自然不僅比我們想象的要古怪 ,而且比我們所能想象的還要古怪。

———約翰 ·伯頓 ·桑德森 ·霍爾丹 (J.B.S.Haldane)

宇宙學(xué)家史蒂芬 ·霍金是科學(xué)上最悲慘的人物之一。他在無法治愈的、不斷惡化的疾病中奄奄一息 ,但面對著幾乎不能超越的障礙 ,他仍然頑強(qiáng)地致力于他的研究活動。盡管他失去了對手、腳、舌頭、聲帶的控制,身體被約束在輪椅上 ,但他卻依然成為了開辟新的研究大道的先鋒。任何一個意志稍弱的物理學(xué)家遇到這樣的困難 ,早就放下解決重大科學(xué)難題的努力了。

他不能用手握筆 ,他的所有計算都在大腦里完成 ,只是偶爾依靠助手的幫助。他失去了聲帶 ,只能依靠機(jī)械設(shè)備與外界通訊。雖然面對著重重困難 ,但他依然維持著充實的研究工作 ,還抽取時間完成了一部暢銷科普書《時間簡史》,并在世界各地展開演講。

我曾經(jīng)在劍橋大學(xué)外 ,他的家中拜訪過他。那時 ,我應(yīng)邀在他組織的物理學(xué)會議上演講。我走過他的客廳 ,驚訝地發(fā)現(xiàn)一大批精巧的用于繼續(xù)他研究的小工具。這些小工具令我印象深刻。例如 ,我在他的辦公桌上發(fā)現(xiàn)了一個類似音樂家用來放置樂譜的那種器材。然而 ,這個器材更加精致,能抓住書本的每一頁以方便閱讀。(我戰(zhàn)栗著思考 ,我相信很多物理學(xué)家也會如此思考 :沒有胳膊、手、聲帶 ,是否還有勇氣繼續(xù)自己的研究,即便有最好的機(jī)械為其提供幫助。)霍金是劍橋大學(xué)物理學(xué)盧卡斯教授 ,艾薩克 ·牛頓也曾擔(dān)任過同一職 位?；艚鸷退慕艹龅那拜呉粯?,從事本世紀(jì)最重大問題的研究 ———愛因斯坦引力理論和量子理論的統(tǒng)一。因此 ,他對優(yōu)美而自洽的十維理論感到驚奇 ,實際上 ,霍金就是用對這一理論的討論作為他的那本暢銷書(《時間簡史》)的結(jié)尾。

霍金不再將他富有創(chuàng)造性的大量精力消耗在他名揚全球的那個領(lǐng)域 ———黑洞上。它現(xiàn)在已顯得過時了。現(xiàn)在 ,霍金正尋找更大的獵物 ———統(tǒng)一場論。我們記得 ,弦理論起初是一種量子理論 ,之后吸收了愛因斯坦的引力理論?；艚鹗菑募兇獾慕?jīng)典相對論專家而不是量子理論專家開始研究的?；艚鹩昧硪环N觀點對這個問題展開研究。他和他的同事詹姆斯 ·哈特爾 (e)從愛因斯坦的經(jīng)典宇宙出發(fā) ,然后對整個宇宙進(jìn)行量JamesHartl子化 !

宇宙波函數(shù)

霍金是量子宇宙學(xué)這一新學(xué)科的創(chuàng)始者之一。起初 ,在用詞上這似乎是矛盾的。量子一詞適用于無窮小的夸克和中微子世界 ,而宇宙意味著無限寬廣的外層空間。然而 ,霍金和其他一些人現(xiàn)在相信宇宙的最終問題只能由量子理論來回答。霍金用量子宇宙學(xué)得出它的終極量子結(jié)論 ,這個結(jié)論允許無限數(shù)量的平行宇宙的存在。

我們記得 ,量子理論的出發(fā)點是波函數(shù) ,它描述粒子所有可能的狀態(tài)。例如 ,想象天空中有一塊巨大的且不規(guī)則的雷雨云。雷雨云越黑 ,其中的水蒸氣和灰塵的濃度就越大。因此 ,只要看一下雷雨云 ,我們就可以根據(jù)濃度快速估算天空中某部分水蒸氣和灰塵的概率。

雷雨云可以比作一個單電子的波函數(shù)。與雷雨云相似 ,電子的波函數(shù)也布滿所有的空間。同樣 ,在某一點波函數(shù)的值越大 ,那么在該點找到電子的概率也越大。與此類似的 ,波函數(shù)還可以與大物體 (例如人 )聯(lián)系在一起。當(dāng)我坐在普林斯頓自己的椅子上 ,我知道我有一個具有薛定諤概率性質(zhì)的波函數(shù)。如果我有辦法看見自己的波函數(shù) ,那它肯定類似于與我身體形狀非常接近的一團(tuán)云。但是 ,云的一部分將分散在所有的空間 ,到達(dá)火星 ,甚至逃離太陽系 ,盡管在那里它們已彌散得非常小 (概率非常低)。這意味著 ,我坐在椅子上而不是待在火星上的可能性非常大 (我實際上就 是坐在椅子上)。雖然我的部分波函數(shù)已散布出銀河系之外 ,但我待在另一個星系上的可能性是無窮小。

霍金的新思想 ,是把整個宇宙看成一個量子粒子。通過重復(fù)一些簡單的步驟 ,我們得到了一些令人大開眼界的結(jié)論。

首先用一個波函數(shù)描述所有可能的宇宙集。這意味著 ,霍金的理論出發(fā)點必須是一個無限集的平行宇宙 ———宇宙波函數(shù)。霍金用宇宙這個詞代替粒子 ,他的這個相當(dāng)簡單的分析已經(jīng)導(dǎo)致我們在宇宙學(xué)思想上的概念性革命。

根據(jù)這個描述 ,宇宙的波函數(shù)散布在所有的可能的宇宙之上?？拷覀冏约旱挠钪娌ê瘮?shù)被認(rèn)為是非常大的 ,所以我們的宇宙有非常大的概率是正確的 ,如同我們的預(yù)期。然而 ,波函數(shù)也遍及所有的其他宇宙。即使那里是沒有生命 ,且與我們熟悉的物理定律不一致。由于波函數(shù)在這些其他的宇宙中是微乎其微的小 ,因此 ,我們預(yù)期在不遠(yuǎn)的將來我們的宇宙將不會通過量子躍遷而成為那樣的宇宙。

量子宇宙學(xué)家面對的目標(biāo) ,是在數(shù)學(xué)上證實這個猜想。即表明我們現(xiàn)在的宇宙的波函數(shù)是非常大的 ,而其他宇宙的波函數(shù)是非常小的 (微乎其微)。然后 ,進(jìn)一步證明 ,我們熟悉的宇宙在某種意義上是獨特的 ,也是穩(wěn)定的。(目前 ,量子宇宙學(xué)家還不能解決這個重要的難題。)如果我們嚴(yán)肅思考霍金的想法 ,這意味著 ,我們必須從無限多個可能的彼此共存的宇宙開始分析。坦率地說 ,宇宙這個詞的定義不再是 “所有的存在 ”,它現(xiàn)在的意思是 “所有可能存在的東西 ”。例如 ,在圖 12.1中,我們可以看到宇宙的波函數(shù)是如何散布到若干個可能的宇宙上。我們的宇宙是最可能的一個 ,但肯定不會是唯一的一個。霍金的量子宇宙學(xué)還假定,宇宙波函數(shù)允許宇宙互相碰撞。蟲洞可以發(fā)展并連接這些宇宙。但是,這些蟲洞與前面章節(jié)所說的蟲洞不同。它并非連接三維空間中的不同部分 ,這些蟲洞將不同的宇宙彼此連接起來。

例如 ,懸浮在空氣中的一大堆肥皂泡。正常情況下 ,每一個肥皂泡本身就像一個獨立的宇宙。除非它不時與另一個肥皂泡相撞形成一個更大的肥皂泡 ,或分裂成兩個較小的肥皂泡。而現(xiàn)在的情況是 ,每一個肥皂泡都是一個完整的十維宇宙。由于空間和時間只能存在于單個氣泡上 ,所以氣泡與氣泡之間沒有時間和空間這樣的東西。每個宇宙都有自己的自洽的 “時間 ”,因此 ,說時間在所有宇宙中都以相同速度流逝是毫無意義的。

圖12.1在霍金的宇宙波函數(shù)中 ,這個波函數(shù)最有可能集中在我們自己的宇宙周圍。我們生活在我們的宇宙中 ,是因為這個宇宙最有可能擁有最大的概率。但是 ,仍有一個小的但不為零的概率讓波函數(shù)偏愛我們的鄰居 ———平行的宇宙。因此宇宙間的旅行也許是可能的 (盡管概率非常低)。

(但是 ,這里應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào) ,受限于我們目前的技術(shù)水平 ,這些宇宙之間的旅行還未對我們開放。此外 ,我們還應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào) ,在這種大尺度上的量子躍遷十分罕見 ,發(fā)生的周期可能比我們宇宙的壽命還要長。)這些宇宙中絕大多數(shù)是死宇宙 ,它們沒有任何生命。在這些宇宙中 ,物理定律是不同的 ,因此無法滿足使生命成為可能的物理條件。也許在數(shù)以10億計的平行宇宙中只有 1個宇宙 (我們的宇宙 )有一組合適的物理定律允許生命的存在 (圖12.2)。

霍金的 “嬰兒宇宙 ”理論 ,盡管不是一個實際的旅行方法 ,但它注定產(chǎn)生了哲學(xué)問題乃至宗教問題。它在宇宙學(xué)家中引起了兩個漫長的和熱烈的爭論。

圖12.2我們的宇宙可能是無限多個平行宇宙中的一個 ,這些宇宙通過無限系列的蟲洞彼此相連。在這些蟲洞間旅行是可能的 ,但其概率是很低的。

將上帝放回宇宙 ?

第一個爭論涉及 “人擇原理 ”。幾個世紀(jì)以來 ,科學(xué)家已學(xué)會客觀地觀察宇宙。這種觀察在很大程度上擺脫了人們的偏見。我們不再將人類的偏見和奇思異想投射到每一個科學(xué)發(fā)現(xiàn)上。然而 ,歷史上早期的科學(xué)家常常犯擬人化的錯誤 ,認(rèn)為物體和動物有類似于人的性質(zhì)。犯這種錯誤的那些人 ,是因為他們發(fā)現(xiàn)他們的寵物也能表現(xiàn)出人的情緒和感受。(好萊塢的電影劇本作家也常犯這樣的錯誤 ,他們想當(dāng)然地以為天空中繞恒星轉(zhuǎn)動的行星上一定居住著與我們相似的生物。)擬人化是一個古老的難題。愛奧尼亞哲學(xué)家色諾芬尼 (Xenophanes)曾悲傷地說 ,“人們想象眾神的誕生 ,他們的衣服、聲音和體形都與人相似……是的 ,埃塞俄比亞的眾神是黑皮膚、扁平鼻 ;色雷斯人的眾神是紅頭發(fā)、藍(lán)眼睛 ”。在過去的數(shù)十年里 ,一些宇宙學(xué)家驚恐地發(fā)現(xiàn) ,擬人化在人擇原理的偽裝下又悄悄回到了科學(xué)中。人擇原理的一些鼓吹者公開宣稱,他們想把上帝放回到科學(xué)中。

事實上 ,圍繞人擇原理的這種奇特爭論 ,還是存在某種科學(xué)價值的。爭論圍繞一個無可爭辯的事實 (如果宇宙的物理常數(shù)稍微改變一點 ,這個宇宙上的生命將不可能存在 )展開。這個值得注意的事實僅是一個幸運的巧合 ,還是展示了某個 “天帝 ”的作品 ?

有兩個版本的人擇原理?！叭跞藫裨?”的版本宣稱 ,宇宙中存在智慧生命 (我們 )應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是一種實驗事實 ,它有助于我們了解宇宙常數(shù)。正如諾貝爾獎得主史蒂文 ·溫伯格 (Steven Weinberg)所說 ,“世界就是它現(xiàn)在的這個樣子 ,倘若它不是這樣 ,就不會有人問這個世界為什么是這個樣子了?！?“弱人擇原理 ”用這種方式表述 ,人們很難對它進(jìn)行討論。

為了使宇宙中有生命 ,需要很多偶然的巧合聯(lián)系在一起。生命取決于各種復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng) ,如果稍稍改變某些化學(xué)或物理常數(shù) ,生命的存在性將受到改變。例如 ,我們哪怕略微改變支配核物理的常量 ,則發(fā)生在恒星和超新星上的核合成和重元素的產(chǎn)生都將變?yōu)椴豢赡?。接?,在超新星中形成的原子或許會變得不穩(wěn)定 ,或者根本不可能產(chǎn)生。生命需要重元(比鐵還重的元素 )以產(chǎn)生 DNA和蛋白質(zhì)分子。因此 ,哪怕是核物理中素最小的改動 ,也會影響宇宙中重元素的產(chǎn)生。我們都是恒星的孩子。然而,如果核物理的規(guī)律略有改變 ,我們的 “父母 ”將不可能有孩子 (們)。作為另一個例子 ,我們可以放心地說 ,生命在早期海洋中的形成可我能經(jīng)歷了 10億—20億年。然而 ,如果我們能夠以某種方法將質(zhì)子的壽命縮短到數(shù)百萬年 ,那么 ,就不可能有生命。因為 ,由分子的隨機(jī)碰撞形成 生命所需要的時間明顯不足。

換言之,我們存在于宇宙中并探求有關(guān)宇宙的問題,這個事實必然意味著一系列復(fù)雜的事情已經(jīng)發(fā)生了。它還意味著自然的物理常數(shù)的值必須有一個確定的范圍,以使恒星有足夠長的生命時間創(chuàng)造我們身體中所需要的重元素,以使質(zhì)子在生命有機(jī)會發(fā)育之前不要衰變得太快。也可以這樣說,宇宙中存在能向有關(guān)宇宙問題發(fā)起探索的人類,給宇宙物理施加了很多的剛性約束。例如:它的年齡、它的化學(xué)成分、它的溫度、它的尺寸和它的物理過程。

物理學(xué)家弗里曼 ·戴森 (Fre

manDyson)對這些宇宙的巧合感到吃驚。他曾寫到,“當(dāng)我們觀察宇宙,發(fā)現(xiàn)了許多物理學(xué)和天文學(xué)上的偶然現(xiàn)象。它們巧合地融合在一起造福于我們。我感覺,宇宙似乎在某種意義上知道我們的到來?！边@段話帶給我們的 “人擇原理”的強(qiáng)表述,它認(rèn)為,宇宙所包含的一切物理常數(shù)都已被 (由上帝或某個超人 )精確地選擇好了。因此,生命在我們的宇宙中成為可能。因為這個 “強(qiáng)人擇原理”的版本提出了有關(guān)上帝的問題,故而在科學(xué)家中產(chǎn)生了極大的爭議。

可以想象,如果只要求幾個常數(shù)呈現(xiàn)一定的值就能使生命成為可能,也許含有太多的運氣成分。事實上,我們需要一大組物理常數(shù)在一個狹窄的數(shù)值范圍內(nèi),方能使我們的宇宙形成生命。由于這種巧合事件發(fā)生的可能性極小,因此,為了創(chuàng)造生命,神智 (上帝 )或許精確地選擇了這些值。

當(dāng)科學(xué)家們第一次聽到某個版本的人擇原理時,他們大為吃驚。物理學(xué)家海因茨·帕格爾斯 (HeinzPagels)回憶說,“這是一種推理形式,他與理論物理學(xué)家進(jìn)行研究工作時通常所用的方式完全不同”。

人擇原理是一個古老說法的更完善的版本,舊觀點的說法是上帝把地球放在了離太陽恰好的位置。如果上帝把地球放置到距離太陽較近的位置,地球會因為過熱而無法形成生命。如果上帝把地球放置到距離太陽較遠(yuǎn)的位置,地球會因為過冷而無法形成生命。這種觀點的錯誤在于,銀河系中數(shù)以百萬計的行星可能處在距離它們的太陽不恰當(dāng)?shù)奈恢?因此這些行星上不能出現(xiàn)生命。但是,一些行星則純屬意外 (我們的星球就是其中之一),它們處在距離它們的太陽恰當(dāng)?shù)奈恢?。因此我們能在這里討論這個問題。

最終,大多數(shù)科學(xué)家從人擇原理中醒悟過來。因為它既不具有預(yù)見能 力,也無法加以檢驗。帕格爾斯不情愿地承認(rèn) ,“它不像物理學(xué)原理 ,沒有辦法確定它的正確與錯誤 ,沒有辦法對其測試。與傳統(tǒng)的物理原理不同,人擇原理不能接受實驗證偽?？梢钥隙?,它不是一個科學(xué)原理?！蔽锢韺W(xué)家阿蘭 ·古斯 (AlanGuth)直言不諱地說 ,“感情上 ,人擇原理有點讓我心煩 ……人擇原理是人們想不出更好的辦法時才選擇的?！?/p>

在理查德 ·費曼 (RichardFeynman)看來 ,理論物理學(xué)家的目標(biāo)就是 “盡可能快地證偽?！比欢?,人擇原理毫無新意 ,且不能證偽?；蛘?,正如溫伯格 (Weinberg)所說 :“沒有科學(xué)家就沒有科學(xué) ,但我們不能確定,沒有科學(xué)宇宙就不可能存在?！?/p>

對人擇原理的爭論 (有關(guān)上帝的爭論 )休止了許多年 ,直到最近 ,它又被霍金的宇宙波函數(shù)復(fù)蘇。如果霍金是正確的 ,那么 ,就確實存在著無窮多的平行宇宙 ,存在著許多有不同的物理常量的宇宙。在這些平行宇宙中,有的質(zhì)子退化得太快、有的不能制造出比鐵更重的重元素、有的在生命開始之前大坍縮即快速發(fā)生 ,等等。事實上 ,如果沒有像我們所知的能使生命變成可能的物理定律 ,無窮多的這些平行宇宙都是死宇宙。

在一個像我們所在的宇宙這樣的平行宇宙中 ,物理定律是和我們所知道的生命相容的。我們今天能在這里討論這個問題就是最好的證據(jù)。如果這是真的 ,那么就不必邀請上帝對如此珍貴的生命為什么存在于我們的宇宙中作出解釋。然而 ,這又重新打開了 “弱人擇原理 ”的可能性 ,即我們的宇宙與許多死宇宙共存 ,而我們的宇宙是唯一適合生命存在的宇宙。

霍金的宇宙波函數(shù)所引發(fā)的第二次爭論要深刻得多。事實上 ,這場爭論至今也未得到解決。這就是所謂的薛定諤的貓的難題。

再訪薛定諤的貓

由于霍金的嬰兒宇宙理論和蟲洞發(fā)揮了量子理論的威力 ,所以它不可避免地重新引發(fā)了有關(guān)其基礎(chǔ)的仍然懸而未決的辯論?；艚鸬挠钪娌ê瘮?shù)并不能完全解決量子理論的矛盾 ,它僅僅表達(dá)了一種令人震驚的新觀點。

我們記得 ,量子理論指出 ,每一個物體都存在一個波函數(shù)。它表征在空間和時間中的某一特定點上找到物體的概率。量子理論還指出 ,在你對粒子進(jìn)行觀察之前 ,絕不能確切地知道它們的狀態(tài)。在進(jìn)行測量之前 ,粒 子可能處在由薛定諤波函數(shù)描述的各種狀態(tài)中的任意一種狀態(tài)上。因此,在作出觀察或測量之前,你不能確切地知道粒子的狀態(tài)。實際上,在進(jìn)行測量之前,粒子存在于虛空的狀態(tài),即所有可能狀態(tài)之和。

當(dāng)這個想法首先由尼爾斯 ·玻爾 (NielsBohr)和沃納 ·海森堡 (WernerHeisenberg)提出,遭到了愛因斯坦的強(qiáng)烈反對?！霸铝潦且驗槔鲜蠖⒅?才存在的嗎?”他總喜歡這樣問。根據(jù)量子理論的嚴(yán)格解釋,月亮在被觀測之前,并不存在于我們所知的狀態(tài)中。事實上,月亮可以處在無窮多個狀態(tài)中的任意一個。包括:在天空中現(xiàn)在的狀態(tài)、被炸毀的狀態(tài),或根本不存在。是觀察月球的過程決定了月球?qū)嶋H上是繞地球轉(zhuǎn)的。

愛因斯坦曾與波爾有過多次交鋒,挑戰(zhàn)這種非正統(tǒng)的世界觀。(在一次討論中,波爾生氣地對愛因斯坦說,“你不是在思考,只是在推理!”)甚至歐文·薛定諤 (他以他著名的波動方程激發(fā)了整個討論)也反對針對他的方程所作的這種再詮釋。他曾沮喪地說,“我不喜歡它,非常抱歉我曾經(jīng)做過一些與之相關(guān)的研究?！?/p>

為了挑戰(zhàn)這種修正主義者的解釋,評論家們提出了這樣的問題:“在你看到貓之前,它是死的還是活的?”

薛定諤為了證明這個問題有多么荒謬,他將一只虛構(gòu)的貓放置在一個密封的盒子中。這只貓面對著一支槍,這支槍連接到一臺蓋革計數(shù)器上,計數(shù)器又與一塊鈾相連。鈾原子是不穩(wěn)定的,它將發(fā)生放射性衰變。如果某個鈾核分裂,它將被蓋革計數(shù)器捕捉到。這時,蓋革計數(shù)器會扣動槍上的扳機(jī),其子彈會將貓射殺。

要確定貓的死活,我們必須打開盒子進(jìn)行觀察。然而,在打開盒子之前,貓的狀態(tài)是什么?根據(jù)量子理論,我們只能認(rèn)為貓由一個描述死貓和活貓的兩者總體的波函數(shù)來確定。

對薛定諤來說,認(rèn)為貓不死不活的想法是荒謬的。然而,量子力學(xué)的實驗證明迫使我們得出這樣的結(jié)論?，F(xiàn)在,每一個實驗都證實了量子理論。

薛定諤的貓的悖論是如此奇怪,它經(jīng)常讓人想起劉易斯 ·卡羅爾 (LewisCarol)的寓言中,愛麗絲看到柴郡貓 (Cheshirecat)消失時作出的反應(yīng):“‘你將會在那里看見我,’貓說完就消失了。愛麗絲對此并不感到驚訝,她已習(xí)慣了這些古怪事情的發(fā)生。”多年來,物理學(xué)家們也早已習(xí)慣了量子力學(xué)中的 “古怪”事情。

物理學(xué)家對付這種復(fù)雜性,至少有三種主要方法。第一種方法,我們可以假設(shè)上帝存在。因為 “觀察”就意味著有觀察者,所以,宇宙中必定存在某種 “意識 ”。一些物理學(xué)家,如諾貝爾獎獲得者尤金 ·維格納 (EugeneWigner),堅持認(rèn)為量子理論證明了宇宙中存在某種萬能的宇宙意識。

處理矛盾的第二種方法,得到了絕大多數(shù)物理學(xué)家的支持。它就是,對一切難題棄之不顧。大多數(shù)物理學(xué)家指出,沒有任何意識的相機(jī)也可以進(jìn)行測量。他們只是單純地希望繞開這個不可避免的難題。

物理學(xué)家理查德·費曼 (RichardFeynman)曾說,“我認(rèn)為可以放心地說,沒有人理解量子力學(xué)。如果你能盡量地避開它,就不要不斷地自問 ‘它怎么能像那樣呢?’。因為你將 ‘血本無歸 ’地進(jìn)入一個盲目的小巷,在那里,沒有人能逃脫。沒有人知道,它怎么能像那樣?！笔聦嵣?人們常說,在20世紀(jì)提出的所有理論中,最愚蠢的莫過于量子理論。一些人說,事實上,量子理論所希望的就是人們不要去懷疑它。

第三種方法,稱為多世界理論。這一理論 (如人擇原理)在過去的幾十年失寵,但被霍金的宇宙波函數(shù)復(fù)活了。

多世界

1957年,物理學(xué)家休·埃弗雷特 (HughEveret)提出了這樣一種可能性:在宇宙的進(jìn)化過程中,它不斷地 “分裂 ”為兩半,就像道路上的叉。在其中一個宇宙,鈾原子并未發(fā)生放射性衰變,盒子里的貓也并未被擊中;在另一個宇宙中,鈾原子發(fā)生放射性衰變,盒子里的貓將被射殺。如果埃弗雷特的觀點是正確的,那么就存在無窮多個宇宙。每個宇宙通過道路上的分岔網(wǎng)與其他宇宙相連。或者,像阿根廷作家喬治 ·路易斯 ·博爾赫斯 (JorgeLuisBorges)在《岔口路花園》中所寫的那樣,“時間不斷分岔,通往無數(shù)的未來?！?/p>

物理學(xué)家布萊斯·德維特 (BryceDeWit)是多世界理論的支持者之一。他描述了多世界理論對他產(chǎn)生的曠日持久的影響:“在每一個恒星、每一個星系、宇宙中每一個偏僻的角落,發(fā)生的每一個量子躍遷,都將我們地球上的局部世界分裂為無數(shù)個自己的副本。我仍然清楚地記得,在我 第一次接觸多世界概念時所受到的震驚。”多世界理論假定所有可能的量子世界均存在。在某些世界中,存在著像地球上那樣的主導(dǎo)生命形式的人類。在其他一些世界中,亞原子事件的發(fā)生將阻止人類在這個星球上的不斷進(jìn)化。

正如物理學(xué)家弗朗克·韋爾切克 (Frank Wilczek)指出,據(jù)說,如果特洛伊 (Troy)的海倫 (Helen)在鼻尖上長有一個疣,那么,這個世界的歷史將會完全不同。是的,疣產(chǎn)生于單細(xì)胞中的突變,這些突變通常是由暴露在太陽的紫外線下而引發(fā)。這個事件的合理結(jié)論是,“的確存在多世界,在它們中的某個世界,特洛伊的海倫確實在她的鼻尖上長有一個疣?！?/p>

事實上,可能存在多世界的這個思想由來已久。哲學(xué)家圣阿爾伯特 ·馬格納斯 (St.AlbertusMagnus)曾經(jīng)寫道,“存在多個世界,還是只有唯一世界?這是對自然界的研究中最崇高和最偉大的問題之一”。然而,這個古老觀念的新變化是,多世界解決了薛定諤的貓的佯謬。在某一個宇宙中,貓或許死了;在另一個宇宙中,貓還活著。

雖然在表面上看,埃弗雷特的多世界理論似乎很奇怪,但可以從數(shù)學(xué)上證明它等同于通常的量子理論詮釋。而在傳統(tǒng)上,埃弗雷特的多世界理論并未在物理學(xué)家中流行開來。物理學(xué)家的終極目標(biāo)是將問題簡化。對他們來說,存在無窮多個隨時裂解的同樣有效的宇宙,簡直是哲學(xué)上的噩夢。遺憾的是,他們無法將多世界理論排除。物理學(xué)上,有一個被稱為奧卡姆 (Ocam)剃刀的原理,它指出,我們應(yīng)該永遠(yuǎn)走最簡單的最可能的道路,放棄笨拙的其他選擇,特別是在其他選擇永不能被測量的情況下更應(yīng)如此。(因此,奧卡姆剃刀剔除了老舊的 “以太”理論,以太理論認(rèn)為一種神秘的氣體曾彌漫在整個宇宙中。以太理論對尷尬的問題提供了一個方便的回答:如果光是一種波且能在真空中傳播,那什么是波動?答案是以太,它像流體一樣,且在真空中可以振動。愛因斯坦認(rèn)為,以太是不必要的,但卻從未說過它不存在。他僅是說,以太與光并不相干。因此,按照奧卡姆剃刀原理的選擇條例,物理學(xué)家們不再提以太了。)現(xiàn)在我們可以證明,埃弗雷特的多世界之間的溝通是難以實現(xiàn)的。因此,任一宇宙都無法意識到其他宇宙的存在。如果這些世界的存在不能得 到實驗檢驗,我們就應(yīng)該利用奧卡姆的剃刀消除它們。

物理學(xué)家某種程度上都具有相同的氣質(zhì),他們不會直截了當(dāng)?shù)卣f天使和奇跡是不存在的。也許他們確實存在,但按照定義奇跡是不可重復(fù)的,故而不可得到實驗檢驗。因此,按照奧卡姆的剃刀原則必須消除它們 (然,除非我們能找到可以重復(fù)的、可測量的奇跡或天使)。埃弗雷特的導(dǎo)當(dāng)師約翰·惠勒 (John Wheler)也是多世界理論提出者之一。但他最終也不情愿地放棄了這個理論,因為 “它需要攜帶太重的形而上學(xué)包袱”。

但是,隨著霍金的宇宙波函數(shù)的流行,不受歡迎的多世界理論也開始得到復(fù)蘇。埃弗雷特的理論建立在單粒子的基礎(chǔ)上,通信不能在不同宇宙之間實現(xiàn),因為它們是分裂的。然而,霍金的理論要深刻得多。他的理論雖與多世界理論相關(guān),但卻走得更遠(yuǎn)———它是以無限多個自洽宇宙 (而不只是粒子)為前提,并假定它們之間存在隧穿的可能性 (通過蟲洞)。

霍金甚至進(jìn)入了令人窒息的工作———計算宇宙波函數(shù)的解。他相信他的做法是正確的,部分原因是由于該理論是明確定義的 (正如我們提及的,該理論最終將在十維空間中定義)?；艚鸬哪繕?biāo)是———證明宇宙波函數(shù)在我們的宇宙附近以一個極大值呈現(xiàn)。因此,我們的宇宙就成為了最可能的宇宙,但肯定不是唯一。

到目前為止,已經(jīng)召開了許多有關(guān)宇宙波函數(shù)的國際會議。然而,正如之前所述,宇宙波函數(shù)所涉及的數(shù)學(xué)運算遠(yuǎn)超出了這個星球上任何人的計算能力。我們也許要等上若干年,才會等來那個有進(jìn)取心的人找到霍金方程的嚴(yán)格解。

平行宇宙

埃弗雷特的多世界理論與霍金的宇宙波函數(shù)之間的主要區(qū)別是,霍金將 “蟲洞連接這些平行宇宙”置于他理論的中心。你不必為以下事件擔(dān)心 ——— “下班后步行回家,打開門進(jìn)入了一個平行世界。你驚奇地發(fā)現(xiàn),家人們從未聽說過你,他們不會沖上來迎接你,而是在恐慌和尖叫中將你當(dāng)作非法入侵者送進(jìn)監(jiān)獄”?；蛟S這種場面只有在電視或電影中才會出現(xiàn)。在霍金的方案中,蟲洞實際上不斷地將我們的宇宙與萬萬億個平行宇宙連接起來。但這些蟲洞的平均尺寸極小,大約為一個普朗克長度的尺寸 (約 為質(zhì)子的一百萬萬億分之一,對于人類的旅行來說簡直太小了)。此外,由于這些宇宙之間的量子躍遷不頻繁,我們也許要等待很長時間才能看到這樣的事件發(fā)生。事實上,這段等待的時間已超過了宇宙本身的壽命。

因此,理論上我們可以進(jìn)入與我們的宇宙相像的孿生宇宙 (盡管概率非常低)。這個宇宙與我們的宇宙具有完全一致的物理定律。這兩個宇宙僅是在創(chuàng)世分裂時在某一點上產(chǎn)生了微小的決定性差別。

約翰·溫德姆 (John Wyndham)在他的小說《隨機(jī)探秘》中對這種類型的平行宇宙進(jìn)行了探討。小說中,英國的核物理學(xué)家柯林 ·特拉福德 (ColinTraford)在 1954年的核試驗爆炸中死里逃生。他沒有死在醫(yī)院里,相反,他獨自毫發(fā)無損地在倫敦的一個偏僻的郊區(qū)醒來。他放下心來,一切似乎都回歸正常。但他很快就發(fā)現(xiàn)了非常糟糕的事情。報紙的頭條都是一些不可能的且無法想象的事情。在這里,第二次世界大戰(zhàn)從未發(fā)生,原子彈也從未被發(fā)現(xiàn)。

世界歷史被扭曲了。此外,他看了一眼書架。注意到了書架上的自己的名字和相片,他成為了暢銷書作家。他感到無比震驚。在這個平行世界中,存在著一個他的確切的對應(yīng)物,這個對應(yīng)物是一個作者而不是一個核物理學(xué)家!

他在做夢嗎?多年前,他曾夢想成為一名作家,但他最終卻選擇了成為一名核物理學(xué)家。顯然,在這個平行的宇宙中,他在過去做出了不同的選擇。

特拉福德翻閱倫敦的電話簿,發(fā)現(xiàn)了自己的名字,但地址是錯誤的。他顫抖著,決定去拜訪 “他的家”。

進(jìn)入 “他”的公寓,他很震驚地遇見了 “他”的妻子,一個他從未見過的人———美麗的女人。她很痛苦,憤怒于 “他 ”與其他女人的曖昧關(guān)系。她斥責(zé) “他”的婚外情,但她發(fā)現(xiàn)自己的丈夫 (特拉福德 )非常困惑。特拉福德發(fā)現(xiàn),他的對應(yīng)人是一個無賴和色鬼。然而,他發(fā)現(xiàn)很難與一個他從未見過的美麗的陌生人爭論,即使她碰巧是 “他的”妻子。明顯地,他和他的對應(yīng)人交換了宇宙。

他逐漸發(fā)覺愛上了 “他”的妻子。他無法理解他的對應(yīng)人怎能如此卑鄙地對待 “他”可愛的妻子。接下來的幾周是他們一生中最美好的時光。他決定解除他的對應(yīng)人多年來對妻子造成的一切傷害。然而,就在他們重新認(rèn)識后,他被突然地拉回了自己的宇宙,并將這段愛一并帶回。被拋回 他之前的宇宙是違背他的意愿的,他開始在自己的宇宙瘋狂地尋找 “他”的妻子。他發(fā)現(xiàn),在他的宇宙中,大多數(shù)的人 (并非全部人)在另一個宇宙中都有其對應(yīng)人。他推斷,“他”的妻子毫無疑問地在他自己的宇宙中也必然有一個對應(yīng)人。

他著魔似的追蹤他記得的孿生宇宙的所有線索。他利用自己的所有歷史和物理知識得出了一個結(jié)論———這兩個宇宙原本是一個宇宙,1926年或 1927年發(fā)生了某個關(guān)鍵事件致使其分裂為了兩個宇宙。他分析到,一個單一的事件把這兩個宇宙分開了。

然后,他仔細(xì)地追溯了幾個家庭的出生和死亡記錄。他用剩余的積蓄采訪了許多人,直到他找到了 “他”的妻子的家譜。最終,他成功地跟蹤到他自己宇宙中的 “他”的妻子。小說的結(jié)尾是,他將 “他”的妻子娶回了家。

巨大蟲洞的攻擊

有一位哈佛大學(xué)的物理學(xué)家投身到有關(guān)蟲洞的這場爭論中,他就是西德尼·科爾曼 (SidneyColeman)。他慢悠悠地穿過杰佛遜 (Jeferson)大廳的走廊,試圖說服那些對他最近的最新蟲洞理論持懷疑態(tài)度的人。他留著卓別林式的胡子,他的頭發(fā)像愛因斯坦那樣向后梳,他穿著超大號的運動衫,這些特征使科爾曼站在人群中鶴立雞群。他宣稱自己已解決了著名的在過去的80年里一直困擾物理學(xué)家們的宇宙常數(shù)問題。

他的工作甚至登上了《發(fā)現(xiàn)》雜志的封面,題為《平行宇宙———來自哈佛最瘋狂的物理學(xué)家的新真相》?？茽柭诳苹眯≌f上也是瘋狂的,因為他是一個十足的科幻小說迷。他甚至與人合作創(chuàng)立了降臨出版公司,出版有關(guān)科幻小說評論方面的書籍。

現(xiàn)在,科爾曼精力旺盛地忙于攻擊那些認(rèn)為科學(xué)家在我們有生之年不能證實蟲洞理論的批評家。如果我們相信索恩的蟲洞,那么我們將不得不等到有人發(fā)現(xiàn)外來物質(zhì)或者掌握了卡西米爾效應(yīng)的那一天。在那之前,我們的時間機(jī)器沒有 “引擎”,不能將我們帶回到過去。與此類似的,如果我們相信霍金的蟲洞,那么為了能在蟲洞之間穿梭,我們必須在 虛“時間”中旅行。無論是索恩的蟲洞,還是霍金的蟲洞,對于一般的理論物理 學(xué)家來說都是非常糟糕的。他們受到了 20世紀(jì)不充足的、薄弱的技術(shù)的挫折,只能夢寐以求地獲得普朗克能量。

這就是科爾曼的工作所承擔(dān)的任務(wù)。他聲稱 ,在目前而不是某個遙遠(yuǎn)的不可預(yù)知的未來 ,蟲洞可能產(chǎn)生一個明確的且可以測量的結(jié)果。正如我們前面指出的 ,愛因斯坦的方程認(rèn)為物體的物質(zhì) -能量的含量決定周圍時空的曲率。愛因斯坦想知道 ,純真空的真空空間是否含有能量 ?純真空沒有能量嗎 ?這個真空能量是用某個叫做宇宙常數(shù)的物理量來衡量的。原則上,沒有什么能阻止宇宙常數(shù)出現(xiàn)在方程中。愛因斯坦認(rèn)為 ,這一項從美學(xué)觀點看是丑陋的 ,但他不能用物理根據(jù)或者數(shù)學(xué)根據(jù)將其拋棄。

20世紀(jì) 20年代 ,當(dāng)愛因斯坦求解它的宇宙方程時 ,他非常懊惱地發(fā)現(xiàn)宇宙在不斷膨脹。當(dāng)時的人們普遍認(rèn)為 ,宇宙是靜止不變的。為了使他的方程不出現(xiàn)宇宙膨脹解 ,愛因斯坦插入了一個微小的宇宙常數(shù)到他的解中。選擇好它的數(shù)值 ,使它正好與宇宙膨脹相抵消 ,從而建立一個靜態(tài)的宇宙。1929年,哈勃天文望遠(yuǎn)鏡證明了宇宙確實在膨脹。隨后 ,愛因斯坦消除了這個宇宙常數(shù) ,并稱其為 “我一生中最大的錯誤 ”。

今天 ,我們知道宇宙常數(shù)非常接近于零。如果存在一個既小且負(fù)的宇宙常數(shù) ,引力的吸引將會極強(qiáng) ,整個宇宙將坍縮到只有幾英尺大小 (伸出你的手 ,就能抓住你面前的人 ,他恰好是你自己)。如果存在一個既小且負(fù)的宇宙常數(shù) ,引力就是排斥的 ,所有的東西都在快速飛離你。其速度甚至大于光速 ,以至你永遠(yuǎn)看不到它們發(fā)出的光。因為以上這兩種噩夢般的場景均未出現(xiàn) ,所以我們相信宇宙常數(shù)是極小的 ,甚至等于零。

這個問題在 20世紀(jì) 70年代又重新出現(xiàn) ,那時在標(biāo)準(zhǔn)模型理論和大統(tǒng)一理論中正廣泛研究對稱的破壞。每當(dāng)一種對稱被打破 ,大量的能量就倒100

進(jìn)入真空。事實上 ,充斥在真空中的能量比實驗所能觀測到的大 10倍。 “10100”毫無疑問是一個巨大的值。在物理學(xué)的任何地方 ,我們都沒看到理論和實驗有這樣大的分歧 ———理論預(yù)測對稱破壞時真空能量很大 ,而實驗測量出宇宙常數(shù)為零。這就給科爾曼的蟲洞帶來了用武之地 ,它們用以抵消對宇宙常數(shù)多余的貢獻(xiàn)。

根據(jù)霍金的理論 ,有無窮多個可供選擇的宇宙與我們的宇宙共存 ,所有的這些宇宙都被一張無限連通的蟲洞網(wǎng)連接起來。科爾曼試圖將這些無限系列的貢獻(xiàn)相加。當(dāng)這個總和求出之后 ,他發(fā)現(xiàn)了一個令人吃驚的結(jié)果:宇宙的波函數(shù)正如人們所預(yù)期的那樣傾向于零宇宙常數(shù)。假如宇宙常 數(shù)為零,其波函數(shù)將變得非常大,這意味著找到零宇宙常數(shù)的宇宙的概率非常大。此外,假如宇宙常數(shù)為非零,宇宙波函數(shù)會很快消失,這意味著發(fā)現(xiàn)多余宇宙的概率為零。這正是取消宇宙常數(shù)的理由,換句話說,宇宙常數(shù)為零。因為這是最有可能的結(jié)果。存在萬萬億個平行宇宙所帶來的唯一效果,就是保持我們宇宙的宇宙常數(shù)為零。

因為這個結(jié)果非常重要,大多數(shù)物理學(xué)家都開始投入到這個領(lǐng)域中。 “當(dāng)西德尼完成了這項工作后,每個人都跳了起來。”斯坦福物理學(xué)家倫納德·斯坎德 (LeonardSuskind)回憶道?？茽柭运湫偷膼鹤鲃〉姆绞?幽默地發(fā)表了這一潛在的重要結(jié)果。他寫道,“我不知道流沙已經(jīng)淹到了我的脖子,且很快就要將我全部淹沒。這種情境始終具有可能性?！?/p>

消除宇宙常數(shù)到10-100的可能性小到令人難以想象?？茽柭矚g生動地把這個問題的重要性強(qiáng)加給聽眾。他說,“試想,在10年時間里,你從不看自己的工資,且花掉數(shù)百萬美元。最后,當(dāng)你將自己在這10年里掙的錢與你的花銷對比時,發(fā)現(xiàn)它們收支相抵”。因此,科爾曼的計算,證明可以消掉宇宙常數(shù)到10-100是一個非常不平凡的結(jié)果。錦上添花的是,科爾曼強(qiáng)調(diào),這些蟲洞還解決了另一個難題:它們有助于確定宇宙的基本常數(shù)的值?？茽柭a(bǔ)充說,“這是一個與以前被考慮過的任何機(jī)制完全不同的機(jī)制。它是在自己的圈中飛旋的蝙蝠俠?！?/p>

但是,批評也隨之涌現(xiàn)。最持久的批評是,他假定的蟲洞是非常小的 (在普朗克長度的量級),他并未對大蟲洞求和。根據(jù)評論者的意見,大蟲洞也應(yīng)該包含在他的求和中。但是,由于我們看不見大的、可見的蟲洞,因此,他的計算似乎存在一個致命的漏洞。

科爾曼并不為這樣的批評而苦惱,他用自己慣用的方式予以回?fù)簟獮樗奈恼逻x取一些聳人聽聞的題目。為了證明大蟲洞可以在他的計算中忽略,他寫了一篇文章反駁他的批評者。文章標(biāo)題是———擺脫巨大蟲洞的威脅。當(dāng)有人問到他的標(biāo)題時,他回答說,“如果諾貝爾獎的授予是因為標(biāo)題,我早就得到諾貝爾獎了。”

如果科爾曼的純數(shù)學(xué)論證是正確的,那么,他也許給出了蟲洞是所有物理過程的基本特征的堅實實驗證據(jù),而不僅僅是癡心妄想。它意味著,把我們的宇宙與無窮多個死宇宙連接起來的蟲洞,在阻止我們的宇宙將自己包裹進(jìn)一個緊致的小球或者阻止它以令人不可思議的速度向外暴脹。在這點上,它發(fā)揮了重要作用。它還意味著,蟲洞具有使我們的宇宙保持相 對穩(wěn)定的重要特征。

但是 ,隨著科學(xué)界在普朗克長度上取得的重大進(jìn)展 ,這些蟲洞方程的終解必須等到我們能徹底理解量子引力理論之后才能得到?？茽柭脑S多方程都需要消除普遍存在于量子引力理論中的無窮大 ,這意味著必須使用超弦理論這一方法。特別地 ,我們可能還要等到能有把握地計算對這個理論的有限量子修正。許多這些奇特的預(yù)言都將等待計算工具的改進(jìn)。

正如我們所強(qiáng)調(diào)的 ,問題主要在理論上。我們尚不具備解決這些明確難題的數(shù)學(xué)能力。這些方程在黑板上看著我們 ,但我們卻沒有辦法得到它們的嚴(yán)格的有限解。一旦物理學(xué)家對在普朗克能量尺度上的物理有了更好的認(rèn)識 ,一個全新的概率宇宙就會從此開始。任何人或任何文明如果掌握了在普朗克長度發(fā)現(xiàn)的能量 ,將成為所有基本力的主人。這是我們將要進(jìn)行的下一個主題 ———什么時候我們才能成為超空間的主人 ?