宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第31部分

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　　　　虽然在公开场合对观测者决定宇宙学观测的想法不置可否，狄拉克在与伽莫夫私下联系时还是有所表示的。正如我们所看到的那样，如果G　的数值曾经比现在大得多，就会改变太阳的演化和地球的温度，导致非常严重的后果，于是狄拉克的引力常数随时间变化的理论很快就被否定了。但是狄拉克又提出了一种很不靠谱的说法为之辩护，假设太阳系围绕银河系转动时，碰巧路过了巨大的尘埃云。太阳额外地吸积了一些物质，质量有所增加，刚好抵消了G的数值变小所产生的影响，于是太阳对地球的引力能够保持不变。伽莫夫认为这相当不太可能，而且很“不雅观”——伽莫夫所说的“雅观”，意思是狄拉克应该用优美的数学形式来表达这个神话故事般的物理理论。为什么整个宇宙的G都变化了，而太阳吸积的物质正好能够抵消G的变小？然而，在1967年11月写给伽莫夫的信中，狄拉克竟然出人意料地用某种人择原理的说辞为自己进行了辩解：
　　　　我不认同你对我的吸积假说的反对理由。我们可以假设，太阳曾经穿过某种致密的云层，致密到可以让太阳俘获充足的物质，以保证地球在　109年中都保持适宜的温度。你可能会说这不太可能，因为云层的密度不太可能刚好达到这个目的。我同意。这不太可能。但这种类型的不太可能并不是重点所在。假如我们考虑所有存在行星的恒星，其中只有极个别的恒星穿过了密度适当的云层，于是相应的行星才得以长时间保持恒定的温度，以使高级生命能够发展壮大。正如我们先前所想的那样，存在人类的行星不会很多。但是只要存在一个这样的行星就足以解释现实了。因此，太阳可能有那么一段极不寻常又不太可能发生的历史，我们没有理由反对这个假设。
　　　　有趣的是，狄拉克从来没有用这样的理由来解释大数巧合。
　　　　回想一下我们会发现，这种类型的“人择”理由同样也使得20世纪50年代的稳态宇宙模型看起来疑点重重。在大爆炸理论中，宇宙的年龄大致与膨胀速率的倒数相当，天文学家把宇宙当下的膨胀速率观测值称为“哈勃常数”。
　　　　在稳态宇宙理论中，宇宙不存在年龄一说（年龄是无限大的），因此，膨胀速率就成为宇宙的一个完全独立的属性，需要单独进行解释。天文观测表明，像太阳这样的稳定恒星的年龄非常接近宇宙的年龄，但显然比后者小一些，这个特点在大爆炸模型中是完全正常的。形成星系，然后形成恒星，然后是行星，然后是天文学家，历史环环相扣。＇7＇因此，在大爆炸理论中，宇宙现在的膨胀速率大约等于恒星年龄的倒数一点儿也不奇怪。＇8＇但在稳态宇宙理论中，这完全是个巧合。
　　　　天文学家逐渐搞清楚了宇宙中生命的存在与否对各个物理学常数的敏感度。就像宇宙的膨胀速率稍微一变，就会对生命产生剧烈的影响一样，改变自然界中相互作用的强度，改变基本粒子的质量，都会导致恒星和原子无法形成，进而改变宇宙的历史进程。＇9＇这种关于生命对物理学常数和宇宙结构的敏感度（或不敏感度）的计算，后来被称为“人择”观点。＇10＇这种观点有时会说，我们观测到的宇宙在某些方面被“微调”过了，因此有利于生命的演化。如果某些常数的取值发生一点点改变，那么幸运之窗就会关闭，原子和恒星就无法形成了，生命的复杂性也就无法显现了。
　　　　确定其中一些概念的含义是一个非常棘手的问题。我们定义的“生命”包含多广的范围？自然常数的“一点点”变化又是多少？所有这些常数都是相互独立的吗，还是说这只不过是一种表面现象，实际的原因是我们缺乏一个完备而统一的物理学理论？
　　　　直到20世纪80年代末，这种看待现实的观点都还是让人觉得古怪。大多数宇宙学家认为，我们只有一个宇宙，宇宙拥有它所拥有的性质；从科学的角度讲，再没什么可说的了。你可以走得稍微远一些，设想在形而上学的意义上还存在很多（甚至所有）可能的宇宙，而我们的宇宙则恰好处于这个展览馆里一个允许生命存在的区域。＇11＇为了解释这个状况，你可以借助哲学或宗教的观点来讨论宇宙是否允许存在生命。但假如宇宙只有一个，而它又不适宜生命存在的话，我们就不可能坐在这儿讨论这个问题了。
　　　　只有一个宇宙的论调还有一个关键的假设，那就是所有自然常数以及宇宙的所有性质都是完备而唯一的，其中不存在任何灵活性，不存在另一个与我们的自然法则、自然常数略有不同的宇宙。想象你用麦卡诺组合玩具搭成了一个三角形和一个正方形，并在拐角处拧上螺丝。这两者大不相同。正方形不是刚性的：如果把顶部向右拉，把底部向左拽，就会将正方形流畅地变成一个平行四边形（图10。3）。但是三角形可不吃这一套，它是刚性的。＇12＇
　　　　图10。3　铰链将杆子连接成刚性的三角形：如果不把它折弯，就无法将它自然地变成别的形状。铰链连接成的正方形就不是刚性的了：我们可以将它自然地变成平行四边形
　　　　物理学的定律和常数是像刚性的三角形一样，独一无二；还是像灵活的正方形一样，存在无限种可能，其中一些比较类似，而另一些则迥然不同呢？实际上，在正方形的例子中，我们已经对其连接处和边长施加了某种限制。同理，即使存在多套不同的常数和定律，也不意味着一切皆有可能。在可量化的自然常数背后，仍然可能存在一种支配一切的约束条件。像爱因斯坦这样寻找一个万有理论（他的“统一场论”，或者爱丁顿的“基本理论”）的物理学先行者，坚信物理学家能够找到关于这个世界的唯一的终极描述。事实上，他们试图用数学的对称性和纯粹的思考来寻找这样的基本原理。这个目标远远超出了当时的实验水平。你只能寄希望于什么时候有一种美妙的数学结构会从书中跳出来，然后说道：“这就是唯一的可能！”
　　　　如果你问爱因斯坦如何看待其他宇宙，或者其他类型的多重宇宙，其中的自然常数的大小与我们的观测结果大相径庭，他可能会不怎么感兴趣。有一次，爱因斯坦给他的老朋友、一辈子的通信对象伊尔斯·罗森塔尔–施耐德（Ilse　Rosenthal…Schneider）写信说道：
　　　　在一个合理的理论中，不应该存在只能凭经验确定的无量纲常数。当然，我无法证明这一点。但是我也无法想象在一个统一的、合理的理论中，会存在这样一种常数——如果造物主心血来潮对此略加改变，一个性质不同但同样有效的世界就会出现……从纯粹逻辑的角度讲，如果自然法则中的无量纲常数可以取别的值，那么这样的常数就不应该存在。在我看来，凭借我对“上帝的信仰”，这一点是显而易见的，但是持有相同观点的人寥寥无几。＇13＇
　　　　可能的宇宙
　　　　曾经有一段时期人们认为，一切都会发生改变，但实际上一切照旧，只不过换了种形式。
　　　　——亨宁·曼凯尔（瑞典侦探小说作家）＇14＇
　　　　自1990年起，旧的观念逐渐发生了转变，人们不再把宇宙和其中的常数和定律看作刚性的三角形。宇宙的很多性质曾经被看作硬道理，如今却被解释为某种深层原理所导致的对称性破缺。如果你将一块铁棒从极高的温度冷却到　770　摄氏度以下，那么铁棒就会变成磁铁。铁棒的哪一头变为北磁极，哪一头变为南磁极，几率是相等的。在铁棒变冷之前，你没有办法预测哪一头会变成北磁极；当铁棒的温度跌至770摄氏度以下时，原子的对称性就破缺了，铁棒的南北磁极就随机地产生了。
　　　　这类随机的“对称性破缺”过程能够决定宇宙的许多重要性质——正反物质不对称性、原子物质的密度以及宇宙级磁场的强度和方向。在这个前提下，人择原理的概念就变成了另外一个样子：如果宇宙不同角落中的对称性以不同的方式破缺，就会产生性质各不相同的新宇宙。
　　　　混沌的永恒暴胀宇宙存在的一些独特行为说明，引入人择原理至关重要。永恒暴胀宇宙的很多角落比我们的可见宇宙还宽广，于是我们得计算一下，产生一个拥有某种特定性质的宇宙的概率有多大。如果引入对称性破缺所导致的复杂性，我们就会发现，永恒暴胀所孕育的众多“宇宙”也可以表现出截然不同的物理性质。不同角落的自然常数可以有不同的取值；弦理论预言，多重宇宙不同角落的巨大空间维度（甚至时间维度）也会各不相同；基本的相互作用数目和种类也可能各不相同，其中每一种组合都体现了弦景观的一种真空态。
　　　　在传统的科学方法看来，这个问题实在太艰巨了。人择原理教育我们，研究不同宇宙从多重宇宙中产生的概率时，我们应该集中精力研究一些特殊的宇宙，在这些宇宙的某个演化时期，能够产生复杂性、生命以及存在意识的观测者。这个子集也包括我们的可见宇宙，但是我们并不想把生命定义得过于保守，不然就没法产生跟我们的意识类型截然不同的生命了。目前，想要确定宇宙中能产生观测者的条件实在太难了。我们甚至连定义“生命”所需的必要条件都不清楚。我们所了解的只不过是一些弱的充分条件，这些条件差不多都来自于我们对自身的认识。
　　　　这导致我们很难预言，多重宇宙的众多可能性中哪一种宇宙最有可能产生生命。为了回答这个问题，我们得搞清楚哪些物理定律、宇宙的哪些结构触及了产生生命复杂性的关键。我们只了解其中一些关键性因素，但能肯定的是，真正的约束条件一定比我们目前所认为的要宽松得多。这是因为我们还没找到能将自然界四种基本相互作用（电磁、弱、强和引力）统一起来的万有理论。当我们找到这个理论时，也只不过了解了更多决定基本相互作用特性的自然常数之间的关联性和依赖性。目前，我们只知道改变放射性物质的衰变率时并不用担心这会对引力或原子的结构产生什么影响。一个完备的统一理论应该表现出所有这样的关联性，并且能够保证，其中的物理规律应该是牵一发而动全身的。
　　　　如果我们学会了计算这种概率和条件概率的方法（我确信这要不了多久就能学会），我们还得面对另一个极为复杂的问题，也就是研究“观测者”对物理规律的依赖性，然后用一个完备的理论来描述这些依赖性。用这种方法我们也许就能找出几种不同的宇宙族，其中的每一个宇宙都能满足生命产生的必要条件。接着，我们可以研究哪一个宇宙才是最可能出现的。但是假如最可能的那个族中的宇宙跟我们看到的宇宙不太像呢？我们是会断定理论的某些部分（或者全部）错了，还是会断定我们的宇宙并不是其中最可能的宇宙呢？假如我们找到的几个族大体上看都差不多的话，那么我们又该如何进行抉择呢？
　　　　这些问题都没有答案，所以我们必须把人择原理铭记在心。无论多重宇宙中各种宇宙出现的概率有多大，最后都必然要考虑到观测者的存在。我们不得不承认，在上述讨论中，我们自己（以及其他能收集和处理信息的实体）也是我们想要解决的问题的一部分。
　　　　自制的宇宙
　　　　哲学的精髓在于，从一些极其简单的、没什么可说的概念出发，得出某些令人难以置信的悖论。
　　　　——伯特兰·罗素（1872～1970）＇15＇
　　　　不断自我繁殖的宇宙尝试了所有可能的真空态，以及各式各样的物理常数、空间维度和基本相互作用的组合模式，这是我们得到的最接近“所有可能世界”的图景。从前的哲学家经常从形而上学的角度思考“所有可能世界”。关于我们所生活的世界是否是“所有可能世界中最好的一个”，哲学家们从各个角度进行了激烈的争论。＇16＇然而，暴胀宇宙并没有尝试宇宙所有属性的所有可能变化，因此，它并没有创造出形而上学意义上的“所有”可能世界，而只是尝试了弦理论允许的所有自洽物理规律的版本。这些版本的数量十分惊人，不过是有限的，约为10500。
　　　　这个繁殖过程由物理定律所决定。它并不像中世纪基督神学中的宇宙创生，是一种神秘的“从无中创造”。乍看之下，即使在这样的限定条件下，人们依然会觉得将某种东西“创造”出来是不可能的。但这并没有违反任何物理学守恒律。设想一次自发的量子涨落产生了一个虚的粒子和一个虚的反粒子。如果每个粒子的质量都是　M，就要求总能量为2Mc2。但如果这些粒子之间存在某种吸引的相互作用，例如引力或电磁力（如果它们电性相反的话