是量子力学的一个怪癖。该理论的方程允许将空旷空间描述为一个平均值为零的能量场。然而,平均值为零意味着在任何特定位置,空旷空间的能量水平都会波动——它可能在某一时刻的某一特定位置呈现正值,而在下一刻的另一个地方呈现负值。偶尔,这些随机波动中的一个会足够大,以至于一个粒子会突然出现,然后片刻之后又自行熄灭。这些虚粒子在整个宇宙中不断地出现和消失,它们的真实性被物理学家广泛接受。

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如果一个粒子能凭空出现,为什么一个完整的宇宙不能呢?维伦金思忖。如果空间可以被认为是一个平均值为零的能量场,为什么不把创世前的“无”看作是一种平均值为零的时空场呢?这样一来,不是一个虚粒子凭空出现,而是一个完整的宇宙,连同物质、能量、空间、时间和一切,都从“无”中凭空出现。一旦他开始以这种方式思考宇宙,他就提出了不只一个宇宙,而是许多宇宙的可能性。原宇宙可能一直在不断地凭空出现。当然,这些宇宙中的大多数会像虚粒子一样瞬间自行熄灭。它们将只是波动,是“无”中的随机打嗝。然而,最终,其中一个打嗝会拥有足够的能量来避免瞬间湮灭。它会瞬间膨胀。一个宇宙就会这样在大爆炸中诞生。

尽管有些怀疑——“过了一段时间,这对我来说似乎是一个非常疯狂的想法,”维伦金说——他还是坚持了下来。他运用公认的量子力学数学,对宇宙诞生的瞬间进行了合理严谨的描述。他所描述的“前宇宙虚无”是 imaginable 的最纯粹的虚无形式。由于物质和能量创造了时间和空间,维伦金的虚无两者皆无。大爆炸没有倒计时,因为时间尚不存在。他一举将创造从一个形而上学的事件还原为一个物理事件。曾经看似不可知的事物,突然简化为一组方程。

几年前还守护斑马睡眠的人,现在接到了无数邀请,要去向宇宙学的专家们发表演讲。在他哈佛的一次演讲之后,古斯和科尔曼热情地与他讨论了他的理论。但这些谈话并没有让维伦金感到满意。一个问题不断出现,就像他鞋子里一块恼人的虚拟石子。他什么时候才能提出一个可检验的预测?这是一个有效的问题,也是维伦金经常自问的问题。毕竟,可检验性是物理学与纯粹哲学之间的区别。任何人都可以编造一个关于日食原因的似是而非的故事。但预测日食——那才是科学。

考虑到这一不足,维伦金将注意力转向了宇宙学中最热门的问题:暴胀理论。古斯提出了这一理论,它解释了宇宙在大爆炸后是如何膨胀的,以解决一些令人困惑的观测结果——尤其重要的是,宇宙似乎非常平坦。

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爱因斯坦表明物质和能量决定空间的形状;其中一个结果就是我们所感知的引力现象——正如放置在床上的保龄球会在床垫上形成一个小凹陷一样,一个大质量物体(或高能量水平)会以某种方式扭曲时空,形成一个其他物体自然坠入的“山谷”。如果我们的宇宙是由大量的物质和能量创造的,那么结果应该是空间向内发生巨大的扭曲;最终宇宙的膨胀将逆转,它将坍缩成一次“大挤压”。另一方面,如果宇宙开始时只有少量物质和能量,那么它将向相反方向扭曲并永远膨胀下去。

科学家们费尽心力测量这种扭曲的程度,将他们对类星体等遥远天体的观测结果与他们预期它们所在的位置进行比较。据他们所知,宇宙没有扭曲——它是完全平坦的。当你考虑到宇宙的膨胀会夸大大爆炸后立即存在的任何扭曲时,这种当前的平坦性就更加令人惊讶了。宇宙似乎在“大挤压”和永恒膨胀之间取得了完美的平衡。但是,科学家们问道,为什么我们的宇宙会恰好达到这种奇迹般的平衡呢?没有人能想出任何理由。

古斯提出了他的暴胀理论,以消除对奇迹的需求。在他的设想中,宇宙在大爆炸时是如此奇异,以至于引力实际上是排斥的。这种反引力导致空间以超光速膨胀。(爱因斯坦的理论可能不允许物质或能量以超光速穿越空间,但它们对空间本身没有这样的限制。)在不到十亿分之一秒的时间内,一个比原子小得多的新生宇宙膨胀成一个广阔的宇宙,远远超出了我们的观测范围。即使这样的宇宙像气球长颈鹿一样弯曲,它也会是如此广阔得难以想象,以至于最好的望远镜也无法看得足够远,以检测到任何曲率。它巨大的尺寸会向我们隐藏它的曲率,就像地球的曲率从地面上是看不见的。如果我们的宇宙确实以这种方式膨胀,它就会看起来是平坦的,而实际上并非平坦——物理学家就再也不必编造理由来解释其表观平坦性了。

然而,古斯的暴胀理论在解释宇宙常数这一宇宙学理论中最令人头疼的方面之一时,却显得不那么有用。粗略地说,宇宙常数是衡量空旷空间中能量多少的量度,它以每单位体积能量表示。请记住,量子力学数学的奇特性允许将空间描述为平均值为零的能量场——但它们并不要求该平均值必须为零。事实上,除了物理学家的审美偏好之外,没有任何已知原因表明它应该为零。在浩瀚的宇宙中,能量水平理论上可以围绕其他平均值波动,无论是正值还是负值。

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一些物理学家计算出,宇宙常数实际上应该有一个巨大无比的正值。问题在于,一个巨大的正常数会像反引力一样,导致宇宙膨胀得如此之快,以至于它会自行撕裂。另一方面,一个巨大的负常数会将我们的宇宙变成一个“趣味屋镜子”,在那里你可以从窗户往外看,却看到你身后的房间。正如古斯和维伦金深知的那样,这两种情况都不是事实——据任何人所知,可观测宇宙中的空间相当笔直,而且宇宙显然没有自行撕裂——这表明宇宙常数确实为零或非常接近零。

物理学家们早就确信,这种预期与观测之间的巨大差异远远超出了巧合的范围,某种未知的定律或现象正在将常数向下推。更重要的是,他们推断,如果有什么东西正在将常数从其自然的、令人难以置信的高值推向非常接近零,那么它一定将其推向恰好为零。这是因为,在物理学家的思维方式中,零比(比如说)0.000236要自然得多。科尔曼的虫洞理论为零宇宙常数提供了一个《爱丽丝梦游仙境》般的解释。据称,在我们的宇宙诞生后,连接它与具有零宇宙常数的更古老宇宙的微小虫洞允许它窥视那些宇宙并为自己采用相同的常数。然而,科尔曼的理论,以及大多数其他试图解决这个问题的理论一样,过于依赖猜测,不合大多数人的口味。

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然而,在这种情况下,一些物理学家为了解决这种“不自然”的问题,已经变得如此绝望,以至于他们诉诸于一种非常奇怪(且有些循环)的论证,即人择原理。该论证认为,人类的存在本身可以解释宇宙的某些否则难以解释的特征。简而言之:如果一个常数必须具有某个特定值才能支持我们所知的生命最终发展,那么它就不可能具有任何其他值,否则我们就不会在这里对其进行理论推测了。

这种推理听起来可能像是宇宙级的推诿,但事实并非如此。即使一个宇宙获得支持生命所需精确常数的几率很小——比如说,万亿分之一——击败这些几率也不需要特殊的科学解释。彩票中奖者可能会将他们的财富归因于神圣干预,但对我们其他人来说,这只是运气使然——毕竟,总有人会中奖。我们的宇宙恰好是一个幸运的彩票中奖者。

人择原理若不加区分地应用,无非是为了迎合我们存在的需要而重新排列自然法则。因此,维伦金从未特别喜欢它。“大多数物理学家都尽量避免它——我也是,”他说。然而,当以多重宇宙来阐述时,该原理更有意义,并避免了这种可疑的循环性。对于宇宙学家来说,预测我们宇宙的特征等同于预测任何随机选择的宇宙的特征,然后根据理论询问一个具有与我们宇宙相同特征的宇宙出现的可能性有多大。(这里的“特征”通常指自然界的基本常数——光速、电子电荷、夸克质量——它们构成了物理学的基础,并定义了我们的宇宙。)宇宙学家会处理构成新理论的方程,并得出每个常数的可能值范围,以及一个表示哪些值可能、哪些值牵强的钟形曲线。

要让新理论通过检验,它必须克服物理学家对“不自然”的厌恶——它必须预测我们的宇宙不仅可能,而且很可能。换句话说,每个已知常数都应该落在方程产生的值范围的中间,在曲线的肥厚部分之下。如果不是——如果已知常数落在钟形曲线的极端边缘——那么物理学家就会担心该理论遗漏了某些基本的东西,并会尝试提出一个更好的理论。

人择原理有助于缩小宇宙学常数接近零的极低可能性。在所有可能的宇宙中,纯粹偶然地,少数宇宙会拥有允许生命诞生的常数。大多数宇宙则不会:有些引力过大,会自行坍缩;有些引力过小,无法形成行星;有些宇宙的电力如此微弱,以至于原子无法结合形成分子;而另一些宇宙的电力如此强大,以至于物质会过于紧密地聚集在一起,无法让恒星燃烧;等等。然而,人择原理认为我们可以排除任何不支持生命的宇宙。我们甚至不需要考虑它。维伦金说:“一旦你用你可能在宇宙中观察到哪些常数来提出问题,你就已经在提出观察者的问题了。”在这种背景下,考虑人择原理是不可避免的。

当然,物理学家更希望发现导致基本常数取其精确值的机制,但人择原理至少有助于解释为什么某些常数具有看似不自然的值。德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家史蒂文·温伯格曾利用人择原理来解释为什么宇宙常数很小。他指出,一个巨大的宇宙常数,无论是正还是负,都会排除我们的存在。一个巨大的正常数会产生压倒性的反引力,导致物质消散而不是聚集成恒星和星系。如果常数是负的,引力会阻止宇宙膨胀并导致其坍缩。因为我们在这里,这些事件都不会发生,所以宇宙常数必须有其限制,使其比物理学家通常预期的大值小数万亿倍。当然,这仍然使得该常数比观测显示的值大得多,但这已经是朝着正确方向迈出的一大步。

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下一步是维伦金迈出的。1994年,他阅读了理查德·道金斯的《自私的基因》,该书认为成功的基因——那些世代相传的基因——是那些纯粹靠运气,恰好提高了其自身有机体生存机会,从而使其自身得以延续的基因。

“我对这个想法印象深刻,”维伦金说,“同时,它也让我开始思考人择原理。”尽管这两个想法来自完全不同的领域,但它们有异曲同工之妙:道金斯实际上说,基因的存在本身就足以证明该基因所体现的任何看似奇怪的功能;类似地,人择原理说,我们的存在证明了我们看似奇怪的自然常数是合理的。

在反复思考这个问题时,维伦金增加了一个转折。温伯格在思考我们的宇宙从众多可能宇宙中诞生的可能性时,已经使用人择原理来缩小了概率。他认为,与其从所有可能的宇宙中计算概率,不如只考虑那些可能支持生命的宇宙。但他没有考虑到有些宇宙可能比其他宇宙孕育更多的文明——一个宇宙可能环境恶劣,生命勉强存活,而另一个更肥沃的宇宙可能充满了数百万个有人居住的太阳系。

如果真是这样,维伦金推断,少数宇宙将占据文明的绝大部分。任何随机选择的文明——例如,我们的文明——更有可能来自这些产生高度文明的宇宙之一,而不是来自只有一两个文明的贫瘠宇宙。毕竟,如果你在地球上的几十亿人中随机挑选一个人,他或她更有可能来自人口众多的中国或印度,而不是来自小小的列支敦士登或卢森堡。这个推理同样适用于文明和宇宙。

维伦金从这一见解中得出的一个结论是,我们的文明很可能存在于一个富饶的宇宙中。“我们为什么要假设我们有什么特别之处?”他用他那精确、略带忧郁的语气说道,“如果我们和大多数文明一样,那么我们可能在一个拥有许多文明的宇宙中。”换句话说,我们的文明没有什么特别之处。因此,他将这一新标准命名为“平庸原理”。

平庸原理缩小了目标。突然,我们不再仅仅寻找能导致生命出现的宇宙特性,而是寻找能导致生命繁盛的宇宙特性。这些更严格的特性是什么?答案将成为我们可能在宇宙中观察到的现象的预测。

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这些性质中最重要的也恰好是最简单的:大小。宇宙越大,生命存在的空间就越多。那么,简单的统计数据似乎表明,我们的宇宙是可能宇宙中最大的之一。我们宇宙的性质也必须是那些在支持丰富生命的同时,能产生最大程度暴胀的性质。

带着这些新的考量,维伦金开始对我们新生宇宙的条件得出结论,主要与能量的分布方式有关。这些条件反过来又导致了对宇宙在暴胀短暂瞬间的稍有不同的描绘。特别是,该理论认为宇宙必须非常大,这意味着它的膨胀速度比大多数物理学家想象的要慢,持续时间也更长(尽管仍然是微小的几分之一秒)。更重要的是,我们所知的物质开始形成的时刻发生在大爆炸之后比预期晚,宇宙弦在帮助物质最初聚集成人块方面可能发挥了更大的作用。不幸的是,这些特征都没有独特的后果,无法通过观测加以验证,从而证实他的理论。换句话说,维伦金没有提出可检验的预测。直到他决定考虑宇宙常数。

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维伦金认识到,要形成一个支持丰富生命的宇宙,宇宙常数应该在一个狭窄的范围内——它既需要允许生命存在,又需要导致高度膨胀。这样的宇宙将对过大的常数对其精细调控的膨胀产生的影响非常敏感。即使一个相当小的常数也可能增加足够的斥力,导致宇宙膨胀过多,以至于物质过于分散而无法聚集。而一个相当小的负常数则可能阻止宇宙膨胀,导致它在生命有机会进化之前就坍缩。在这方面,宇宙常数就像口香糖吹泡泡比赛中的天气。你可能在飓风中整天吹出普通大小的泡泡,但如果你想吹出尽可能大的泡泡,你最好确保没有风。对于一个努力膨胀的巨大、支持生命的宇宙来说,即使是很小的宇宙常数也像一阵巨大的风。

维伦金得出结论,宇宙常数必须接近于零——实际上,是介于零和0.9之间的一个值。它如此接近于零,以至于其影响足够微妙,迄今为止尚未被天文学家探测到。尽管科尔曼和其他人已经提出了解释零宇宙常数的方法,但维伦金的结论有一个微妙但至关重要的区别,即它不要求常数精确为零,只要求它非常小。事实上,根据维伦金的理论,常数恰好为零的可能性是荒谬的。

一个小的、非零的宇宙常数是物理学家梦寐以求的预测。它在很大程度上与当前的观测结果相符。它与标准预测不同,这意味着它可以用来证明哪个理论更可能是正确的。最重要的是,它预示着在不久的将来将与标准预测进行一场观测上的较量。物理学家们正在不断提高他们测量宇宙常数的精度。他们预计在几年内,就能精确测量到足以证明维伦金是否正确的程度。维伦金说:“我们会看到。”

暴胀理论的创始人艾伦·古斯就是那些对此寄予厚望的宇宙学家之一。“过去五年里,这个领域的发展尤其迅速,”他说,“我们很可能在未来五年内解决这个问题。”古斯本人对结果不抱任何赌注。他指出了维伦金假设的几个潜在问题。首先,人择原理依赖于存在许多可能宇宙,其常数随机变化。古斯仍然认为只有一种宇宙和一套可能的常数,我们的存在对它们没有任何影响。另一个可能的症结在于,在一个日益流行的暴胀模型中,暴胀永不停止——它只是不断地将宇宙向外推得更远。古斯倾向于这种假设,即使它可能使平庸原理变得无关紧要。(维伦金声称他可以在一个永恒暴胀的宇宙中使该原理奏效。)当然,古斯承认,无论是“单一宇宙”还是“永恒暴胀宇宙”的设想都尚未得到牢固确立。“如果物理定律允许多种类型的宇宙,而且它们不是永恒暴胀的,那么平庸原理似乎是必不可少的,”他说。

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维伦金本人声称对自己的错误可能性很随和。“当你处在不确定的境地时,你的最终产品只是一种提议,”他耸耸肩说,“一个人试图弄清宇宙的起源,并不意味着一个人应该过分认真。”

如果维伦金关于宇宙常数的说法是正确的,那么宇宙学家可能会更积极地看待其他难以检验的预测,这些预测是平庸原理的推论,例如宇宙弦的存在。随着时间的推移,也许在验证性测量的鼓励下,维伦金和其他人可能会从该原理中得出更多预测。然而,即使这一切都发生了,维伦金仍然坚持他感觉自己没有完全达到某些期望。“我只是不确定这一切是否会让飞机更安全,”他解释道。

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