进入迷宫_宇宙起源
“太好了，华生，太好了！”
引自《银色马》①
我们周围所有的东西，从白菜到国王，都具有密度和硬度，事情之所以如此，是因为宇宙的这些造物都具有某些恒定不变的特征。这些不变的特征称为“自然常数”。它们出现在我们的自然定律中，使诸如引力强度、物质基本粒子的质量、电和磁的强度、或真空中光速之类的量具有确定的值。如果它们不能用其他自然常数来表示，那么就称为“基本常数”。这些物理量中，绝大多数都可以用非常高的精度予以测量。这些常数所具有的特定数值，则将我们的宇宙与我们可能想象到的、服从同一些定律的其他宇宙区分开来。然而，尽管这些常量出现在所有的自然定律中，但是从根本上说它们却是有关宇宙结构的最深刻的疑谜。为什么它们具有我们测量到的特定值？物理学家们总是梦想提出某些完整的物理学理论，在这些理论中可以对基本常数的值作出预言或阐释。已经有许多大科学家对此作了尝试，然而可悲的是，他们都未能在这一问题上取得任何进展。
近年来，竭力为宇宙及其初始条件作出某种量子描述的尝试，出乎始料地为解释自然常数之值提供了一条可能的途径。
由哈特尔和霍金首先提出的寻找宇宙波函数的总体想法，是假定在整个宇宙的量子特征变得占压倒优势的密度下，宇宙的表现行为像一个 4 维的球。但这时有些宇宙学家就开始发问了：如果这个球的表面并不那光滑可爱，那又会发生什么情况？假定在它的表面凿洞，并用把手和管子将这表面的一部分与另一部分相连。这些管状的连接物称为“蛀洞”。它们是当不存在这些管子时原本离得很远、或者不能互相交往的时空区域之间的联系物。
这样的精心琢磨有几方面的动机。动机之一是物理学家们具有这样的倾向：适当改变他们所持有的世界图景中的某些东西，探索由此造成的后果，以便发现会不会出现能为某些未解的自然之谜提供某种解释的新事物。但是，还有一件更具体的当务之急，关于在 10-43 秒的普朗克时期，以及在此之前空间和时间的状态，现有的直观图景认为它像一个由量子不确定性主宰的激烈骚动的泡沫。及至 10-43 秒时，光已行进的距离为 10-33 厘米，存在着这种尺度的蛀洞，便是对这种空间杂乱地互相连结的状态的某种记录。
对于空间全局性质图景的这种增补，使整个宇宙可能具有的复杂性增长得令人大吃一惊。它可以由为数巨大（甚至无限）的、通过蛀洞与自身相连、或彼此相连的空间区域组成。在图 10·2 所示的情形中，有一个大的区域— —“母宇宙”——与大量较小的“孩儿宇宙”①相连。为了理解在此类情况下会发生什么事情，有必要仅仅考虑最简单的那类蛀洞连接——只容许蛀洞连接“各个宇宙”，而不容许蛀洞本身彼此相连。
这种简化称为“稀薄蛀洞近似”，因为它和适用于描述普通气体行为的
① 《银色马》，福尔摩斯探案之一。故事中福尔摩斯在向华生简介案情时，后者插问了一个关键问题，于是福尔摩斯发出了章首所引的感叹语。此处寓意为本章触及了一些极其关键而又微妙的问题——译者
① “母宇宙”英语原文 mother universe；“孩儿宇宙”原文 babyuni Verse，目前不但尚无既定译名，而且甚至很少有人将其译成中文。现暂作此译——译者 某种简化假设——即“稀薄气体近似”相似。稀薄气体近似的前提是承认下述事实：气体中的分子在运动时会互相碰撞，但是分子在两次相继的碰撞之间行进的时间，要比碰撞过程本身花费的时间长得多。当这一点不成立时（例如气体正在凝结为液体），气体的行为就变得非常复杂。许多分子同时在相互作用。稀薄蛀洞近似是在相互作用存在于诸“宇宙”之间的情况下所作的简化。
它假设蛀洞仅仅连接大的平滑区域。这意味着它们决不分裂成两个蛀洞管，也不会将蛀洞与其他蛀洞相连（图 10·3）。
如果事情只是像表面看来的那样——只是为了推广而推广，那么它纵然美妙也无济于事。但它实际上提供的东西还要多得多。存在于任何大“宇宙”区域上的自然常数值，可能为与该区域相连的涨落着的蛀洞联络网所决定。但是，由于这种蛀洞联络具有量子不确定性的全部特征，所以这些常数并不是精确地、而是从统计上确定的。
可供研究的最简单的情形是，处理引力定律中著名的“宇宙学常数”项，爱因斯坦曾引入这一项以得到一个静态的宇宙模型，但后来又舍弃了。它产生某种长程的斥力，与质量间的引力吸引相抗衡。虽然人们可以像宇宙学家们通常所做的那样，完全忽略在普通的引力定律中添加这一项的可能性，但是并没有理由说明它为何应当可以忽略。这种不知其所以然的局面颇为令人不悦。对宇宙膨胀速率所进行的天文观测表明，字宙学常数即便存在的话，也必定小得出奇。它若表示为一个纯数，则必定小于 10-120！这意味着可能有什么未知的自然定律要求这个数实际上为零。然而，对早期宇宙中基本粒子和能量场的行为所作的研究，似乎全都导致相反的结果，它们不仅预言应该期望存在着某个对引力行为起一定作用的宇宙学常数，而且还预言它是非常巨大的——远比我们今天观测到的膨胀所容许的值大得多，也许甚至要大 10120 倍！这是一个大问题。我们称它为宇宙学常数问题。
美国物理学家西德尼·科尔曼（Sidney Coleman）作出了一项惊人的发现。如果某个宇宙开始时具有一个对引力强度有一定贡献的宇宙学常数，那么它对蛀洞的效应乃是产生某种相反的应力，后者可中和宇宙学常数的效应，而达到固有的量子确定性水平。结果，有了蛀洞涨落便导致如下的预言：当母宇宙变大（如今天我们的可见宇宙）时，宇宙学常数占绝对优势的可能值就是零——准确到极高的精度（见图 10.4）。
迄今为止，这一成就尚未被推广到预言诸如电子质量或电荷那样的非零自然常数值。然而，考虑这类预言可能具有何种性质却极富于启迪意义。
假定我们能够计算给出今日宇宙中电与磁强度的那个常数的概率分布，则结果也许会像图 10·5 呈示的某种形式。
在第一种情况下，取所有的值都有着同样的可能性，故该理论不能作出可与所讨论的基本常数观测值相比对的预言。在第二种情况的宇宙中，所讨论的常数值处于图中峰值时的可能性远大于取任何其他值。大多数宇宙学家将这样一个峰值解释为我们理应观测到的状况，因为它标识了最可能出现的情形。如果牛顿引力常数值的预期概率分布在观测值附近有很强的峰，那么我们就将视其为一项惊人的成就。我们似乎也应当能用对自然常数的观测结果来探索普朗克时期之前的量子引力理论。不幸的是，迄今的努力业已证明，要从理论上作出这样的预言那委实是太困难了。
许多物理学家相信，对所有的自然定律必定存在着某种单一的描述，它 可以将我们所知关于引力、电、磁、放射性和核物理的所有不同的力全都统一起来。人们已为自然定律的这一最终表达形式起了一个谑名叫做“全能理论”。物理学家对它的希望之一是，它将使自然常数具有、而且仅仅具有一组逻辑上相容的值。如果我们能够发现那个“全能理论”，那么它就应该告诉我们这些基本常数的值。这将是此种理论的最终检验。然而，即使某种“全能理论”确定了自然常数在每个“孩儿”宇宙和“母”宇宙上的初始值，它们之间的蛀洞联络仍会造成使那些常数值偏移的涨落。它们的测量值将漂离一开始给定的值。因此，今天它们的观测值并不一定与全能理论给出的那些值相符。
现在我们来考虑图 10·5 的 3 种情况中的最后一种（c）。这里，可能值在很大范围上具有相当均匀的概率分布。有一个最可能的值——但是很勉强。它道出了所有各种棘手的问题。为什么要将对我们的宇宙的观测结果与对“最可能的”宇宙所作的预言相比较？我们是否应该预期，在某种量子的意义上，我们的宇宙亦挤身于“最可能的”之列？我们将会论证，有许许多多理由应该预期，我们的宇宙不在最可能之列。
在本书的开头几章，我们引入了膨胀宇宙的概念，并说明它怎样造成了一个其尺度与我们本身之存在密切相关的宇宙。为了造就恒星，需要一个古老的宇宙；恒星产生为相继演化出复杂事物和“观测者”所需的比氦更重的核素。这类思考可以进一步发展到考虑这样的问题：存在着像我们（或者甚至不像我们）这样的观测者，如何要求自然常数之取值与其观测值相去不远。自然界的引力强度如果稍有一点差异，或者电磁力的强度稍稍遭到扰动，那么稳定的恒星可能就不复存在，原子核、原子和分子的种种精确地平衡着、并能形成生命的性质亦将毁于一旦。生物学家们相信，生命的自然演化需要有碳存在，碳具有异乎寻常的灵活性，所以它成了生命体中像脱氧核糖核酸和核糖核酸那样的螺旋分子的基础。碳的存在不仅依赖于宇宙的年龄和大小，而且还依赖于决定着原子核自然能级的那些自然常数值之间令人惊异的表观巧合。当恒星中的核反应将氦（具有两个中子和两个质子）与氦结合成铍时，这与再加上一个氦核而形成碳就只有一步之遥了（见图 10.6）。
氦核＋氦核＝铍核
铍核＋氦核＝碳核
碳核＋氦核＝氧核
图 10·6 氦核聚变为铍核，然后又聚变为碳核和氧核的核反应链
但是，要在宇宙中产生多得举足轻重的碳，上述核反应就显得太缓慢了。这一确确实实存在着的事实，促使弗雷德·霍伊尔早在 1952 年就作出了一项惊人的预言。他预言碳原子核必定具有一个始料未及的能级，其位置正好略高于氦核和铍核的能量之和。这种情况造成某种特别迅速的反应，因为在恒星中相结合的这两种粒子的能量造成了某种所谓的“共振态”，它正好具有一个人们所盼望的自然能级。事实证明霍伊尔是正确的。核物理学家们惊奇地发现这个能级准确地处于他所预言的位置上。后来由于对整个核天体物理学作出巨大贡献而荣获诺贝尔奖的威廉·福勒（WilliamFowler）说过，正是霍伊尔的预言使他确信自己应该投身于这一领域的工作。要是有谁能告诉他，单单凭着对恒星的思索就可以在某处发现一个核能级，那么归根到底，在天体物理学这一行当中就必定有事可干。
这种情况还具有更进一步的重要性。如果自然常数稍稍有一点差异，那 么共振态就将不复存在，我们自身同样也就不会存在，因为这时宇宙中就不会有足够数量的碳。然而，事情还不止于此。碳产生之后，还得由碳与又一个氦核发生核反应而转化为氧。可是，这种反应并不是共振的——仅相差更加微乎其微的那么一点儿。碳和氦的能量比氧的自然能级刚刚高一些，因此碳勉勉强强地刚好留存了下来。
这些例子告诉我们什么呢？它们说明宇宙中之所以存在复杂的结构，可能是由自然常数值的种种表观巧合互相结合所致。倘若这些值有了些微的变化，那么演化出具有意识的观测者的可能性便将消失。我们并不能从这种值得庆幸的事态引伸出任何伟大的哲学结论或神学结论。我们不能因此就说宇宙是为有生命的观测者而“设计”的，或者说生命非得存在不可，或者说在宇宙中的其他什么地方一定存在着生命，甚至也不能说生命将继续不断地存在下去。这些猜测中的任何一个，或者是所有这些推测，都既有可能是对的、也有可能是错的。眼下我们全然无可奉告。我们需要认识到，为了使一个宇宙包含有生命的观测者（或者只是包含原子和原子核），自然常数（无论如何，即便不是全部、也是其中的绝大部分）都必须取非常接近于观测到的值。
记住这一点，我们再来看一下图 10· 5（c）。容许逐渐演化出生物学复合体的那些常数取值范围是很狭窄的，这可以在图中标出来。容许出现观测者的范围不仅非常之小，而且或许与理论预期的最可能值相去甚远。这样的话，将理论与观测进行比较就变得非常困难。我们并不当真对这些常数的最可能值都感兴趣。我们感兴趣的，应该只是容许演化出观测者的那些最可能值。夸张一点说，如果由引力强度的最可能值导出的宇宙只能存在十亿分之一秒钟，那么我们就决不会正生活在最可能的宇宙中。
我们已经懂得了一件非常重要的事情。当我们有了从宇宙的量子起源直到对宇宙结构作出统计预言的某种宇宙学理论时，为了对照观测事实以检验这些预言，我们就必须知道为演化出观测者而预言某量必取某值的一切途径（见图 10· 7），某量容许生命存在的取值范围可能是非常小的，因而从某种绝对的观点来看是极不可能的。尽管如此，我们还是不得不看到自己正寓居于这样一个不太可能的宇宙中，因为我们不可能是存在于别的宇宙中。我们穿越蛀洞的迷宫，前往时间之开端，这曲曲折折的旅行径直将我们引向这样一个事实：我们自身之存在，乃是我们寻求宇宙起源及其全部非凡特征的重要论据。逃避这些结论的唯一办法，是假定“生命”乃是一种普遍现象，它不顾自然常数为何值而千方百计地出现了。这很难与我们关于生命的知识和经验相调和。即使具备了我们所有的那些常数值，要演化出具有意识的生命（而不只是复杂的分子）看来也是很成问题的。生物学家们强调指出：有不计其数的演化途径都是通往死胡同。我们并不在意宇宙中是否存在种种其他形式的生命，但是我们相信，如果它们是自然进化而来的，那么它们必定是以原子——尤其是以碳原子为基础的。其他类型的生命当然也可以存在，例如我们正在尝试产生以硅为基础的简单生命形式，尽管它们并没有自然地进化出来，但我们却已向它们伸出了援助之手。
当前，研究“人工生命”（与“人工智能”相对）是一个非常引人入胜而日见兴旺的研究领域。它使物理学家、化学家、数学家、生物学家和计算机科学家聚集到一起，以研究那样一些复杂系统的性质，这些系统具有我们常将其与“活的”东西联系在一起的部分或全部性质。大多数此类研究工作都用到快速计算机成图，以模拟复杂系统与环境相互作用的行为、以及它们 自身的成长发展与复制等等。最后，这类研究必将为弄清那些错综复杂的条件作出十分重要的贡献：对于出现足可称为“具有意识的观测者”那样的复杂结构而言，此类条件乃是至为重要的。
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