宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第37部分

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　　　　②　这个比喻的大致意思是，北极点上没有北，就像处于“无边界”状态的宇宙没有时间。——译者注
　　　　图11。6　在哈特尔和霍金的“无边界”理论中，宇宙初始状态的时间变成了第四维空间（或者叫做“虚时”），当时宇宙的体积非常小。时间轴本应该是上下方向的，但在图中弯曲成了水平方向的，这样就形成了一个光滑的圆形边界，使得时间没有起点。早期宇宙的时空演化就像一个羽毛球
　　　　实际上，这个无边界条件想要描述的是，宇宙在一次量子事件中从无中产生＇21＇时的状态。这种宇宙的故事是这样开头的：很久很久以前，那时还没有时间。
　　　　不过，这种表述并非没有问题，它也不是宇宙唯一可能的初始量子状态。艾力克斯·维连金提出了另一种初始状态，对于最有可能从无中产生的宇宙，这种想法得出了完全不同的结果。＇22＇最终，维连金的初始条件看起来更合理，因为它倾向于产生体积小、温度高、密度大的宇宙——非常像标准宇宙学理论中炽热的早期宇宙。而哈特尔–霍金的表述则要求，最可能产生的宇宙是无穷大的，而且空无一物。＇23＇
　　　　自己制造自己的宇宙
　　　　世界上唯一的新事物就是你所不知道的历史。
　　　　——哈里·S。杜鲁门（1884～1972，美国前总统）
　　　　无需借助高深的虚时和量子力学，我们也能推导出同样的结论，即宇宙的开端并不是炽热的、奇异的，因为当我们向越来越久远的过去追溯时，时间的概念就消失了。我在1986年提出了一个简单的例子，如果要求时空中的所有路径都形成巨大的闭合回路的话，就会产生一种有过去但没有开端的宇宙。＇24＇
　　　　我们在哥德尔的不膨胀宇宙模型中见到过，闭合回路的存在会导致时间旅行，这是爱因斯坦方程组所容许的。那个宇宙不膨胀，但我们也可以设想一个膨胀的宇宙，其中所有粒子和光线的路径都形成了闭合回路，回路的周期极为漫长（超过一千亿年）。在这个宇宙中，我们不会注意到任何诡异之处。但如果我们回溯宇宙的过去，最终却能预知宇宙的未来。这种宇宙并没有时间上的开端。它只是“存在”（is），不过就像比尔·克林顿一样，你必须解释清楚“存在”的含义①。
　　　　①　在莱温斯基丑闻中，克林顿曾在否认存在不正当关系时用“there　is　not”玩弄文字游戏。“there　is　not”既有不存在不正当关系之意，也可作现在不存在不正当关系解。——译者注
　　　　这种模型回避了时间的起源。后来，普林斯顿大学的理查德·果特和李立新在此基础上对细节上加以完善。＇25＇他们修改了永恒暴胀宇宙模型，提出宇宙也可以自己制造自己。
　　　　永恒暴胀的宇宙见证了新的“婴儿”宇宙不断从母宇宙中产生的过程。如果我们生活在其中一个宇宙中，就能追根溯源找出我们的“母”宇宙，以及母宇宙的母宇宙，依此类推。我们已经知道，可能（有人也许会说，是非常可能）追根溯源的过程永远不会有尽头，而制造宇宙的过程或者说多重宇宙并没有开端。但是果特和李提出了一种新的假说，认为其中一个子宇宙的分支会绕回去，自身构成一个回路，从而形成一段闭合的时间循环，看起来就像自己“制造”了自己。如果所有的分支都来自同一个或者几个这样近亲繁殖的分支，宇宙就成了它自己的母亲，因此就不存在所谓的开端了（图11。7）。
　　　　图11。7　果特和李的“自己制造自己”的宇宙。开始时的时间形成闭合回路，因此宇宙就是它自己的祖先。这是哈特尔–霍金模型在非量子力学、“实”时条件下的对应版本
　　　　相撞的宇宙
　　　　最近我在　M5高速公路上行驶时，我的车被一辆呼啸北去的卡车超过了，车上面写着“马尔文矿泉水”的字样。几分钟以后，我又看到一辆类似的车在向南开，上面写着“高地矿泉水”。现在人们都疯了吗？
　　　　——史蒂芬·派米诺夫＇26＇
　　　　从前有个说法是，如果膨胀宇宙的密度超过了临界值，它就会转为收缩，经历大塌缩，然后再“反弹”，回到一个新的膨胀周期，接着再收缩再反弹，永无止境。这个模型是“一次性”闭合宇宙的扩展，是由理查德·托尔曼在1934年首次提出的。但是他又指出，热力学第二定律会导致宇宙的能量不断转化成更无序的形式，例如辐射，这会导致循环的尺寸和周期不断变大。最近，在1995年，马留斯·东布罗夫斯基和我证明了，如果存在爱因斯坦的宇宙学常数，那么不管其数值有多么小，这种振荡总是会结束，最后经历的是指数膨胀（图3。20）。＇27＇
　　　　2001年，循环宇宙模型又重新唤起了人们的兴趣。贾斯汀·考利、伯特·欧伏特、保罗·斯坦哈特和奈尔·图罗克在弦论的基础上提出了一个新的版本。＇28＇他们称之为“浴火重生”的宇宙（ekpyrotic　universe），这是为了纪念古希腊支持循环宇宙观点的斯多葛派哲学家。希腊单词ekpyrosis表示那场毁天灭地的大火，每隔一段时间宇宙就会陷入这场大火，毁灭，然后像凤凰一样重生。
　　　　新版的循环宇宙模型认为，宇宙存在一个拥有最大对称性的天然初始状态。弦理论只有在空间维度超过我们所熟悉的三维时，才有可能成为自洽的包罗万象的理论。为了让这一预言与我们日常的经验相符，人们认为其中只有三个维度变得非常大，也许宇宙的暴胀以某种特殊的方式选择性地作用在了这些维度上，而其他维度至今仍然十分微小，人们对此无法察觉。维度的大小分化必然发生在宇宙非常早的时期，大概在10…43秒左右。浴火重生理论的创始人认为，宇宙有一个天然的初始状态，即两个三维宇宙（叫做“膜世界”＇29＇）沿着额外的维度相互靠近。这两个宇宙的运动就像两个完全平行的能量箔相互靠近，最后撞在一起。它们相撞时会产生熊熊大火，继而发生反弹，回到膨胀的状态。人们认为，这样的碰撞和反弹并不会产生传统大爆炸模型面临的棘手问题，因为其中并没有产生温度、密度等物理量的无穷大，而且空间和时间的结构仍然是光滑的。碰撞释放的能量转化成了基本粒子，进而影响了宇宙的膨胀。人们希望这个理论所预言的膨胀速率恰好是临界值，而且宇宙的温度分布图之中会表现出微小的涨落，与人造卫星正在进行的探测相吻合。
　　　　这个大胆的理论能不能做出一些与暴胀理论不同的可观测的预言呢？这个理论自洽吗？这都是令创始人头疼的关键问题。这个理论可以只碰撞一次，将收缩转化为膨胀，也可以经历无数次的膨胀和收缩。＇30＇随着一个又一个周期的轮回，宇宙的总熵持续增加，但是你所能观测到的那部分宇宙中的熵并没有大得令人无法接受，因为在每一个周期里，早期急促的加速膨胀稀释了上一个周期中产生的熵。但是这个理论中也有一个与之前类似的问题，那就是随着一个又一个周期的轮回，长寿命的黑洞会逐渐积累，赶上下一次碰撞，并且每次发生收缩以后，都会造成各向异性在新一轮膨胀中急速增长。＇31＇
　　　　其他纯理论的高能物理机制也吸收了膜世界的部分设想，不过并不包括那毁天灭地的碰撞。在空间的另外一个维度中，离我们的宇宙非常近的地方也可能存在另一个三维的宇宙。如果其他的膜世界与我们发生相对运动，它就会改变现有的物理状态，产生可观测的效应：可能会改变传统的自然常数，也可能会激发宇宙的暴胀。不过，研究这种理论的主要动机并不在宇宙学。有人提出，引力相互作用在所有的空间维度中传播，而其余的强、弱和电磁相互作用则不是这样（图11。8）。这可能可以解释为什么引力比其他相互作用弱得多，甚至这还能解释为什么宇宙中的发光物体似乎比参与引力相互作用的物体少得多。从引力传播的距离来看，附近的膜世界可以离我们很近，但从光线传播的距离来看，又会是十分遥远，图11。9是这种情况的示意图。
　　　　图11。8　（a）电磁的、放射性的和原子核的相互作用被局限在了三维的膜世界之中，而引力则能够在空间的所有维度中传播。因此，引力比膜世界上的其他相互作用弱得多。（b）两个膜可以相互平行，仅仅相距不到　1　毫米，也可以紧贴着自己折叠起来。光线在折叠的膜空间中传播，而引力可以在高维空间中传播，并且能够穿过折叠的膜之间的“空隙”，这个距离要比沿着膜世界到达另一端的距离小得多，因此实际产生的引力效应要比“看”上去应该产生的强得多
　　　　图11。9　我们的宇宙可能处在一个膜上，和不远处另外一个膜保持平行。两个空间位于“块”空间的一个截面上
　　　　说起混沌的永恒暴胀宇宙模型时，默认的假设是，我们所在的这一片空间经历了巨大的暴胀，比可见宇宙的范围还要广阔得多。尽管这一点很不自然，但可能是正确的，因为如果暴胀的程度仅仅局限于能够解释我们所看到的东西，那么我们早就受到“隔壁宇宙”不同类型暴胀的影响了。如果真是这样，我们就会看到隔壁存在一个空间泡，并且对宇宙膨胀产生了影响。最终产生的主要影响是，我们会看到宇宙的膨胀变得扭曲了，微波背景辐射的各向同性也被破坏了。不过，如果外来的泡泡第一次和我们的空间发生接触，又会产生什么影响呢？人们对这个问题做了一些尝试，他们研究了一个空间泡经过蜻蜓点水式的接触之后，
　　　　图11。10　两个泡泡“宇宙”相撞以后，会在微波背景辐射中产生温度条纹
　　　　在我们宇宙的边缘留下的某种“疤痕”看起来是什么样子的。我们很可能看到天空中的微波背景辐射的温度谱中出现了一些条纹。＇32＇迈克尔·萨利姆模拟了这种效应，图11。10画出了微波背景辐射中的条纹。不过，这只是其中最简单的一种模型；如果情况更复杂，来犯的时空中可能存在相当不一样的物理机制（或者里面只有反物质），那么它同我们的时空泡接触时就会导致灾难性的后果。幸运的是，我们估计宇宙相撞的概率十分低，不过我们也一度认为小行星和彗星撞击地球的概率也很低。
　　　　光之死亡
　　　　不要温和地走进那良暮……愤怒吧，为光之死亡而愤怒。
　　　　——迪伦·托马斯（1914～1953，英国诗人）＇33＇
　　　　我们知道，在几种宇宙学模型中，传统的自然常数会随着时间变化，甚至还会随着地点变化。安迪·阿尔布雷希特、荣·马戈依卓＇34＇和我在1998年时提出了其中一种最为激进的模型。这个模型研究的是，如果早期宇宙的光速是可以变化的，又会产生什么影响。这种想法就像短暂的暴胀或者宇宙的加速膨胀一样，会导致一些非常有趣的现象。如果宇宙的甚早期存在一段光速不断降低的短暂时期，宇宙膨胀的速度就会趋近开放宇宙和闭合宇宙之间的临界值，而且磁单极子也会消失，不规则性会被抹平。＇35＇所有这些现象都令人非常满意，也为当初20世纪80年代宇宙学所面临的诸多问题提供了另一种解决方案。这个模型似乎还能降低宇宙学常数项的影响，而这是暴胀模型无法做到的。＇36＇
　　　　这种非典型的模型不要求今天的光速仍在发生变化。为了产生这些现象，光速的变化只需要像暴胀一样，在宇宙仅仅诞生10…35秒后的一瞬间完成。该模型所面临的挑战在于，它得想办法产生宇宙的密度涨落，这是星系形成的种子，而且所产生的涨落还要体现在微波背景辐射的各向异性之中。暴胀模型可以同时满足这两个要求，因此看起来很诱人。像这样的宇宙学模型，有人尝试用别的方法来产生涨落，不过这些都还需要进一步的研究。＇37＇
　　　　这种光速可以变化的理论被简称为VSL（varying　speed　of　light）宇宙学。这说明宇宙学家变得多么开明，曾经被认为是神圣不可侵犯的基本常数，在他们看来也许是变化的。导致想法解放的原因之一是弦论，因为人们已经知道许多常数可以从弦论中算出来。从这些理论中得到的真空态体现出巨大的多样性，这意味着其中存在数不尽的自然常数的不同“套餐”，它们都会各自产生自洽的宇宙。这些常数看起来就像通常的事物一样，可以遍及所有类型的取值。如果宇宙从一个真空态演化到另一个真空态，这些常数的取值就会变化。自然常数在万事万物中的地位显著地降低了。另一种关于宇宙的新想法加速了人们态度的转变，进一步降低了“常数”的地位。这种想法要求我们跳出日常经验中的时空维度，在这个范围之外寻找真正的自然常数。