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        第四次哥白尼革命

        2018-11-30 07:47:32編譯思羽
        世界科學(xué) 2018年11期
        關(guān)鍵詞:星系尺度宇宙

        編譯 思羽

        我們的宇宙是群島的一個(gè)島嶼?

        太陽形成于45億年前,但它要繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱60多億年后會(huì)油盡燈枯。太陽到時(shí)候會(huì)爆燃起來,吞沒內(nèi)行星。膨脹的宇宙會(huì)繼續(xù)這個(gè)勢(shì)頭——大概會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去——注定會(huì)變得更加冷、更加空。引用一句伍迪·艾倫的話,永恒是十分漫長的,尤其是通向終點(diǎn)時(shí)。

        見證太陽終結(jié)的任何生物都不會(huì)是人類,那些生物與我們的差別會(huì)像我們和蟲子的差異一般大。后人類的進(jìn)化(在地球上和地球以外的遠(yuǎn)方)可能像達(dá)爾文進(jìn)化(導(dǎo)致人類誕生)一樣漫長,甚至更為奇妙。進(jìn)化會(huì)加速;進(jìn)化的發(fā)生可能通過技術(shù)時(shí)序表上的“智能設(shè)計(jì)”,其速度比自然選擇快許多,受到遺傳學(xué)和人工智能(AI)領(lǐng)域進(jìn)展的驅(qū)動(dòng)。長期的未來大概屬于電子“生命”,而不是有機(jī)“生命”。

        以宇宙學(xué)術(shù)語(或者更確切地是從達(dá)爾文主義的時(shí)間框架)來說,1 000年只是一瞬間。所以,讓我們“快進(jìn)”到不只是數(shù)個(gè)世紀(jì),或者數(shù)千年的程度,而是“快進(jìn)”到比它長了數(shù)百萬倍的“天文學(xué)”時(shí)序表。在我們的星系中,星球誕生和死亡的“生態(tài)”會(huì)逐漸變得更加緩慢,直到被銀河系與仙女座星系發(fā)生碰撞的“環(huán)境沖擊”震動(dòng)到,那可能發(fā)生在40億年之后。我們的星系、仙女座星系和比它們小的同伴(如今構(gòu)成了被稱為本星系群的東西)的殘骸隨后會(huì)匯聚成一大群無定形的恒星。

        但是在宇宙尺度上,萬有引力被一股潛伏于空曠太空的神秘力量完全蓋過,那股力量推動(dòng)各個(gè)星系遠(yuǎn)離彼此。星系加速遠(yuǎn)離,消失在視界外,很像是物體落入黑洞中的翻轉(zhuǎn)版本。在1000億年之后,留在視野中的東西將會(huì)只有本星系群中死亡和垂死的恒星。但那些能延續(xù)數(shù)萬億年的星球,或許有足夠的時(shí)間讓生命系統(tǒng)獲得復(fù)雜性和“負(fù)熵”,達(dá)到頂點(diǎn)。所有曾經(jīng)存在于恒星和氣體中的原子能夠轉(zhuǎn)換成細(xì)微復(fù)雜的結(jié)構(gòu),復(fù)雜程度堪比生命體或硅晶片——不過是在宇宙尺度上。在昏暗化的背景下,質(zhì)子可能衰變,暗物質(zhì)粒子湮滅,當(dāng)黑洞蒸發(fā)和寂靜下來時(shí),偶爾出現(xiàn)閃光。

        1979年,弗里曼·戴森(Freeman Dyson)發(fā)表了一篇如今已是經(jīng)典的論文,旨在“建立宇宙命運(yùn)的數(shù)值邊界”。即使所有物質(zhì)以最理想的方式轉(zhuǎn)化成一臺(tái)計(jì)算機(jī)或超級(jí)智能,它可以處理的信息是否存在限制?是否能思考無限數(shù)量的想法?答案要視宇宙學(xué)而定。在低溫條件下,執(zhí)行計(jì)算耗費(fèi)較少的能量。對(duì)于我們似乎處于其中的這個(gè)宇宙,戴森得出的界限會(huì)是有限的,但假如“思考者”處于涼爽環(huán)境,進(jìn)行緩慢的思考,那么界限將會(huì)最大化。

        我們對(duì)于空間和時(shí)間的了解是不完備的。愛因斯坦的相對(duì)論(描述引力和宇宙)和量子原理(對(duì)于從原子尺度上理解事件至關(guān)重要)是20世紀(jì)物理學(xué)的兩大支柱,然而統(tǒng)一二者的理論仍然是未完成之事。當(dāng)前的學(xué)術(shù)思想暗示:是否能取得進(jìn)展取決于能否完全理解看起來也許是世上最簡單的實(shí)體——“純粹”的空曠空間(真空),這是世間所有事情發(fā)生的場(chǎng)所;它也許有豐富的結(jié)構(gòu),但在尺度上比一個(gè)原子小了一秭(1024)倍。根據(jù)弦論,假若以這種放大方式來審視,普通空間中的每個(gè)“點(diǎn)”都可以展現(xiàn)為多個(gè)額外維度下的緊密褶皺的折紙。雖然存在競爭的理論,但那些理論也要借助相同的小尺度。

        相同的基本規(guī)律適用于我們用望遠(yuǎn)鏡觀察的整個(gè)范圍。假如不是這樣,假如原子在行為上“雜亂無章”,我們會(huì)在理解可觀測(cè)的宇宙上毫無進(jìn)展。但我們所能觀測(cè)的范圍也許不是全部的物理實(shí)體(physical reality);一些宇宙學(xué)家推測(cè),“我們”的宇宙大爆炸不是唯一的一次,物理實(shí)體足夠宏大,能夠包容整個(gè)“多重宇宙”。

        我們僅能看見有限的容量,即有限數(shù)量的星系。這基本上是因?yàn)榈仄骄€的存在,地平線是包裹我們的外殼,描繪出光從遠(yuǎn)方達(dá)到我們的最遠(yuǎn)距離。但如果你在海洋的中央,那層外殼就沒有更多物理意義,只是描述出你的視野的圓圈。就連保守的天文學(xué)家也確信:我們的天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的時(shí)空范圍(天文學(xué)家按照慣例稱之為“宇宙”)僅僅是大爆炸產(chǎn)物的極小部分。我們預(yù)計(jì):在地平線之外有著更多的星系,那些星系是我們無法觀測(cè)到的,其中每一個(gè)星系(以及其中的任何智慧生命)將會(huì)像我們的星系一樣演化。

        有一個(gè)令人熟悉的想法是說,假如有足夠數(shù)量的猴子給予足夠的時(shí)間,它們終將會(huì)寫出莎士比亞的著作(當(dāng)然還有所有其他書籍,以及每一條能想象出來的連篇廢話)。這種表述從數(shù)學(xué)角度是正確的。但是,在最后的成功之前的“失敗”數(shù)量會(huì)是有著大約1 000萬位的數(shù)字,而可見宇宙的原子數(shù)量也只有80個(gè)數(shù)位。假如我們星系中的所有行星上爬滿猴子,這些猴子從第一批行星形成起就一直在打字,那么它們頂多能打出一首十四行詩(它們敲出的東西會(huì)包括所有世界文學(xué)中連貫的只言片語,但不會(huì)有一部完整的作品)。要生成像一本書這么長的特定的字母組合是極其不可能,在可觀測(cè)的宇宙中,甚至連一次都不會(huì)發(fā)生。當(dāng)我們拋下骰子,我們最終會(huì)得到長長的一連串的6,但(除非它們被做過手腳)我們不會(huì)預(yù)期接連拋出100多個(gè)6,就算我們連續(xù)拋上10億年的骰子,也是如此。

        然而,假如宇宙延伸得足夠遠(yuǎn),任何事都可能發(fā)生,在我們地平線之外的遠(yuǎn)方某處,甚至可能有一個(gè)地球的副本。這就要求太空是非常龐大的,不僅僅是用100萬個(gè)數(shù)位的數(shù)字來描述,而是要用10100個(gè)數(shù)位的數(shù)字來描述,也就是1后面跟著100個(gè)零。10的100次方被稱為古戈?duì)枺╣oogol),有著1個(gè)古戈?duì)柕牧愕臄?shù)字被稱為古戈?duì)柶绽湛怂梗╣oogolplex)。

        給予充足的空間和時(shí)間,在某個(gè)地方會(huì)發(fā)生所有可能的系列事件,盡管幾乎所有這些事件都在遠(yuǎn)離我們能觀測(cè)的任何范圍。考慮所有可能的選擇,綜合選項(xiàng)可以包括我們自身的副本。只要有需要做出一項(xiàng)選擇,就有一個(gè)副本接受每一種抉擇。你也許感覺你做出的一項(xiàng)選擇是“定好的”。但這可能是種慰藉,在遙遠(yuǎn)的某處(遠(yuǎn)離我們的觀測(cè)視界),你有個(gè)替身已經(jīng)做出相反的抉擇。

        所有這些都能包含在“我們的”大爆炸的事后產(chǎn)物中,它能夠延伸到極其龐大的范圍。但不僅如此,我們按照慣例稱為“宇宙”的東西,即“我們的”大爆炸的事后產(chǎn)物也許只是無限群島的一個(gè)孤島,只是整個(gè)時(shí)空的一部分。也許存在多次大爆炸,而不是僅僅一次。這種“多重宇宙”的每一部分可能以不同的方式冷卻,也許最終受到不同規(guī)律的支配。正如地球是無數(shù)星球中一顆十分特別的行星;同樣的,在極其宏大的尺度上,我們的大爆炸也可能是一次相當(dāng)特別的大爆炸。在這種巨大擴(kuò)張的宇宙視角下,愛因斯坦和量子的規(guī)律可能僅僅是支配我們宇宙的狹義定律。所以,空間和時(shí)間不但在亞微觀尺度上有著復(fù)雜的“粒狀結(jié)構(gòu)”,而且在另一個(gè)極端尺度(遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過天文學(xué)家所能探測(cè)的尺度)它可能也有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu),類似于稻米生態(tài)系統(tǒng)中的動(dòng)物群。我們目前對(duì)物理實(shí)體的概念可能相對(duì)于整體而言是局限的,就像將一匙水視為“宇宙”的浮游生物對(duì)于地球的看法。

        碰撞路線:銀河系與仙女座星系注定會(huì)發(fā)生碰撞,類似于NGC 2207星系和IC 2163星系之間的碰撞,這是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍下的照片

        四次革命的第一次?第一次哥白尼革命將地球從太陽系中心的位置移除,第二次哥白尼革命確認(rèn)我們的星系有許多行星,第三次哥白尼革命確認(rèn)可觀測(cè)宇宙中有許多星系。證明了我們的宇宙是許多宇宙的一個(gè)則象征第四次哥白尼革命

        這可能是真的嗎?21世紀(jì)物理學(xué)的一大挑戰(zhàn)是要回答兩個(gè)問題。首先,是否存在多次“大爆炸”而不是一次?其次(這個(gè)問題甚至更有趣),如果存在多次大爆炸,它們是否都受到相同物理學(xué)的支配?

        如果我們?cè)诙嘀赜钪嬷校@會(huì)意味著第四次、也是最重大的哥白尼革命;我們?cè)缫呀?jīng)歷過哥白尼革命,意識(shí)到我們的星系中有數(shù)十億個(gè)行星系;然后意識(shí)到我們觀測(cè)到的宇宙中有數(shù)十億個(gè)星系。但如今這些并非全部,天文學(xué)家能觀測(cè)的宇宙全景可能只是“我們的”宇宙大爆炸產(chǎn)物的極小部分,而這次大爆炸本身可能僅僅是無數(shù)大爆炸的一次而已。

        乍看起來,平行宇宙的概念可能似乎太過神秘,而沒有任何實(shí)際影響。但它可能(以其中一個(gè)變種)實(shí)際上提供了一種嶄新的計(jì)算機(jī)前景:即量子計(jì)算機(jī);量子計(jì)算機(jī)通過分享平行宇宙的幾乎無限的計(jì)算負(fù)擔(dān),能在實(shí)質(zhì)上超越最快數(shù)字處理器的極限。

        50年前,我們還不確定是否曾經(jīng)發(fā)生過宇宙大爆炸。譬如說,我在劍橋大學(xué)的導(dǎo)師弗雷德·霍伊爾(Fred Hoyle)就質(zhì)疑宇宙大爆炸的概念,偏愛一種恒穩(wěn)不變的“穩(wěn)態(tài)”宇宙(他從始至終都沒有完全轉(zhuǎn)變想法,在他的晚年,他擁護(hù)折中的想法,也許稱之為“穩(wěn)態(tài)大爆炸”)。如今我們有了充足的證據(jù),尤其是來自對(duì)原始背景輻射和大爆炸最初3分鐘內(nèi)生成的氫、氦和氘元素相對(duì)豐度的測(cè)量結(jié)果,憑此能描繪出宇宙的歷史,追溯第一納秒時(shí)超致密的宇宙狀態(tài),我們進(jìn)行這番描繪的自信足以媲美地質(zhì)學(xué)家推論出地球的早期歷史。于是,在未來的50年里,希望我們可能擁有“統(tǒng)一的”物理學(xué)理論,通過日常世界的實(shí)驗(yàn)和觀察予以確證,這種希望并非過分樂觀。統(tǒng)一的物理學(xué)理論足以描述宇宙在10-36秒時(shí)發(fā)生的事,當(dāng)時(shí)的宇宙密度和能量遠(yuǎn)高于當(dāng)前物理學(xué)理論應(yīng)用的范圍。如果未來的理論預(yù)測(cè)出多重的大爆炸,我們應(yīng)該慎重地看待那個(gè)預(yù)測(cè),即使它不可能以直接的方式證實(shí)(正如我們相信愛因斯坦理論告訴我們關(guān)于無法觀測(cè)的黑洞內(nèi)部,因?yàn)檫@項(xiàng)理論已經(jīng)通過我們能觀測(cè)的領(lǐng)域內(nèi)的眾多測(cè)試)。

        于是,到21世紀(jì)末,我們也許能夠提問:我們是否生活在多重宇宙中,“宇宙”有多少類型。這個(gè)問題的答案將會(huì)決定:我們?nèi)绾卫斫馕覀兩畹摹吧鷳B(tài)友善”的宇宙(與我們有朝一日能夠聯(lián)絡(luò)的任何外星生命一起分享這個(gè)宇宙)。

        我出版于1997年的著作《開始之前》(Before the Beginning)推測(cè)了多重宇宙的存在。書中論據(jù)的一部分是受到我們宇宙似乎“親生命”(biophilic)和調(diào)試完美的特征的啟發(fā)。假如物理實(shí)體涵蓋了整個(gè)宇宙,各個(gè)宇宙的基本常數(shù)和規(guī)律“有所變化”,那么這點(diǎn)不會(huì)引起驚訝。大多數(shù)宇宙會(huì)夭折或荒涼,但我們會(huì)發(fā)覺自己身處在一個(gè)宇宙中,其規(guī)律允許出現(xiàn)復(fù)雜性。支撐這個(gè)想法的是20世紀(jì)80年代的“宇宙暴脹”理論,對(duì)于我們觀測(cè)到的整個(gè)宇宙如何從微觀尺度的事件“快速生成”,這項(xiàng)理論提供了新穎的見解。當(dāng)弦論專家開始偏好存在多個(gè)不同真空的可能性,每種真空是受到不同規(guī)律支配的微觀物理學(xué)的場(chǎng)所,這個(gè)理論獲得進(jìn)一步的嚴(yán)肅關(guān)注。

        從那時(shí)起,我就在仔細(xì)審視這種學(xué)術(shù)觀點(diǎn)的轉(zhuǎn)變和這些想法(必須承認(rèn)是猜測(cè)性的)的出現(xiàn)。2001年,我?guī)椭M織了一場(chǎng)這個(gè)主題的學(xué)術(shù)會(huì)議。會(huì)議在劍橋召開,但不在劍橋大學(xué)。我在自己的家里主持了這場(chǎng)學(xué)術(shù)會(huì)議,我的家是劍橋市邊上的一所農(nóng)舍,一間改造后的谷倉為我們的學(xué)術(shù)討論提供了相當(dāng)樸素的地點(diǎn)。若干年后,我們召開了一次后續(xù)會(huì)議;會(huì)議地點(diǎn)十分不同:是在三一學(xué)院的一間相當(dāng)莊重的房間,講臺(tái)后面掛著牛頓的畫像(牛頓是三一學(xué)院最著名的校友)。

        理論物理學(xué)家弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek)參加了這兩次會(huì)議。他在學(xué)生時(shí)參與了闡述粒子物理學(xué)“標(biāo)準(zhǔn)模型”的工作,憑此為人熟知。當(dāng)他在第二次會(huì)議上講話時(shí),他對(duì)比了兩次會(huì)議上的氛圍。他形容第一場(chǎng)會(huì)議的物理學(xué)家是荒野中的“邊緣”聲音,多年以來,這些物理學(xué)家宣傳關(guān)于基本常數(shù)和另類宇宙的古怪主張,他們關(guān)注的領(lǐng)域和研究方式似乎與理論物理學(xué)的共識(shí)前沿不同,因?yàn)槔碚撐锢韺W(xué)忙碌于如何成功構(gòu)建獨(dú)特和數(shù)學(xué)上完美的宇宙。但是在第二次會(huì)議上,他注意到“前沿已經(jīng)大步前進(jìn),加入到荒野中的先知隊(duì)伍里”。

        數(shù)年后,我是斯坦福大學(xué)的專家組成員,擔(dān)任主席的天文學(xué)家鮑勃·科什納(Bob Kirshner)問我們:“以程度來說,‘你會(huì)用你的金魚、你的狗還是你的性命打賭’,你對(duì)于多重宇宙概念有多少自信?”我說,我差不多到拿狗來打賭的程度。俄羅斯裔宇宙學(xué)家安德烈·林德(Andrei Linde)已經(jīng)花費(fèi)25年時(shí)間宣傳“永恒暴脹”理論,他說自己幾乎會(huì)賭上性命。后來,聽說這段軼事后,杰出的理論物理學(xué)家史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)說,他會(huì)開心地賭下馬丁·里斯的狗和安德烈·林德的性命。

        在這件事塵埃落定之前,安德烈·林德、我的狗和我都會(huì)死去。多重宇宙不是形而上學(xué),它是高度推測(cè)性的理論,是令人激動(dòng)的科學(xué),而且它也許是真的。

        資料來源 Nautilus

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