偶然的宇宙

公元前5世纪，哲学家德谟克利特（Democritus）提出，万物皆由微小且不可分割的原子构成，原子的大小各异，质地不同——有的坚硬，有的柔软；有的光滑，有的粗糙。而原子本身，则被认为是既定存在的，又或可被称为“本原”（first beginnings）。19世纪，科学家发现，原子的化学性质周期性地重复，正如“元素周期表”中所呈现的那样，这一现象的缘由在当时是个未解之谜。直到20世纪，科学家才明白，原来原子的性质完全取决于其电子的数量和位置，电子即围绕原子核运动的亚原子粒子。现代物理学已经对此一一精确证实。最终，我们得知，所有比氦质量大的原子都产自恒星这一核聚变熔炉之中。

实际上，我们可以将科学的历史看作重新定义各种现象的过程。那些曾经被认为是“既定存在”的现象，如今可以通过基本原理和原则来解释，包括多彩的天空，行星运行的轨道，船在湖中驶过时尾迹的角度，六边形的雪花，大鸨在飞行时的重量，沸水的温度，雨滴的大小，太阳的圆形，等等。所有这些以及其他无数的现象，曾一度被当作天然如此，或者被当作后来偶然获得的产物，终归都被解释为自然基本法则下的必然结果。这一法则的发现者，正是我们人类。

科学史中这种迷人的漫长趋势可能行将结束。宇宙学思想的巨大发展、研究成果的长足进步，使一些世界上首屈一指的物理学家提出：我们所处的宇宙，不过是无数个宇宙中的一个，这些宇宙的属性千差万别，而属于我们这一特定宇宙的一些最基本的特征，仅仅是因为偶然——就像宇宙在随机掷出骰子。果真如此的话，那么以基本原理和原则来解释宇宙，就永远都是妄谈了。

不同宇宙间的距离几何？它们是否在时间上同时存在？也许我们永远都无法得知。但是，正如新的物理学理论所预测，多个不同宇宙之间具有相去甚远的特质，这一点几乎可以确定。有的宇宙和我们这个类似，也有恒星和星系；有的则不然。有些宇宙的大小可能是有限的，而另一些则是无限的。它们可能有5个维度，也可能有17个维度。物理学家们将全体宇宙统称为“多重宇宙”（multiverse），这个词听起来像出自罗伯特·海因莱因（Robert Heinlein）笔下的科幻小说。物理学家艾伦·古斯（Alan Guth）是宇宙学的思想先驱，他说道：“多重宇宙的观点严重破坏了我们从基本原理来理解世界的希望。” ¹ 并且，科学的哲学根基也被斩断了。这与诺贝尔奖获得者、物理学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）的话不谋而合，他可是言辞严谨如数学计算般的人，不久前他对我说：“我们一直走在揭开自然法则奥秘的道路上，如今正处在历史性的岔路口。如果多重宇宙的观念是正确的，它将颠覆基础物理的研究方式。” ²

最为温伯格口中的“岔路口”而苦恼的科学家，就是理论物理学家了。理论物理是科学中最深奥、最纯粹的分支，是在科学边界瞭望哲学与宗教的前哨站。

实验型科学家专注于观察和测量宇宙，找出宇宙中光怪陆离的事物。而理论物理学家并不满足于观测宇宙，他们想进一步求索现象背后的缘由。他们想用一些基本原理和基本参数来解释宇宙的所有特性。而通过这些基本原理，还能推导出“自然定律”（laws of nature），它支配着所有物质和能量。下面是物理学基本原理的一个例子，该原理由伽利略于1632年首次提出，由爱因斯坦在1905年加以扩展，内容如下：所有相对匀速运动的观察者所观察到的自然定律是相同的。根据这一原理，爱因斯坦推导出了整个狭义相对论。一个基本参数的示例为电子的质量，电子是自然界中二十几种“基本”粒子之一。对于物理学家来说，这种基本原理和基本参数越少越好。因为对理论物理来说，潜在的希望和信念一向都是：这些基本原理的限制是如此严格，以至于只有一个宇宙能够自洽，就像填字游戏只有唯一解法一样。而这个唯一的宇宙，当然就是我们生活的宇宙。理论物理学家都是柏拉图主义者。直到近几年，他们仍相信整个宇宙，唯一的宇宙，产生于一些对称性原理和数学真理之下，也许其中还有一些参数，比如电子的质量。似乎我们正在接近自己愿景中的宇宙，一切皆可被计算、预测和理解。

然而，当今物理学中的两个理论——“永恒暴胀”（eternal inflation）和“弦理论”（string theory）——认为，衍生出自然定律的基本原理，能够同时孵化出多个自洽宇宙，并且特质不一。这就好比你走进一家鞋店，量了一下脚长，发现5号鞋适合你，8号鞋也合脚，12号的你也能穿。这种模棱两可的结果，让理论物理学家十分不满。显然，自然的基本定律，没有界定一个唯一的、独特的宇宙。在目前很多物理学家看来，我们生活的宇宙只是无数个宇宙中的一个。我们生活在一个偶然的宇宙，一个科学无法计算的宇宙中。

“回想二十世纪七八十年代，”艾伦·古斯说，“那时我们觉得自己太聪明了，几乎想通了一切。”他的意思是，在自然界中的四种基本力中，物理学家已经对其中三种提出了非常准确的理论，它们是：将原子核中的粒子结合在一起的强核力，引起某些放射性衰变的弱核力，以及带电粒子之间的电磁力。并且第四种基本力——引力，有可能与量子物理学相结合，从而组成物理学家所称的“万有理论”（the Theory of Everything），也有人称其为“终极理论”（the Final Theory）。二十世纪七八十年代的这些理论，需要明确几十个与基本粒子质量相对应的参数，以及反映基本力强度的另外六个左右的参数。按照逻辑，下一步便是（如果可能的话）用一个或两个基本粒子的质量来推导大多数基本粒子的质量，用一个基本力的强度来推导所有基本力的强度。

有充分的理由认为，物理学家已经准备好迈出这一步了。事实上，自伽利略时代以来，物理学中发现了许多原理和定律，其中的自由参数越来越少，因此也与观察到的世界越来越吻合。例如，水星运行的椭圆轨道每世纪会有约0.012度的微小偏差，这一偏差就是根据广义相对论计算出来的。而电子的磁场强度（据观测为2.002319磁子），则是利用量子电动力学理论精准算出的。其他任何科学都无法像物理学这样，在理论与实验之间如此精确地一致。

古斯的物理学生涯，就是在这样一个欣欣向荣的科学时代中开始的。如今他已经64岁，是麻省理工学院的教授。他在30岁出头的年纪，就提出了对大爆炸理论（the Big Bang Theory）的重大修正，即“暴胀理论”（inflation）。现在有大量的证据表明，在大约140亿年前，我们的宇宙始于一块密度和温度极高的物质，此后一直在膨胀、扩散、冷却。暴胀理论认为，在我们宇宙初生的那不足万亿分之一秒的时间内，一种特殊的能量导致宇宙急速膨胀。转眼间，膨胀变缓，宇宙以大爆炸标准模型的速度从容地扩张。暴胀理论解决了宇宙学中一些悬而未决的问题，例如为什么在宇宙如此之大的尺度上，各处物质的构成如此相似。

5月一个凉爽的日子里，在古斯的麻省理工学院三楼的办公室里，我拜访了他。只见他办公桌上堆满了文件和空的健怡可乐瓶，几乎要把他掩埋其中。地板上还有更多的文件和几十本杂志散落各处。其实在几年前，《波士顿环球报》（ The Boston Globe ）主办了一场全市最混乱办公室比赛，正是由古斯拔得头筹。他说，奖品是一项服务——一名专业的收纳人员来办公室收拾一天。“与其说她是来帮我的，不如说是来添乱的。她把地板上那堆文件拾掇起来，竟按尺寸大小来分类。”古斯看起来仍有些孩子气。他戴着一副飞行员风格的眼镜，自20世纪60年代以来就一直留着长发，也一直喝着健怡可乐。“我当初走进理论物理领域，”他告诉我，“是因为我喜欢能用数学和逻辑来理解一切（即宇宙）的感觉。”说完这话，他便露出了苦笑。我们一直在讨论多重宇宙。

虽然多重宇宙的想法挑战了理论物理学家柏拉图式的梦想，但它确实能够解释我们这个宇宙中的一个事实，一个一直让科学家感到不安的事实：根据各种计算，如果宇宙中的一些基本参数的数值稍微再大一点，或者再小一点，生命就无法出现了。例如，如果核力比实际上稍微强一点点，那么在宇宙新生时，所有的氢原子都会与其他氢原子结合而形成氦，这样的话，宇宙中就不会留下任何氢原子。而没有氢原子，就意味着不可能出现水。尽管我们目前还远不能确定生命出现的必需要素是什么，但大多数生物学家相信，水肯定是其中之一。反之，如果核力比实际上弱很多，那么生物诞生所需的复杂原子就无法结合在一起。再比如，如果引力和电磁力的强度关系不像现实中这般，宇宙中的一些恒星就不会爆炸，从而无法向太空喷射出生命诞生所必需的化学元素；也不会有一些恒星能形成自己的行星系统。这两类恒星，对于生命的出现似乎都是必要的。总而言之，我们宇宙中的这些基本力的强度，以及其他一些基本参数，似乎是经过精心调整过的，为的就是生命能够存在。

认识到这种“调整”后，英国物理学家布兰登·卡特（Brandon Carter）在1968年提出了所谓“人择原理”（anthropic principle），即宇宙中的这些参数必须如此，因为我们人类在这里观察它。“anthropic”一词源自希腊语中的“人”，实际上，这一用词并不恰当。因为如果这些基本参数与实际中的情况天差地别，那么不仅我们人类不会存在，任何形式的生命都不会存在。

如果这些结论是正确的，那么最重要的问题当然是：为什么这些基本参数恰好在允许生命出现的范围内？是因为宇宙关心生命吗？“智慧设计论”（Intelligent Design）是其中一种解答。事实上，许多神学家、哲学家，甚至是一些科学家，已经将这种调整连同人择原理一起，视作上帝存在的证据。例如，2011年在佩珀代因大学举行的基督教学者年会上，著名遗传学家、美国卫生研究院院长弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins）说：“要形成我们这个宇宙，使其有可能产生复杂的物质，有可能产生任何生命形式，所有的条件都必须精准地出现在不可能之边缘……我们无法忽视造物主之手，他将这些参数设定得如此恰到好处，因为他想看到比无序的粒子更为复杂一些的东西。” ³

对大多数科学家来说，“智慧设计论”这一解答没有什么吸引力。而多重宇宙则提供了另一种解释。如果有数十亿个具有不同属性的宇宙——例如，有些宇宙的核力比我们宇宙的强得多，有些宇宙的核力则弱得多——那么在这些宇宙中，有些会出现生命，有些则不会。其中一些宇宙死气沉沉，只是一堆物质和能量的废墟，而另一些宇宙将出现细胞、植物、动物和思想。在多重宇宙理论所预测的数量庞大的宇宙中，有生命的宇宙所占的比例无疑是很小的。不过没关系，我们就生活在一个允许生命存在的宇宙中，否则我们就不会在这里思考这个问题了。

这一解释似乎也可以用来说明，我们何以恰巧生活在一个有这么多美好事物——氧气、水、介于水的冰点和沸点之间的温度等等——供我们舒适生存的星球上。这种幸福的巧合仅仅是好运吗？还是上天庇护？还是其他呢？都不是。这只是因为，我们无法在没有这些条件的星球上生存。很多其他行星可不会这么热情地对待生命。例如天王星，那里的温度是零下371华氏度；还有金星，那里下的是硫酸雨。

多重宇宙的观念对“精心调整”之谜给出了解释，在这种解释中，无需“设计者”的存在。正如温伯格所说：“几百年以来，科学之所以能削弱宗教的地位，不是因为其否定上帝的存在，而是根据对自然世界的观察，来将‘上帝’证伪。多重宇宙的观念，解释了这个适宜生存的宇宙，并非造物者的恩赐。因此，如果其正确，宗教的支持者将会更少。”

对于依靠人择原理和多重宇宙的概念来解释物理学中基本参数的值，一些物理学家仍持怀疑态度。而其他人，如温伯格和古斯，则选择勉为其难地接受，因为人择原理和多重宇宙观念二者结合，是目前对已观测到的事实的最佳解释。

倘若多重宇宙的观念是正确的，那么物理学的历史使命，也即用基本原理来解释宇宙的所有属性——解释我们这个宇宙的属性为何必然如此——就无法完成，就是一场注定无法实现的哲学美梦。我们的宇宙之所以是现在的样子，只是因为我们身处其中。这就好比一群有智慧的鱼，某天开始思考为什么世界上全是水。鱼群中的理论家，希望证明世界上必然要充满水，多年来，它们全心扑在这项任务上，却似乎永远无法证明自己的论断。然后，鱼群中的长者提出了假设，也许它们一直在自欺欺人。它们认为，也许还存在很多其他的世界，有些是完全干燥的，而有些是潮湿的，一切都介于这二者之间。

“精心调整”最显著的例子，就是科学家们意外探测到的“暗能量”（dark energy），它实际上需要用多重宇宙的理论来解释。位于智利，美国夏威夷州、亚利桑那州以及外太空的程控望远镜，每晚可以梳理上百万个星系。十几年前，天文学家利用它们发现宇宙的膨胀正在加速。自20世纪20年代末以来，人们就认识到，宇宙正在膨胀，这也是宇宙大爆炸模型的理论核心。传统的宇宙学思想认为，这种膨胀正在放缓。毕竟，重力是一种相互吸引的力，它会慢慢拉近物质间的距离。因此，在1998年，当两个天文学家团队声称，某种未知的力量似乎正在踩着宇宙的加速踏板，这着实令人惊讶。宇宙膨胀正在加速。星系像是被反重力排斥一样，正在远离彼此。天文学家团队成员之一的罗伯特·科什纳（Robert Kirshner）说：“这可不是我们认识中的宇宙。” ⁴ 物理学家将这种意料之外的宇宙力量称为暗能量。没人知道它究竟是什么。它不仅无法被观测，而且显然隐藏在真空之中。然而，根据我们对宇宙膨胀速度的观察，暗能量竟然占据了宇宙总能量的四分之三之多。暗能量是幕后的终极王者，是科学“房间中隐形的大象”。

暗能量的总量，或者更准确地说，每立方厘米空间中暗能量的总量，经测量约为一亿分之一（10 ^-8 ）尔格。（作为参考，一枚一分硬币从齐腰高的位置掉落在地上，其产生的能量约为300 000尔格，也就是3×10 ⁵ 尔格。）看起来可能不多，但在浩瀚的太空中，其总和堪称巨量。通过测量宇宙在不同时期的膨胀速率，天文学家能够确定这一数字。如果宇宙正在加速膨胀，那么它过去的膨胀速度相较现在就更慢。天文学家可以根据加速度的大小，计算出暗能量的总量。

理论物理学家对于暗能量的真面目提出了几种猜测。它可能来自某种幽灵般的亚原子粒子，这种粒子在消亡前能短暂地凭空出现，然后又悄无声息地退回真空中。根据量子物理学的观点，真空中充斥着亚原子粒子，它们无序攒动，在人们看到它们之前就消失了。暗能量也可能与一种假设中的、尚未被观测到的力场——希格斯场（Higgs field）——有关，希格斯场有时被用来解释为什么某类物质具有质量。理论物理学家总是思考其他人不会去想的问题。（注：在我撰写本文的一年后，也即2012年夏天，物理学家称已观察到希格斯场，详见《对称的宇宙》一章。）弦理论则认为，暗能量或许与高维空间——超越常规的长度、宽度与广度——压缩成远小于原子的体积的过程有关，因此我们无法察觉。

各种各样的假设，对宇宙中暗能量的理论可能值，给出了一个非常大的范围，从每立方厘米10 ¹¹⁵ 尔格到每立方厘米-10 ¹¹⁵ 尔格。（暗能量的负值表示其作用是使宇宙膨胀减速，这与观察到的情况相反。）因此，在绝对数量上，我们宇宙中被实际发现的暗能量的总量，与其可能存在的总量相比，是非常非常小的。单单下列这一事实就足够令人惊讶：如果有一把尺子从地球延伸到太阳，再将暗能量的理论可能值的范围标示在其上（从-10 ¹¹⁵ 到10 ¹¹⁵ ），那么，在我们的宇宙中实际发现的暗能量值（每立方厘米10 ^-8 尔格）与零点的距离，还不及现实中的一个原子的宽度。

不过，大多数物理学家都认同一件事。那就是，如果宇宙中的暗能量的总量与实际情况仅有一丝不同，生命就不可能出现。稍大一些，宇宙膨胀的速度就会过快，在宇宙形成初期，物质就无法结合在一起形成恒星，恒星中的复杂原子也就无从产生。如果暗能量为负值，再稍小一些，那么宇宙的膨胀就会迅速放缓，在形成最简单的原子之前便重新坍缩。

这是一个明显的精心调整的示例：我们宇宙中的暗能量总量有无数种可能性，而实际值恰好在允许生命存在的微小范围之内。这一点毋庸置疑。这与生命的存在是否需要水、氧气或者特殊的化学性质无关，它是从原子的角度来确定的——生命的存在需要原子。和之前一样，人们禁不住会问：为什么会有这种精心调整呢？许多物理学家如今相信的答案是：多重宇宙。可能存在无数个宇宙，它们各自所拥有的暗能量总量也各有不同。其中，有一些宇宙的暗能量总量很小，所以生命才得以诞生，而我们这个特定的宇宙，就是其中之一。因为我们存在于此，所以我们的宇宙必须如此。我们是一个偶然。在包含数十亿个宇宙的彩票池中，我们恰巧抽中了允许生命存在的那一个。但话又说回来，倘若我们没有抽中，也不会在此思考其中的概率。

多重宇宙的观念之所以令人信服，不仅是因为它解释得了“精心调整”的问题。如前所述，多重宇宙可能存在是根据许多现代物理学理论推测出来的。“永恒暴胀”理论就是其中之一，它由保罗·斯泰恩哈特（Paul Steinhardt）、亚历克斯·维连金（Alex Vilenkin）和安德烈·林德（Andrei Linde）于20世纪80年代提出，是对古斯的“暴胀理论”的修正。在暴胀理论中，新生宇宙的急速膨胀，是由一种能量场（比如暗能量）引起的。能量场被暂时困在宇宙非最低能量水平的环境之中——就像一枚弹珠待在桌面的小凹槽里。这枚弹珠一旦受到挤压，就会滚出凹槽，滚过桌面，然后落在地板上（也即可能的最低能量水平）。在永恒暴胀理论中，暗能量场在宇宙空间各处分布不均，如同许多弹珠分布在宇宙这张巨大桌面的不同凹槽里。在量子力学固有的随机过程中，每一枚弹珠都会受到挤压，其中一些弹珠就会开始滚过桌面并掉落在地板上，然后开始新的“大爆炸”，产生新的宇宙。因此，原始的、快速膨胀的宇宙在一个永无止境的过程中产生了大量的新宇宙。

同样地，“弦理论”也预测了多重宇宙可能存在。“弦理论”出现于20世纪60年代末，最初是关于强核力的理论，但很快，它的应用范围就远不限于此。弦理论假设，物质的最小组成部分不是如电子那样的亚原子粒子，而是一种极其微小的一维能量——“弦”（strings）。这些基本弦元素会以不同的频率振动，如同小提琴的琴弦一样，而不同的振动模式则对应着不同的基本粒子和基本力。除了三维空间，弦理论通常还需要另外七个维度的空间，这些额外的维度被压缩至我们从未观测过的极小尺度，就像从很远的地方观察花园中一条三维的水管，看起来就像是一根一维的线条。事实上，弦理论中的额外维度，有着许多种折叠方式，有点儿像一张纸可以以许多种方式折叠起来，而每一种不同的折叠方式，都会相应地产生具有不同物理特性的宇宙。

最初，人们希望物理学家能在加入极少附加参数的条件下，利用这种关于“弦”的理论——物质世界的一切都是基本弦元素振动的表现——来解释自然界中所有的力和粒子。至此，弦理论将成为柏拉图式理想的化身，以少数基本原则来彻底地解读宇宙。然而，在过去的几年中，物理学家们发现，在弦理论的预测中，并不只存在一个唯一的宇宙，而是存在大量的具有不同特性的可能的宇宙。据估计，“弦论景观”（string landscape）中包含了10 ⁵⁰⁰ 个可能的宇宙。这个数字，实际上等同于无限。

必须指出的是，无论是“永恒暴胀”还是“弦理论”，都没能如广义相对论或量子电动力学等先前的物理学理论那样，有科学实验的支持。它们其中之一或二者最终都有可能是错误的。尽管如此，一批世界顶尖物理学家，仍献身于对这两个理论的研究之中。

让我们再次回到那群有智慧的鱼群之中。鱼群中的长者猜想，在它们所在的世界之外，还有许多其他的世界，有些有旱地，有些都是水。有些鱼勉为其难地接受了这个解释，有些则感到如释重负。有些鱼觉得它们终其一生的思索失去了意义。而有些鱼则仍然深感担忧，因为它们无法证明这个猜想。这种不确定性也困扰着许多正在适应多重宇宙观念的物理学家。我们不仅必须接受我们宇宙的基本属性是偶然的、不可计算的，还必须相信存在着许多其他的宇宙。但我们想象不出任何方法来观察这些宇宙，也无从证明它们的存在。也就是说，为了解释我们在客观世界中之所见以及心中之所想，我们必须相信自己无法证实的东西。

听起来很耳熟对吗？神学家总是为宗教信仰披上信念的外衣，科学家则不然，如此论证实在与科学精神背道而驰。我们所能做的，就是希望这些预测多重宇宙的理论也能做出其他预测，以供我们在当前宇宙中验证其真伪。至于其他宇宙，几乎只能存在于猜想之中了。

“在发现暗能量以及多重宇宙观出现之前，我们对自己的直觉信心满满，”古斯说，“我们仍有许多事物要去理解，但将无法获得用基本原理揭示一切的乐趣。”人们不禁要问，如果25岁的艾伦·古斯投身于当今的科学界，他是否还会选择理论物理呢？