硬币的反面:为什么“多重宇宙”令我们不安?

[ 录入者:zhangms | 时间:2017-04-16 14:59:25 | 作者:玛雅蓝/译 | 来源:新浪科技 | 浏览:1594次 ]

来源:科学人公众号

(玛雅蓝/译)“你对多重宇宙有什么感觉?”在我们的晚餐谈话中,这个问题并非不合时宜,但它却问得我完全措手不及。不是没人问过我关于多重宇宙的问题,但是解释一个理论构造,和表达自己对此的感受,这还是挺不一样的。我能搬出所有的标准论证,列出多重理论所能解开的一个个谜团;我能在事实与术语之间穿梭自如,但说到它的意义,我却语塞了。

在物理学中,我们不该谈论自己的感受。这是一门实事求是的、量化的、经验主义的科学。但是,哪怕是最为公正客观的分析,也是在我们决定选择哪条路径之后才开始的。当一片领域诞生之时,往往会有多个观点供我们考虑,每个都有其优势,而我们的直觉往往被其中一个吸引。感情战胜了逻辑,引导我们作出了这个选择。正如斯坦福大学的物理学家莱纳德·索斯金德(Leonard Susskind)所说,你选择哪个方向“不仅仅和科学事实和哲学原则有关,还与所谓的科学品位有关。而且,就像所有关于品位的争论一样,它也涉及人的审美”。

无限的星系:草帽星系这样的星系填满了我们目光所及的空间,并且它们可能还存在于更远的地方。图片来源:NASA/ESA and The Hubble Heritage Team(STScI/AURA)

我自己的研究与弦论有关,而弦论的一个特征观点就是在我们的宇宙之外,还存在许多逻辑上一致的宇宙版本。创造我们的宇宙的过程,也能把其他的可能性化为现实,创造出其他无数个宇宙,在那些宇宙中任何可能发生的事情都会发生。论证的链条从我熟悉的地方开始,随着方程不断展开,奔向这个奇特的结论,我也能跟上那令人眼花缭乱的过程。但是,虽说我能把这个“多重宇宙”当成一种数学上的构造来理解,但是我无法真的相信它会脱离理论的范畴,在物理现实中现身。无数个复制版的我可能在无数个平行世界中游荡,作出一个个与我相同或者不同的决策——我怎么能假装坦然接受这一事实呢?

我不是唯一一个感到举棋不定的人。多重宇宙理论一直备受争议,它仍然是今天的顶尖科学家之间的巨大分歧来源。关于多重宇宙的辩论并非针对理论的具体细节,而是一场关于身份和后果的战争,它涉及一个解释该由什么构成,什么才算得上是证据,我们如何定义科学,以及这一切是否有意义。

“我们在哪里”会影响“我们是谁”

每次我提到多重宇宙,都会不可避免地遇到一些问题,而其中一个我正好知道答案。无论我们是生活在一个宇宙里,还是多重宇宙里,这些分类所涉及的尺度都太大了,甚至超越了想象力。不管结果怎么样,我们的生活都不会以某种方式发生改变。那么,它有什么意义呢?

它的意义在于,“我们在哪里”会影响“我们是谁”。不同的地点会引发不同的反应,产生不同的可能;同一个物体在不同的背景之前看起来可能截然不同。我们被自己所处的环境塑造,环境的影响或许比我们意识到的更大。而宇宙是一个终极背景。宇宙包含了每一个舞台,每一个能让我们感受存在的情境;它囊括了所有的可能,它是我们所能成为的一切之和。

测量只有在有参照物的时候才有意义。数字显然是抽象的,除非它与物理单位相结合。但是,即使是模糊的评价,比如“太远”、“太小”和“太奇怪”,都暗含了一个参照系统。太远表示存在一个起点;太小暗指着一个标尺;太奇怪暗示了一个情境。物理单位总需要被明确说明,但是假象中的参考系极少被具体描述。然而,我们赋予物品、现象、经历等事物的价值,却都被这些看不见的坐标轴所测量。

如果我们发现,我们所知道和所能知道的一切不过是多重宇宙中的一个口袋,我们建立在坐标系中的整个基础都会发生偏移。观察到的现象不会有什么变化,但是它带来的暗示却会有。其他宇宙泡泡的存在可能不会影响我们在此地的测量仪器上的数字,却能对我们诠释测量结果的方式造成极大的影响。

人之于宇宙的渺小

多重宇宙给你的第一个震撼,就是它的无限。它比人类所应对过的任何事物都要庞大,这种夸张从它的名字里就能看出来。如果多重宇宙引发的情绪反应来自于感到渺小,这可以理解。不过,多重宇宙的规模似乎是它最没有争议的一个特征。

欧洲核子研究所的理论组组长吉安·朱迪切(Gian Guidice)说,只需看一眼星空,就能理解我们的位置。他的观点代表了大多数的物理学家的看法:我们已经知道了自己的尺度。他说,如果多重宇宙最终得到证实,那么“我面对宇宙的浩渺,这个问题不会有什么改变”。实际上,很多人在宇宙的视角中找到了抚慰。和宇宙的尺度相比,我们所有的烦恼,日常生活中所有的鸡毛蒜皮,都一下子变得渺小了,用物理学家、作家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)的话说,仿佛“这里发生的一切都无关紧要”。他说:“我在这里找到了巨大的慰藉。”

从哈勃太空望远镜传回的震撼人心的照片,到奥克塔维奥·帕斯描写“广阔的夜”的诗歌,再到蒙提派森的《银河之歌》,其中的浪漫都来自于我们的小人国视角。在人类历史上的某个时间点,我们似乎已经坦然接受了自己的无限渺小

行星状星云NGC 5189。图片来源:NASA

无法观测与实验的多元宇宙

如果不是因为对规模的恐惧,那我们对多重宇宙的观念感到抗拒,会不会是因为它包含了我们看不见的世界,并且似乎注定保持这种状态?这确实是我常常从同事们那里听到的一种抱怨。南非物理学家乔治·埃利斯(George Ellis,强烈反对多重宇宙)曾经和英国宇宙学家伯纳德·卡尔(Bernard Carr,一个同样强烈的支持者)探讨过这些问题,他们的对话非常有意思。卡尔认为他们的根本分歧在于“科学的哪些特征应该被视为神圣不可侵犯的”。传统上的基准是实验。对比观察也是一个可接受的替代选择——天文学家无法操纵星系,但可以观察数百万不同形态、处于不同阶段的星系。这两种方式都不适用于多重宇宙,那么,它是否处在科学的领域之外?

弦论创始人之一索斯金德给了我们一点安慰。在经验科学中还有第三种方式:通过我们能看到的事物,来推断看不到的物体和现象。我们不需要到因果关系断裂的不同时空区域中寻找案例——亚原子粒子就够了。比如,夸克始终互相结合,形成质子、中子和其他复合粒子。索斯金德说:“夸克可以说是隐藏在一幅面纱后面。但是直到目前,尽管从未观察到孤立的夸克,没有人质疑夸克理论的正确性。这是现代物理学基础的一部分。”

由于宇宙正在加速膨胀,目前处在我们视界边沿的星系很快就会被推出边界。我们不认为它们会就此湮没,正如我们不认为当轮船驶出了地平线就会解体一样。如果我们所知的星系能够存在于视线之外某个遥远的地方,那么谁能保证那里不会有别的什么东西?或许那里有着我们从未见过、将来也不可能目睹的东西呢?我们的视界是有限的,一旦承认了这样的可能,其意义将指数增长。英国皇家天文学家马丁·里斯(Martin Rees)将这个论证比喻为心理治疗里的厌恶疗法。当你承认在我们目前的视界之外还存在着星系,就相当于“开始接受远处的一只小蜘蛛”;随后,在你还没意识到的时候,你已经打开了多重宇宙的可能——其中包含着无数个世界,可能和你的世界大不相同,这就像“一只捕鸟蛛在你身上爬来爬去”。

无论如何,在我心目中,缺乏直接操控事物的能力并不妨碍它成为一个好的物理学理论。不管多重宇宙到底为什么令我感到困扰,我能肯定不是这个原因。

无数个“我们”

多重理论还对我们最珍视的一个信念发起了挑战,那就是独特性。这会是问题的根源吗?美国塔夫茨大学的宇宙学家亚历山大·怀伦金(Alexander Vilenkin)解释说,无论我们的可观测区域有多大,只要它是有限的,那么它就只能处在有限数量的量子态中;指明这些状态,也就唯一地决定了区域中的内容。但如果存在无限个这样的区域,那么同样的构造必然会在其他地方重现。我们所在的世界会被复制,哪怕是最微小的细节。由于这一过程可延续至无限,那么最终会存在我们的无数个副本,而非仅此一个

一切可能发生的事情都会发生:在多重宇宙中,概率就是事实。图为用多次曝光拍摄的芭蕾舞演员马格·方登(Margot Fonteyn)。图片来源:Hulton Archive/Getty Images

怀伦金说:“我确实觉得这些副本的存在令人沮丧。我们的文明或许有很多缺陷,但至少我们能宣称它是独一无二的,就像一件艺术品。但现在我们不能这么说了。”我明白它的意思。这也让我感到困扰,但我不确定它是否触发了我内心深处的厌恶。怀伦汀似乎还抱着一丝希望:“我还没有冒昧到要告诉现实它应该是什么样子。”

随机还是暗含逻辑?

——多重宇宙提供了解答

争论的关键(至少对我而言)在于一个奇怪的讽刺。尽管多重宇宙扩展了我们对物理现实的了解,将其延伸至一个几乎无法想象的领域,但它对我们的知识和获取知识的能力划下了一个外在的界限,这让人产生了幽闭恐惧般的感觉。我们理论物理学家梦想着一个没有任意性的世界,其中所有的方程都完全自包含(self-contained)。我们的目标是找到一个理论,它逻辑极度完备,严格自洽,因而只存在这唯一的形式。最后,即使我们不知道这个理论怎么来的,也不清楚为什么,至少它的结构看起来不是随机的。用加州大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·布索(Raphael Bousso)的话说,大自然中所有的基本常数都应该源于“数学、π和2”

这就是爱因斯坦广义相对论的诱惑——全世界的物理学家都赞美它的卓越而恒久的美丽。高度的对称主宰了这些方程,使这个理论看起来是必然如此、别无选择。这就是我们想在物理学其他领域复制的东西。而目前为止,我们都失败了。

几十年来,科学家都在寻找基本常数为何如此取值的物理学原因,但一个都没找到。实际上,如果我们应用目前的理论去猜测一些参数的值,答案会和实际测量结果相去甚远,简直荒唐可笑。但是,我们要怎么解释这些参数?如果只存在这个唯一的宇宙,那些决定其设计的参数就被赋予了特殊意义。要么决定参数的过程完全是随机的,要么就是这些选择后面存在着某种逻辑,甚至某种设计

这两个选项都没什么吸引力。作为科学家,我们穷极一生寻找法则,因为我们相信事物的发生必定有其原因,哪怕我们不理解它;我们寻找规律,因为我们认为宇宙存在某种秩序,即使我们看不见它。纯粹、随机的偶然并不符合这样的世界观。

  但是,设计的理念也不怎么受欢迎,因为它引进了一个凌驾于自然法则之上的代理人。代理人必须进行选择和判断,而在缺乏像广义相对论那样严谨、完美平衡、严格自洽的结构的情况下,选择和判断必然是武断的。存在多个逻辑上可能的宇宙,而我们只能意识到其中之一,这个观点令人本能地感到不快。如果这就是事实,那么正如宇宙学家丹尼斯·夏马(Dennis Sciama)所说的,你必然会想到,“有个什么人正看着这个清单,说,‘好吧,这个不要,那个也不要。我们就要这个好了,就这一个’。”

  对我个人来说,这个场景和它隐含的种种可能让我感到悲伤。我脑海中闪现着一些模糊而支离破碎的画面:在某部被遗忘的电影中,孤儿院里有一群孤苦伶仃的孩子,而只有其中一人被收养了;那些热切追寻梦想却未能成功的人的面孔;那些在妊娠早期流产的胎儿。这些事物是多么不甘啊,它们差一点就能成为现实,然而却没有。除非存在一个理论限制,排除其他所有的可能,只留下一个,否则这个选择就显得残酷而不公平。

  在这样一个精心的创造中,我们要如何解释无谓的苦难?由于这样的哲学、伦理和道德顾虑都不在物理学的范围内,大多数科学家拒绝对此作出评论,但诺贝尔奖得主史蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)直言不讳地说:“我们的生活是否显示出某个仁慈的设计者的存在,这是一个你要为自己回答的问题。我的生活非常愉快,但即便如此,我也目睹了母亲痛苦地死于癌症,父亲的人格被阿尔茨海默综合症摧毁,几十位远房表亲们在纳粹大屠杀中丧生。仁慈的设计者可隐藏得真好。”

在痛苦面前,相比认为痛苦来自一个精心建构的宇宙的无情漠视,甚至是处心积虑的恶意,随机因素要容易接受得多

多重宇宙保证将我们从这些糟糕的想法中解救出来,它为这道两难选择提供了第三种解释。

“唯一解根本不存在”

物理学家肯定不是为这个原因才发明了多重宇宙。多重宇宙产生于其他的思想。宇宙膨胀理论曾经致力于解释我们所见的宇宙为何如此广阔、光滑和平坦。斯坦福大学的物理学家安德雷·林德(Andrei Linde)说:“当时我们只是在寻找一个简单的解释,来说明宇宙为什么看起来像个大气球。我们并不知道自己还鼓捣出了其他东西。”这里的“其他东西”,就是意识到我们的大爆炸不是唯一的,实际上应该存在无数个大爆炸,每个大爆炸都制造出一块孤立的时空。

随后,弦论出现了。弦论是目前候选的万物之理中最有力的竞争者,它不仅完成了协调万有引力和量子力学这项不可能的任务,而且还要求二者必须能协调。但是,尽管弦论将宇宙中千变万化的事物浓缩成一套最小的组成模块,它却面临一个尴尬的问题:我们不知道如何确定宇宙中一些基本常数的值。目前的估算结果大约有10^500个可能选项——这个数字实在是无边无际,我们甚至没有一个名字来称呼它。弦论列出了物理学定律所有可能的形式,而宇宙暴胀提供了让它们得以实现的一种方式。每当一个新的宇宙诞生,就有一叠想象中的扑克牌被重新洗牌,洗出来的牌局就决定了主宰宇宙的定律。

多重宇宙解释了方程中的那些常数为什么是这个值,并且不涉及随机过程或者有意识的设计。如果存在大量的宇宙,包含着所有可能的物理定律,那么我们之所以测得常数是某个值,是因为我们的宇宙就是如此。没有更深入的解释,这就是答案。

星系之外:这个不起眼的斑点就是星系团阿贝尔2029(Abell 2029),同时用可见光和紫外线拍摄。这样的星系团是我们的宇宙中最大的结构。图片来源:NASA/Chandra X-ray Center/IoA

但是,尽管多重宇宙将我们从过去的二难选择中解放出来,它也造成了强烈的不适感。我们花了那么长时间苦苦思索的问题,可能答案就只有这么简单而已:它就是这样。这可能是我们所能得到的最好的结果,但它不是我们习惯的那种答案。它不仅没有掀开面纱,没有解释事物的运作方式,反而摧毁了理论物理学家的梦想:声明我们永远无法找到唯一解,因为唯一解根本不存在

有人不喜欢这个答案,还有人甚至认为它不算是一个答案,但也有人坦然接受。

对于诺贝尔奖得主大卫·格罗斯(David Gross)来说,多重宇宙“有着天使的气味”。他说,接受多重宇宙意味着举手投降,接受自己永远无法理解任何事物,因为无论你看到了什么,都可以归因于一次“历史的偶然”。同为诺奖得主的杰拉德·特·胡夫特(Gerard ’t Hooft)抱怨说,他无法接受这么一个场景:你得“尝试所有的选项,直到找到一个宇宙,看起来就像我们所生活的世界”。他还说:“这不是物理学过去为我们工作的方式,不过现在我们还有一丝希望,但愿我们将来能找到更好的论证。”

美国普林斯顿大学的宇宙学家保罗·斯泰恩哈特(Paul Steinhardt)将多重宇宙称为“任意之理”(Theory of Anything),因为它容许任何事情的发生,却什么都没有解释。他说:“一个科学理论应该是挑剔的,它的力量取决于它所排除的可能性的数量。如果它包含了每一种可能,那就什么都没有排除,也就是说它的力量为零。”施泰恩哈特曾是宇宙暴胀理论的领军人物之一,但后来他意识到这个理论自然催生了多重宇宙,它不仅没有给出具体的预测,反而打开了一个充满可能的空间,于是他从此变成了暴胀理论激烈的批判者。在最近一期的《明星讲坛》(Star Talk)中,他自称是一个多重宇宙替代理论的支持者。主持人打趣说:“多重宇宙到底对你做了什么?”施泰恩哈特回答:“它毁掉了我最喜欢的一个想法。”

物理学本来应该是真理、绝对和预言的领土。事物要么存在,要么不存在。理论不该是有弹性或兼容并蓄的,而应该有限制、严格、冷酷无情。你希望能根据一个给定条件预测出可能的结果,并且在理想情况下,这个结果应该是唯一且不可避免的。而多重宇宙完全不满足这些条件。

多重宇宙更像一把钥匙

针对多重宇宙的辩论有时会变得非常激烈,怀疑者指责支持者背叛了科学。但是我们要认识到,没人是自愿选择了这个理论。这点非常重要。我们都想要一个牢牢根植于某个美妙的原则并据此自然发展的宇宙。但从我们目前所了解的看来,那不是我们所得到的宇宙。是什么就是什么。

支持多重宇宙的论点一定要是负面的吗?多重宇宙只能是一个不得不退而求其次的选项吗?我的许多同事都试图将多重宇宙摆在一个更有希望的位置上。从逻辑的角度,无数个宇宙比一个单一的宇宙更简单,要解释的东西更少。正如夏马所说的,多重宇宙“在某种程度上满足了奥卡姆剃刀理论,因为你希望将宇宙的随机性最小化”。温伯格说,一个不包含随意的猜测、并且从未“被精心修饰,以符合观测结果”的理论,本身就是美的。他说,也许我们从中找到的美就如同热力学一样,是一种统计学上的美,它解释了宏观系统的状态,而不是每一个个体组成部分的状态。温伯格说:“你寻找美,但你事先无法确定将在哪里发现美,也无法确定你将找到什么样的美。”

好几次,当我苦苦思索这些艰深的问题,我想起了安托万·德·圣埃克苏佩里简单而迷人的智慧。他笔下的小王子曾认为心爱的玫瑰在世界上是独一无二的,直到他来到一个玫瑰园为止。他对这样的背叛感到困惑,又因为感到他的玫瑰和他自己都失去了意义而悲伤,不禁泪流满面。最终,他意识到他的玫瑰“比其他成百上千朵玫瑰都重要”,因为她是他的玫瑰。

我们的整个宇宙也许没什么特别,除了它是我们的宇宙之外。但这还不够吗?即使我们的整个生命,我们所能知道的一切的总和,最终在宇宙的层面上都不重要,它们仍然属于我们。此时此地,属于我,这就产生了差异。毕竟意义是我们赋予的。

在过去几个月里,我多次回想起和吉安·朱迪切的对话。我发现,他一点都不为可能存在着大量的宇宙而困扰,也不为我们作出的貌似随意的选择而忧虑,这令我感到安心。他说,多重宇宙可能只是告诉我们,我们关心的问题错了。也许我们在尝试从数字中读出比实际更深的意义,就像开普勒对行星轨道所做的那样。

由于开普勒只知道太阳系,他认为行星轨道的形状和它们与太阳之间的不同距离一定携带了重要的信息,然而事实并非如此。这些数字不是基本的,它们不过是一些环境参数。在当时看来,这个事实也许很可悲;但站在广义相对论的有利位置回顾这一切,我们不再有任何的失落感。我们有了对万有引力的优美描述,而在这个描述中,行星轨道的值恰好不是什么基本常数。

朱迪切说,也许多重宇宙也有某种相似的意味。也许我们需要放下我们过于坚持的一些东西,需要打开思路,重新聚焦、重组、重新规划我们对大自然的问题。他说,多重宇宙有可能开启“一些极其令人满意、启迪思维的可能”

在我所知的所有支持多重宇宙的言论中,这一个最吸引我。在每一个场景,对每一个物理系统,我们都能抛出无限多的问题。我们希望将一个议题抽丝剥茧,追本溯源,提出最基本的问题,但我们的直觉来自于先前的经验,而完全有可能,我们使用的套路已经不再适用于正在探索的新领域。

多重宇宙不像一扇关闭的门,而更像是一把钥匙。对我来说,世界如同一片应许之地,充满了可能。它似乎并不比一片玫瑰盛开的树荫更浪费。

Tags:多重宇宙 星系 平行宇宙

责任编辑:zhangms

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