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多重宇宙真的存在吗?看了这篇小白科普文你也许就明白了

北极蚊子 2018-5-9 17:25

但凡是深入思考过宇宙的,迟早会好奇这样一个问题:宇宙是否不止一个?自古以来,多重宇宙存在与否,就让人争执不下。推崇“原子论”的古希腊哲学家(比如德谟克里特)提出,宇宙有无限个。但亚里士多德反对此说,坚称宇宙只可能有一个。

现如今,围绕多重宇宙存在与否,一场类似的争论也在上演。近几十年来,宇宙学的进步暗示了多重宇宙的可能性,但并未提供证明。具体言之,暴胀理论提出,大爆炸发生后的瞬间,太空在短时间内急剧膨胀,接着进入缓慢膨胀阶段,形成了如今地球、太阳、银河系及其他亿万星系所在的宇宙。如果这一理论属实,这就意味着,类似的大爆炸发生过很多次,创造出了无数其他宇宙。

每一个宇宙中,比如基本粒子的质量、基本力的强度等,这些属性可能各不相同。如此一来,众多物理学家共同追寻的目标——用一个统一的理论来解释自然界的一切属性——就成了泡影。多重宇宙可以提供众多不同的世界,有的适宜生命生存,有的则不然。我们的宇宙必定是所需特征一应俱全,才得以形成适宜生命存在的环境——这就是人择原理。

但有的科学家反对多重宇宙理论,以及它所推导出的人择原理。有人甚至论称,多重宇宙研究不能算是科学。在认为多重宇宙属于正当科学研究课题的人中,有一个就是马萨诸塞大学安姆斯特分校物理学家约翰·多诺霍(John Donoghue)。

在《2016年核与粒子科学年评》中,多诺霍指出,粒子物理的标准模型——描述自然界一切基本粒子与基本力行为的理论——并未指明宇宙的一切属性。宇宙有很多重要特征,比如粒子的质量和力的强度,这些用标准模型的方程计算不出来,只能靠测量。也许在其他宇宙中,甚至就在我们这个宇宙、但超出望远镜观测范围的某些遥远角落,这些特征就全然不同。

也许,未来的某个理论会阐释自然为何如是,多诺霍说,但又或许,现实就包含着多重可能性。描述自然的真理论可能容许诸多稳定的“基态”,对应其他的宇宙,或是其他遥远的太空区域,它们各自拥有不同的物理特征。若基态各不相同的多重宇宙确实存在,我们这个宇宙的宜居性就可以用人择原理来解释,即我们生活在状况适合的宇宙区域内,而不是说,宇宙的属性适用于一切,可以被单一理论所描述。

围绕多重宇宙的含义、人择原理存在的问题,以及多重宇宙理论是否科学,《可知》杂志(Knowable Magazine)采访了多诺霍。访谈内容如下。

问:能否阐述一下您对多重宇宙的理解?

答:至少对我而言,多重宇宙的概念就是说,在我们可观测的范围之外,客观存在着那么一些区域,其属性异于我们所观测到的宇宙。宇宙不止我们观测范围这么大,这一点我们知道;至于大出多少,我们就不清楚了。所以问题就在于,是无论在哪里,宇宙都是一样的,还是说,其属性会发生变化?

问:是不是说,如果存在多重宇宙,关键点除了存在各种不同的区域,还有一点是,它们的属性也千差万别?

答:如果向任意方向无限延展,属性都一概不变,那多重宇宙就没有意义了。人们的普遍预期是,除了比较随意的细节外——比如这儿有一个星系,那儿又一个星系,中间什么都没有——更广泛宇宙的各处基本都是统一的。标准模型理论下就是如此,这个模型只有一种可能。各处都是一样的,不可以不同。

问:大多数物理学家不都希望如此吗?

答:可能每个人都希望这样:有朝一日,我们找到一个理论,突然之间,一切都变得清晰了——可能性只有这一种,逻辑自洽,你别无选择,但这就是定论。谁都巴不得这样。

问:但标准模型并没有指明所有描述自然界属性的数,对吧?

答:标准模型的结构被一个对称原则定死了。它美就美在这里。但在这个结构内,比如不同粒子的质量和电荷数,这些量——也就是标准模型的参数——都有选择的空间。这些参数不是标准模型能预测到的——是我们亲手测量出来的。我们希望有朝一日,某个理论能预测到这些参数。但问题来了,它们是可以预测的呢,还是只是多重宇宙中的随机选项之一?

在那篇论文中,我举了日地距离的例子。研究太阳系你就知道,太阳系中存在各种规律性和一种对称,一种球对称力。这种力大致与轨道半径的平方成反比,这是它背后的理论所决定的。你可能会想到,它可以预测日地距离。德国天文学家开普勒就作过这样的尝试,并构建了一种巧妙的几何结构,差一点就成功了。但现在我们知道,这个距离即便预测出来,也不是根本性的,只是历史的偶然。这个法则放在太阳系里,就产生现在的日地距离,放到另一个星系里,就是另外的距离。这类距离不可预测。因此,我们面临的物理问题是:像电子质量这样的参数究竟是根本性的,可以从更为根本的理论推导出来呢,还是说,它们只是我们这一方宇宙中的机缘巧合?

电场力改为电磁力

问:考虑到多重宇宙的可能性,标准模型中那些数的解读会受到什么影响?

答:理解了标准模型怎么造就了这个世界,你就可以提出那个科学问题:假如标准模型中的数——比如电子质量或所带电荷——略有变动,结果会怎么样?你不会想到的一点是,这些参数只要稍稍改动一下,世界就会天翻地覆。电子的质量为什么就是这个数?我们不清楚。它只要增加两倍,所有的原子就会消失,世界将面目全非。电子会被质子捕获,质子变成中子,那个宇宙会让我们备感陌生,而且,生命根本没有机会存在。

问:在标准模型下,还有哪些改变能产生如此戏剧性的效果?

答:我在这里的贡献是关于希格斯场(希格斯玻色子的场)。它的值远小于标准模型的预测区间。但只要改动一点点,原子就不会形成,原子核也不会形成,世界将面目全非。这是我和我的协作者们指出的。

这些参数组合可能限定于六七种吧——原子、恒星、行星等要存在,标准模型的参数就得是这些值才行。也就是说,人择宇宙允许的参数组合大约有六种。

问:这里的“人择”是说,要让一个宇宙适合生命存在,这些参数的值被限定在狭窄的区间内。这种人择原理历来不受众多物理学家的待见。

答:没错。如果有一种完善的理论,它不需要动用任何人择推理,那所有人都会青睐它吧。无论如何,这种原则是有可能出现的。而且,完全忽视人择理论,也是不科学的。一些例子就是涉及人择推理,你不得不考虑它。

历史上,人择推理受到了不小的阻力,因为它——至少是最普遍的那种解释——似乎倒置了因果。它有点像是说,我们(的存在)决定了宇宙的参数。这听着不太对劲。它的现代版本——即多重宇宙理论——则是说,不同的宇宙区域有不同的参数,而我们只存在于允许原子和原子核存在的那方宇宙中,从这个意义上说,它就比较实际一些。因果关系是对的:有这样的参数,我们才存在于此。现代的这个版本更实际一些。

问:假如多重宇宙是存在的,那物理学追寻的某些目标——比如寻找大一统理论——不就变了吗?而且,不得不用到某种人择推理?

答:我们能知道多少,或许取决于我们能探索的范围有多大。寻找解释一切的大一统理论,这个动机也许就不对。当然,多重宇宙理论还引出一种可能:我们也许永远回答不了这些问题。这让人很困扰。

问:这是不是说,多重宇宙改变了物理学家该问的问题?

答:那些有关“如何”的问题还是要解答的:W玻色子是如何衰变的,希格斯玻色子是如何衰变的,诸如此类,以期尽可能准确地描述自然。但也得明白,我们可能无法得到一种终极理论,因为某些问题的解答所需的观测范围,也许是我们无法企及的。这是很让人灰心的地方。我得承认,第一次听到物理学中的人择推理时,我的心都沉到谷底了。做某些事的动力就这样被抹杀掉了。

问:虽然多重宇宙好像把人择推理合理化了,但还是有人说,即便如此,人择推理依然是不科学的。

答:在这场讨论中,这是让我很不舒服的一点。你不喜欢多重宇宙,不表明它就不对;它的某些方面无法验证,也不表明它就是错的。所以我们要思考的是,它值不值得考虑?在多重宇宙理论中,我们可以获知什么?它将如何改变我们的动机?如何改变我们提出的问题?说多重宇宙不科学,这种判断本身就不科学。你站在非科学的立场上,将一种具体的物理理论,一种有可能属实的物理理论,拒之门外了。不过,它也的确让人担忧:如果只能被局限于观测范围之内,长此以往,我们对终极理论能有多大的了解?多重宇宙理论是科学,有时候,这种科学的确让人沮丧,但我们还是得看看,看哪些东西会得到验证,看看究竟会发生什么。

问:研究多重宇宙时,很重要的一个部分,就是找到一个包罗多种“基态”的理论。这是什么意思?

答:基态是将系统中所有能量去掉后所得的状态。通常,所有粒子去掉后,剩下的就是基态,即所有的背景场、充斥空间的那些东西。标准模型就对基态进行了描述,它明确告诉你,当你把粒子重新放回去的时候,它们会是怎样的状态——它们会带有特定的质量和特定的电荷。

不难想象,有的理论囊括的基态不止一种,在一种基态里,粒子是这个样子;在另一种基态里,又是另一个样子——可能质量都不一样。多重宇宙对应的假设是,基态有很多很多种,存在于更广泛宇宙的各个不同区域中。

17世纪初,开普勒想找一个数学定律,来解释当时已知的六大行星与太阳的距离。在几何实体多面体中,他找到了答案。通过将多面体互相嵌套起来,开普勒证明,多面体的大小大致对应行星与太阳的距离。但他不知有其他的太阳系行星,也不知道其他的星系;在不同的星系中,行星与恒星的距离各不相同,决定它们的是各星系的具体条件,而非某一个数学公式。同理,当今的一些科学家也认为,并没有一个公式决定宇宙属性,太空中存在不同区域,其属性各不相同,它们共同构成一个多重宇宙。

问:即便有这么一个粒子与力的理论,它能兼容多种基态,那么,创造这些基态不也需要一种理论吗?

答:得具备两点:必须要有存在多种基态的可能性,然后必须有产生这些基态的机制。在我们目前的理论中,产生机制还算简单,暴胀宇宙论就可以。相对更难的要求,是找到囊括足够多基态的理论。但这是一个科学问题。这样的理论是有一个,还是两个,还是有很多?

问:超弦理论囊括了众多基态,统称“弦景观”。它是暗示多重宇宙可能性的理论之一吗?

答:我们知道(多种基态)是有可能存在的,其中一条途径就是通过弦景观。弦理论中的基态数量是可以计算的,最后结果有多大:10的500次方。所以,要说囊括巨量基态的理论,我们至少有这一个。也许还有别的。具有这种可能性的其他理论也一直层出不穷,所以说,多种基态确实是有可能存在的。

问:批评家们不是说,不管是弦理论还是暴胀宇宙论,都还没有绝对成熟吗?

答:除了标准模型理论外,其他所有理论都是这样。没有一个已经成熟。因此,我们并不能信誓旦旦地说,多重宇宙就是存在的。这只是一种可能性而已。它兴许是错的,但也有可能是对的。

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