多重宇宙歡迎您

布萊恩·格林++晨飛

阿爾伯特·愛因斯坦曾經(jīng)說過：“我真正感興趣的是上帝在創(chuàng)造世界時(shí)是否有所選擇?！边@是他特有的詩情畫意式的語言，他的意思是說，我們的宇宙是不是唯一可能的宇宙。

一提到上帝，人們很容易產(chǎn)生誤讀，因?yàn)閻垡蛩固沟膯栴}并非神學(xué)問題。其實(shí)，愛因斯坦是想知道，根據(jù)物理定律是否必然能產(chǎn)生我們這個(gè)獨(dú)特的宇宙，里面充滿了星系、恒星和行星;或者說，像汽車經(jīng)銷商每年推出新車型一樣，物理定律是否會(huì)讓宇宙具有大量不同的特色？如果事情果真如此，那么我們通過強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡和巨型粒子碰撞機(jī)所了解到的宏偉現(xiàn)實(shí)是不是某種隨機(jī)過程產(chǎn)生的結(jié)果？或者說宇宙這枚骰子在拋出時(shí)是不是選擇了某些可能的特色？或者說宇宙的現(xiàn)狀還有更深層次的解釋？

在愛因斯坦的那個(gè)時(shí)代，說我們的宇宙本不該如此這樣的話，對物理學(xué)家來說是莫名其妙的一件事，他們只會(huì)在完成一天的正經(jīng)研究任務(wù)、很消停的時(shí)候，玩弄這樣的話題?？墒牵鼇磉@個(gè)問題從物理學(xué)的邊緣地帶轉(zhuǎn)移到了主流;不僅如此，支持三大獨(dú)立發(fā)展觀的物理學(xué)家不只想象我們的宇宙本來會(huì)有不同的特性，他們還認(rèn)為，除了我們的宇宙之外還有其他宇宙，大多由不同的粒子構(gòu)成，受制于不同的力，形成一個(gè)令人瞠目結(jié)舌的大宇宙。

這個(gè)大宇宙被人們稱為多重宇宙，這是過去幾十年里物理學(xué)界出現(xiàn)的一個(gè)最為極化的概念，在學(xué)者中間激起熱烈的爭論。其中有些人認(rèn)為這是我們理解宇宙的第二個(gè)階段，而其他人聲稱這純屬胡言亂語，是認(rèn)識(shí)的扭曲，是理論家恣意想象的結(jié)果。

那么到底怎樣？我們?yōu)槭裁磿?huì)在意？要想找到答案，首先就得討論宇宙大爆炸。

探尋這次爆炸本身

1915年，愛因斯坦發(fā)表了他最重要的研究成果：廣義相對論。這是他整整十年辛勤探討引力問題的高潮。廣義相對論富于奇跡般的數(shù)學(xué)美，為極其精準(zhǔn)地解釋從行星運(yùn)動(dòng)到星光軌跡等宇宙間的一切提供所需的公式。

用了短短的幾年工夫，愛因斯坦通過其他數(shù)學(xué)分析得出結(jié)論，認(rèn)為宇宙本身在膨脹，使得星系彼此分離。起先，他雖然強(qiáng)烈抗拒自己的理論所具有的這種令人吃驚的含義，但是1929年，美國偉大的天文學(xué)家愛德溫·哈勃對深空的觀測結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。不久之后，科學(xué)家推論，如果空間在膨脹，那么回溯早先的宇宙就會(huì)越來越小，然后到了久遠(yuǎn)過去的某個(gè)時(shí)刻，我們現(xiàn)在能夠看到的一切——構(gòu)成每個(gè)行星、每個(gè)恒星、每個(gè)星系，甚至構(gòu)成空間本身的所有成分——一定被壓縮成極其小的一個(gè)點(diǎn)，就是這個(gè)點(diǎn)的膨脹演化出了我們所認(rèn)識(shí)的宇宙。

大爆炸理論誕生了。在這之后的幾十年里，這個(gè)理論勢不可擋，不斷得到觀測數(shù)據(jù)的支持。然而，科學(xué)家意識(shí)到，這個(gè)大爆炸理論有一個(gè)重大缺陷，它省略了這個(gè)爆炸本身。愛因斯坦的公式極其成功地描述了這個(gè)爆炸之后一瞬間如何演變出這個(gè)宇宙，但是把他的這些公式運(yùn)用于這個(gè)宇宙最早那一瞬間的極端環(huán)境時(shí)卻產(chǎn)生了故障（就像計(jì)算器在運(yùn)算1除以0時(shí)得到的錯(cuò)誤信息那樣

吧？），因此這個(gè)大爆炸無法讓人深刻地認(rèn)識(shí)這個(gè)爆炸本身的動(dòng)力。

產(chǎn)生火力的燃料

20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家阿蘭·古斯提出了宇宙大爆炸的一個(gè)增強(qiáng)版，叫作膨脹宇宙學(xué)，大有填補(bǔ)這個(gè)關(guān)鍵空白之勢。這個(gè)提議的核心部件是一種假設(shè)的宇宙燃料：如果集中在一個(gè)微小的區(qū)域，這種燃料會(huì)讓空間產(chǎn)生短暫且巨大的外推力——一次爆炸，而且是一次巨大的爆炸。事實(shí)上，數(shù)學(xué)計(jì)算表明，這次爆炸非常劇烈，就連量子領(lǐng)域里的微小顫動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生極其巨大的伸展力，順利地穿越空間，就像過度拉伸的彈性纖維一樣，呈現(xiàn)出它的結(jié)構(gòu)模式，產(chǎn)生一個(gè)溫度微弱變化的精確圖案，在整個(gè)夜空中展現(xiàn)微熱的點(diǎn)和微冷的點(diǎn)。20世紀(jì)90年代初，美國航空航天局的宇宙微波背景探索衛(wèi)星首次探測到這些溫度變化，為項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人約翰·馬瑟爾和喬治·斯穆特贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。

數(shù)學(xué)分析引人注目，它也揭示出宇宙的膨脹會(huì)隨時(shí)補(bǔ)充其燃料，其效率非常高，燃料耗盡的情況幾乎不可能。這正是多重宇宙的入口。也就是說，大爆炸不可能是一種獨(dú)特事件。它的燃料不僅給爆炸提供動(dòng)力產(chǎn)生我們這個(gè)膨脹的王國，也會(huì)為無數(shù)其他爆炸提供動(dòng)力，而這些其他的爆炸個(gè)個(gè)都會(huì)產(chǎn)生自己獨(dú)立的膨脹宇宙。那么，我們的宇宙就是多重宇宙這個(gè)宇宙泡泡浴中逐漸膨脹的一個(gè)泡沫。

這個(gè)前景非常引人矚目。這種觀點(diǎn)如果正確，那么它將給宇宙一長串的重新評估提供一塊壓頂石。我們曾經(jīng)以為我們的地球是一切的中心，后來認(rèn)識(shí)到它只不過是圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的許多行星之一，然后我們又了解到我們的太陽處于銀河系的邊緣，另外還有數(shù)不清的恒星，然后又意識(shí)到宇宙中還有無數(shù)其他星系?，F(xiàn)在膨脹宇宙學(xué)提出，我們這個(gè)擁有無數(shù)星系、恒星和行星的宇宙可能只是構(gòu)成一個(gè)大宇宙的許多小宇宙之一。

然而，先行者安德烈·林德與亞歷山大·維蘭金20世紀(jì)80年代提出多重宇宙時(shí)，物理學(xué)界的同仁只是聳聳肩膀而已。那些其他的宇宙即使存在，也處于我們能夠觀察的范圍之外，所以我們只能接近我們這個(gè)宇宙。在當(dāng)時(shí)來看，顯然它們不影響我們，我們也不影響它們，井水不犯河水;那么，其他宇宙在科學(xué)方面能對致力解釋我們看到的世界發(fā)揮什么作用？

由于抱著這樣一種心態(tài)，這方面的研究停滯了大約10年;然后，一項(xiàng)令人吃驚的天文學(xué)觀察暗示了這個(gè)問題的答案。

暗能量之謎

雖然說發(fā)現(xiàn)空間在膨脹具有革命性，但是關(guān)于膨脹有一個(gè)方面幾乎每個(gè)人都認(rèn)為是想當(dāng)然的。正如地球引力的作用會(huì)使上拋的球減速，每個(gè)星系對其他星系的拉力同樣會(huì)使空間的膨脹減速。

20世紀(jì)90年代，兩個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)著手測量宇宙減速的速率。通過對遙遠(yuǎn)星系多年的苦心觀測，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)收集到了空間膨脹速度如何隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)分析之后，大家都大吃一驚：膨脹速度非但沒有降低，反而從70億年前就加快了，從此以后一直在增速。這就好似向空中投球，最先曾經(jīng)減速，但是隨后更快地躥向空中。

全球的科學(xué)家都競相來解釋宇宙膨脹的加速問題。是什么力使得每個(gè)星系都在越來越快地離開其他星系？在我們看來，最好的答案來自愛因斯坦的一個(gè)老觀點(diǎn)。我們都習(xí)慣于引力只干一件事：使物體相互吸引。但是，在愛因斯坦的廣義相對論里，引力還能干別的事：它能夠使物體相互推斥。怎樣推斥？像月球、地球和太陽這樣的我們熟悉的物體，它們的引力當(dāng)然是吸引。可是，愛因斯坦的公式表明如果空間里有其他什么，不是一團(tuán)一塊的物質(zhì)，而是我們看不見的能量，有點(diǎn)兒像空間中均勻散布的隱形薄霧那樣，那么這種能霧產(chǎn)生的引力就可能是推斥的。

這正是我們解釋那些現(xiàn)象所需的。一種充滿空間的隱形能霧（我們現(xiàn)在稱之為暗能量）產(chǎn)生的這種斥力使得星系之間相互推斥，使膨脹速度加快，而不是降低。

可是，這里發(fā)生了一個(gè)故障。當(dāng)天文學(xué)家推導(dǎo)出空間需要滲透多少暗能量才可解釋他們觀測到的宇宙加速時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)有一個(gè)數(shù)字誰也無法解釋，甚至連近似于解釋也做不到——用相關(guān)的單位表示，這種暗能量密度極其微?。?.38×10-123。

與此同時(shí)，研究人員試圖運(yùn)用物理定律計(jì)算暗能量，所得的結(jié)果很典型，超過了100個(gè)數(shù)量級(jí)。這也許是科學(xué)史上觀察與理論之間最大的錯(cuò)配。

這就引起人們一定程度的深思。

物理學(xué)家長期以來一直相信，只要付出辛勤勞動(dòng)，通過實(shí)驗(yàn)和勤奮的計(jì)算，現(xiàn)實(shí)的基本結(jié)構(gòu)沒有什么細(xì)節(jié)得不到科學(xué)的解釋。當(dāng)然，許多細(xì)節(jié)仍然缺乏解釋，比如電子和夸克這類粒子的質(zhì)量總有一天會(huì)被科學(xué)家計(jì)算出來。

在解釋暗能量方面遭受的慘敗，使人們對這種自信產(chǎn)生了懷疑，促使有些物理學(xué)家尋求徹底不同的解釋方法，即（又一次）暗示多重宇宙的可能存在。

多重宇宙方案

這個(gè)新方法的科學(xué)根源可上溯到1 7世紀(jì)早期，當(dāng)時(shí)偉大的天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開普勒著迷于理解一個(gè)不同的數(shù)字：太陽與地球之間148800000千米的距離。開普勒掙扎了好幾年，想解釋這個(gè)數(shù)字，但一直沒能做到，從我們現(xiàn)代的角度來看，理由顯而易見。我們現(xiàn)在知道，有許許多多行星在許許多多的不同距離圍繞著它們的恒星運(yùn)行，展示了開普勒探索中面臨的悖論，物理定律不會(huì)把任何具體的距離當(dāng)作特殊情況對待，而地球與太陽之間的距離之所以不同，是因?yàn)樗a(chǎn)

生了適合于生命存在的條件：我們要是更靠近太陽或更遠(yuǎn)離太陽，隨之產(chǎn)生的極端溫度就不能讓生命在這里落腳。所以，開普勒在徒勞無益地尋找地日距離的基本解釋，我們?nèi)祟愒谶@樣一個(gè)距離存在已經(jīng)有了一個(gè)解釋。

在尋求解釋暗能量值時(shí)，也許我們犯了跟開普勒同樣的錯(cuò)誤。我們的最佳宇宙理論——膨脹理論——自然產(chǎn)生了其他宇宙。那么，也許有許多行星以許多不同距離圍繞自己的恒星運(yùn)行，也許有許多宇宙包含許多不同量的暗能量。如果真是如此，要求物理定律解釋暗能量的某個(gè)值就跟試圖解釋某個(gè)具體的行星到宿主星的距離一樣誤入歧途。而正確的問題應(yīng)當(dāng)這樣問：我們?nèi)祟悶槭裁窗l(fā)現(xiàn)自己生存于一個(gè)擁有如此這般暗能量的宇宙中，而不是其他任何一種情況呢？

這個(gè)問題我們能夠?qū)Ω?。在擁有更大量暗能量的宇宙里，只要物質(zhì)試圖凝結(jié)成星系，暗能量的推斥力都會(huì)非常強(qiáng)大，可以使凝團(tuán)爆炸，從而阻撓星系的形成。在暗能量值小得多的宇宙里，這種推斥力變成一種吸引力，使得那些宇宙迅速坍縮，因而不能形成星系。如果沒有了星系，也就沒有了恒星、行星，我們這樣的生命形式也因此不可能存在于那些宇宙之中。

所以，我們發(fā)現(xiàn)自己生存于這個(gè)宇宙而不是另外一個(gè)宇宙，原因很簡單，就像我們發(fā)現(xiàn)自己生存于地球上而不是海王星上，因?yàn)檫@里的條件正好符合我們這種生命形式。

即便我們觀測不到其他宇宙，它們的存在還是在發(fā)揮科學(xué)的功能：多重宇宙為解開暗能量之謎提供了答案，使我們觀測到的數(shù)量得以理解。或者說，倡導(dǎo)多重宇宙說的人這樣認(rèn)為。

很多人覺得這種解釋不能令人滿意、愚蠢，甚至讓人反感，他們認(rèn)為科學(xué)就是要給出確定精確的量的解釋，而非“正是如此”之類的故事。

但從根本上說，相比之下，如果你正竭力解釋的這個(gè)特點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)景觀里能夠擁有而且具有大量不同數(shù)值的話，那么為每一個(gè)值尋找一個(gè)確定的解釋就是執(zhí)迷不悟。在眾行星圍繞各自恒星運(yùn)行的情況下，要想預(yù)測行星與其宿主恒星的確定距離是根本行不通的，因?yàn)橛性S多可能的距離;如果我們屬于一個(gè)多重宇宙的一部分，要想預(yù)測暗能量的確切值同樣行不通，因?yàn)榭赡苡性S多的可能值。

這種多重宇宙并不改變科學(xué)方法或降低解釋標(biāo)準(zhǔn)。但是，它的確要求我們重新審視自己是否錯(cuò)誤地提出了錯(cuò)誤的問題。

懸于弦

當(dāng)然，要想使這種方法獲得成功，我們必須確保多重宇宙暗能量的許多不同值當(dāng)中就有我們測得的那一個(gè)。就在這個(gè)節(jié)骨眼上，出現(xiàn)了第三條研究路線：弦理論。

弦理論試圖實(shí)現(xiàn)愛因斯坦的夢想，即找到一個(gè)能夠?qū)⑺匈|(zhì)量和力縫合到一片數(shù)學(xué)織錦上去的“統(tǒng)一理論”。該理論最初形成于20世紀(jì)60年代晚期，設(shè)想每個(gè)基本粒子的最里層是一種微小的、顫動(dòng)的、似弦的能絲。就像小提琴的琴弦那樣，不同的顫動(dòng)模式得到不同的音符，這些微小的弦產(chǎn)生的不同振動(dòng)模式會(huì)產(chǎn)生不同種類的粒子。

這個(gè)話題的先驅(qū)曾經(jīng)預(yù)期，弦理論嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)建筑很快會(huì)得出一套明確的可檢驗(yàn)的預(yù)測。但是數(shù)年已過，仔細(xì)分析該理論的公式，你會(huì)發(fā)現(xiàn)解決方案眾多，各自代表一個(gè)不同的可能宇宙，而且“眾多”意味著很多很多。今天，可能宇宙的計(jì)數(shù)已經(jīng)達(dá)到幾乎無法理解的10500個(gè)，這個(gè)數(shù)字太大，無法類推。有些對弦理論的倡導(dǎo)者來說，未能得出像我們這樣的一個(gè)獨(dú)特宇宙的這種慘敗，真可謂是致命的一擊。但是，對推行多重宇宙理論的人來說，弦理論可能宇宙的巨大多樣性至關(guān)重要。

只有鞋店存貨充足，你才能保證找到你自己的號(hào);所以，只有儲(chǔ)備豐富的多重宇宙才能保證我們這個(gè)具有獨(dú)特暗能量的宇宙入圍。膨脹宇宙學(xué)只靠自己是達(dá)不到目的的。雖然說它那一長串沒有盡頭的大爆炸會(huì)產(chǎn)生巨量的宇宙，許多會(huì)有類似的特點(diǎn)，就像鞋店一樣，這個(gè)號(hào)一大堆，那個(gè)號(hào)也一大堆，但就是沒有你要找的那個(gè)號(hào)。

然而，如果將膨脹宇宙學(xué)與弦理論結(jié)合起來，宇宙的儲(chǔ)藏室就盛不下了：在膨脹宇宙學(xué)那里，弦理論極其多樣的可能宇宙成為現(xiàn)實(shí)宇宙，一個(gè)大爆炸接著一個(gè)大爆炸，隨即誕生這些宇宙，我們的宇宙也保證就在其中，且因?yàn)橛辛宋覀冞@種生命形式所需的特點(diǎn)，就成為我們居住的宇宙。

高風(fēng)險(xiǎn)的科學(xué)

許多年前，卡爾·薩根曾強(qiáng)調(diào)，非同尋常的觀點(diǎn)需要非同尋常的證據(jù)。那我們能夠收集到支持一種理論而又引發(fā)其他宇宙的證據(jù)嗎？因?yàn)槠渌钪鏁?huì)超出我們觀察的范圍，如果把多重宇宙置于科學(xué)范疇之外，那么似乎答案是否定的。但是不要這么心急。即使支持一種觀點(diǎn)的證據(jù)的某些重要特征無法觀測得到，這樣的證據(jù)仍然能夠收集到。

比如說黑洞。即使什么也逃不出黑洞的內(nèi)部，就連光也不例外，使得這些區(qū)域無法觀測，但是科學(xué)家一般在使用廣義相對論討論黑洞內(nèi)部會(huì)發(fā)生什么時(shí)都很有信心，其理由是：一種理論，如果它能對我們觀察到的事物進(jìn)行大量準(zhǔn)確的預(yù)測，比如廣義相對論，我們自然會(huì)產(chǎn)生信心，認(rèn)為它也能預(yù)測我們觀測不到的事物。

同樣，如果產(chǎn)生多重宇宙的理論能對我們觀察到的事物一再做出正確的預(yù)測，從而得到我們的信任，那么我們對它預(yù)測我們不能到達(dá)的其他宇宙的信心自然也會(huì)增強(qiáng)。

截至今天，我們遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有跨過這個(gè)門檻。膨脹宇宙學(xué)準(zhǔn)確預(yù)測了微波背景輻射，暗能量準(zhǔn)確解釋了膨脹的加速。但是，弦理論仍然屬于假說，主要是因?yàn)槠浠镜膮^(qū)別性特征即使利用今天最強(qiáng)大的加速器也難以探測得到，它只有在我們能夠探測的數(shù)十億分之一規(guī)模時(shí)才能顯現(xiàn)。

多重宇宙更直接的證據(jù)可能來自我們目前正處于膨脹的宇宙及其鄰居的潛在碰撞。宇宙中發(fā)生的這種輕微事故會(huì)在微波背景輻射中產(chǎn)生另外一種溫度變化圖案，這只有將來的尖端望遠(yuǎn)鏡才能探測得到。許多人認(rèn)為這是找到支持多重宇宙證據(jù)的最有希望的可能。

檢測多重宇宙理論有的是辦法，當(dāng)然都是遠(yuǎn)程的，這反映了最初認(rèn)真的數(shù)學(xué)分析。然而，因?yàn)檫@個(gè)理論毫無疑問是嘗試性的，所以我們必須抱著一種健康的懷疑態(tài)度，明智而審慎地啟用其解釋性框架。

試想：當(dāng)蘋果掉落到牛頓的頭上，這并沒有激勵(lì)他去開發(fā)引力定律，而是推斷有些蘋果掉落下來，其他的蘋果飛了上去，就因?yàn)槟切┨O果早就飛往外層空間，我們只看到下落的那一種。這個(gè)例子有點(diǎn)滑稽，但是有一點(diǎn)是嚴(yán)肅的：如果不加選擇地利用多重宇宙理論，科學(xué)家會(huì)借此放棄對更深層次的解釋的追尋。另一方面，如果不考慮多重宇宙，科學(xué)家就會(huì)像上了跑步機(jī)那樣，拼命地追尋無法回答的問題的答案。

這也就是說，研究多重宇宙理論絕對屬于高風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)。有眾多的推導(dǎo)可能削弱思考它的動(dòng)機(jī)，比如說，科學(xué)家最后計(jì)算出正確的暗能量值，證實(shí)一種只得出單一宇宙的膨脹宇宙學(xué)理論，或者發(fā)現(xiàn)弦理論不再支持眾多可能宇宙的存在，如此等等。

但是就像所有理性的賭注一樣，高風(fēng)險(xiǎn)也有可能帶來高回報(bào)。在過去的500年里，我們運(yùn)用觀測和數(shù)學(xué)計(jì)算使眾多的誤會(huì)煙消云散，從最初的一個(gè)古怪的、以地球?yàn)橹行牡男∮钪嬗^發(fā)展到一個(gè)承載著數(shù)十億星系的宇宙觀，這個(gè)研究旅程很富刺激性，也令人感到自身的渺小，我們不得不放棄以自我為中心的神圣信仰。雖然我們在宇宙中的地位被貶低，但是我們展示了人類的智能，超越了普通經(jīng)驗(yàn)的藩籬，揭示了非凡的真理。多重宇宙的提議也可能是不正確的，但是，這也

許是這次旅程的第二步，它會(huì)向我們揭示一個(gè)大宇宙中那些小宇宙激動(dòng)人心的全貌。對包括我在內(nèi)的有些科學(xué)家來說，有這樣的可能性就意味著我們的冒險(xiǎn)完全值得。