我们对于天空是对引力的最好的描述

【后记】

我们对于天空的认识最重要的发展之一就是这样一个现实：为了研究我们所知的最大尺度的事物—宇宙—我们不得不研究我们所知的最小的事物—构成物质的基本粒子。

近年来，奇怪而复杂的弦理论产生了“平行宇宙”的想法。如果实验能够验证多维弦论，那么我们最终会有一个完全不同的世界观。就像哥白尼教给我们地球不是宇宙的中心，哈勃教给我们银河系只是数十亿星系中的一个，弦论学家告诉我们，我们的整个宇宙可能只是众多宇宙中的一个。宇宙的整个集合称为多重宇宙。

在过去的几个世纪里，物理学家已经越来越深入地研究物质的基本构成。下面是一个对我们研究的越来越小粒子的快速总结：

19世纪——我们发现物质由原子组成。

20世纪早期——我们发现原子有一个核。

20世纪中期——我们发现原子核由基本粒子构成。

20世纪后期——我们发现这些基本粒子由夸克构成。

今天——我们推测夸克由叫作“弦”的奇异东西构成。

物理学家史蒂芬·古布泽在他的《弦论小书》开篇说道：“弦论是一个谜。”这些理论的最基本观点就是：夸克由叫作“弦”的极小实体构成。顾名思义，你可以把它们想象成小提琴或吉他的弦，而不同的夸克对应不同的琴弦的振动模式。有许多弦论的不同版本，但是为了我们的研究目的，我们可以专注于使之尤其有趣的一对特性：

·它们结合了引力和其他基本力（见下页），因此可以描述大爆炸的最早阶段。

·它们在数学上很复杂，通常涉及10或11个维度的弦振动。

这第二点对我们大多数人来说太陌生了，我们最好先说明一下它。我们的日常世界有四个维度——三个空间维度和一个时间维度。空间维度是前后、上下和左右。我们不习惯用这样的方式去思考时间，但“之前和之后”是我们熟悉的概念。

弦论认为弦和膜组成多维宇宙。艺术家构想图：在此宇宙中膜是如何叠加在一起的。

当物理学家开始发展弦论时，他们发现能让计算避免发散到无穷的唯一途径就是去增加维度。（在物理学的术语中，我们说这个理论只能在多维世界中“可重整标准化”。）所以，如果理论只有在10或11维度才有意义，而对于生活在四维世界中的我们来说，要做什么呢？

一个简单的比喻说明弦论者可以绕过这个问题。想想躺在草坪上的花园软管，如果你看远处的软管，它是一条线。如果你想沿着软管移动，你只有两种选择——向前和向后。这意味着，从远处看，软管是一维物体。然而，如果你接近软管，你看到它实际上有三个维度——它也有着左右和上下。同样的道理，弦论者坚信，弦在我们从远处观察时创造了一个四维世界，只有我们接近时，其他的维度才会明显起来，而这却是我们目前的技术不能做到的事情。物理学家称这些额外的维度为“紧致化”。

然而，上面提到的第一个特点——引力和其他力量的统一——这也是科学家最感兴趣的。弦论似乎能够解决我们分裂长达一个世纪的自然观。20世纪早期见证了两大科学革命。一个是爱因斯坦的相对论，现在仍然是对引力的最好描述；另一个是量子力学，它是对亚原子世界的最好描述。问题是，这两种理论对力的看法截然不同。在相对论中，引力产生于质量导致的时空扭曲。换句话说，引力是几何学改变的结果。另一方面，在量子力学中，力产生于粒子的交换——一个本质上是动态的途径。目前，强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用都是用这种方式描述的，而引力是用几何学来解释的。几十年来，调和这两种观点的矛盾已经成为理论物理学上的突出问题。

弦论解决了这个长期存在的困境。在某些理论中，引力是叫作“引力子”（尚未被发现）这种微粒交换的结果。因此，引力与其他三种力没有根本上的不同。事实上，我们可以想象不同年龄不同的科学家回答“我为什么不从我坐的椅子上浮起来呢？”这一问题的方式。

艾萨克·牛顿：“因为地球和你产生了引力。”

阿尔伯特·爱因斯坦：“因为地球的质量在其表面扭曲了时空网格。”

弦论者：“因为有大量的引力子正在你与地球之间交换。”

这些解释并不矛盾，而是可以作为补充。把弦论应用到大质量物体上，你就可以得到相对论的结果；把相对论应用到一般的物体上，你就可以回到牛顿的结果。成熟的科学并不是靠一个理论代替另一个理论来发展的，而是将旧的理论融入新理论当中。

弦论较新的版本涉及一种叫“膜”（来自于“薄膜”）的物质，你可以把它看作是飘荡在多维空间中的纸（想象一下，在垂直长度的方向移动一个弦，它走过的路径会形成一张纸）。物理学家还讨论到了弦的最终理论版本，称之为“M理论”，标志着我们对物质基本结构认知追求的结束。M理论到目前并没有被写下来，尽管有很多聪明的人试着去完成这个任务。更奇怪的是，鉴于其潜在的重要性，似乎没有人知道M代表什么（我自己的猜想是“Membrane（薄膜）”）。

写罢对现代理论前沿的快速介绍，我不得不说在物理学界对它们是否是“科学”存在严肃的争论。数学描述的困难阻碍了弦论者做出可被实验检验的预测。怀疑论者认为，因为无从实现传统上科学研究所要求的理论和实验的互相印证，弦论只是一种数学。辩护者反驳称，这些理论的许多一般特性的真伪还是可以被实验检验，比如它预测了存在一种还未被发现的超对称粒子。随着理论和实验能力的提高，想必这场辩论将得到解决。

无论如何，弦论给了我们一种跨越最终鸿沟的可能性，就是那横亘在我们熟知的大爆炸历史和笼罩在团团迷雾中的引力统一问题之间的鸿沟。它允许我们直面终极问题：所有的一切是怎么开始的？正如我们即将在下一节看到的，这些理论开辟了一些几近神学的迷人可能性。

英国理论物理学家迈克尔·格林

多重宇宙的艺术家概念图

就像弦论的各种版本一样，也存在不同版本的多重宇宙理论。许多看起来确实奇怪，多维的膜（参见第297—298页）碰撞产生一个个新宇宙。然而，最常见的图景，是将其想象成沸水中的气泡。我们可以想象每一个泡泡代表着一个与我们的宇宙类似的宇宙，充满了星系。我们自己的气泡在不断膨胀，而在多重宇宙理论的某些版本中，像我们这样的宇宙在连续不断地在其表面制造小的气泡，每一个小泡泡也经历着它自己版本的宇宙大爆炸。换句话说，我们自己的宇宙可能在脱落产生小的婴儿宇宙，甚至就发生在你阅读这句话的时候。

弦论能预测多重宇宙的存在，是因为一个叫作“弦景观”的概念。想象一个宇宙弹球游戏，球在那里滚过满是山坡和山谷的表面。我们知道球最终会停到一个山谷里面——并不必须是板上最深的山谷，它也可以停在一个较浅的山谷里。尽管这个山谷并非最深，但它能让弹球停驻于此，这就是理论物理学中的一个术语——所谓的“假真空”。

根据弦论，当我们绘制出与可能能量状态相对应的多维度表面图时，我们可以发现大量的假真空（山谷）——事实上，大约有10500个。每一个都代表着一个弹球停驻的地方，或者说，是弦论中一个可能的宇宙。10500是一个很大的数字——一个“1”后面跟着500个“0”！从任何角度来说，我们都可以说弦景观中有无限个可能的宇宙。除此之外，如果与我们宇宙类似的宇宙真的在脱落产生婴儿宇宙的话，我们可以把这种脱落事件看作另一个弹球在山坡与山谷中间滚动。如果我们滚动了足够多的弹球，我们可以预见最终所有的假真空都会被填充起来。这样一来，在弦论的多重宇宙中，任何一个可能的宇宙都会最终出现在弦景观中的某处。

艺术图描绘了有不同物理规律的多重宇宙在被同时创造出来。中心是我们的宇宙，右边是一个没有物质的宇宙。

正如弦论，也有关于多重宇宙的哲学讨论。它聚焦在这样一个事实上：大多数理论版本中，一个宇宙同另一个无法沟通，因此也没有直接的实验能验证我们的宇宙之外有宇宙存在。另一方面，如果弦论中某些版本的宇宙通过了我们的实验测试，而且如果这个理论还预测到了多重宇宙的存在，那么我们务必要严肃考虑这个预言了。而且这很重要，因为多重宇宙的存在可能会解决我们在宇宙中深远和长期存在的问题。

有一个被称为“精细调节”的问题。它可以用多种方式来表述，但你可以通过考虑引力来粗知一二。如果引力比实际上强得多，宇宙大爆炸将在开始后不久就崩溃，因为更强大的引力在膨胀真正开始之前就已经结束了。反之，如果引力较弱的话，它就不足以把物质聚集成恒星或者行星。在这两种情况下，宇宙都不会产生能够发问引力问题的生物。所以引力必须是被精细调节过的——被限制在特定的值——为了使生命能够发展。

这种精细调节似乎是所有自然常数的一个特点。例如，理论计算表明强相互作用（使原子核聚集在一起的力）或者电磁相互作用（使原子锁定轨道中电子的力）只要改变百分之几就会阻碍碳和氧这样的原子形成，降低我们所知的生命形式存在的概率。同样的，一个被一些理论家认为与宇宙的加速膨胀有关的数字宇宙学常数（参见第280页），在我们的宇宙中测量结果几乎为零（但不完全是）。然而，当物理学家利用量子力学来计算这个数字时，结果偏离了120个数量级——简直能偏多远就偏了多远（一个数量级是10的1次方，所以120个数量级是1后面有120个零）。一些未知的影响几乎一定要避免这个大值的出现，但是我们现在只能说宇宙学常数在被猛烈地精细调节着。

这种对力和自然常数的精细调节总是成为困扰科学家的难题。我们为什么生活在一个这些常数刚好是这些值的宇宙中呢？有些神学家将精细调节视为上帝存在的证据。

然而，弦理论多重宇宙支持另一个古老的观点，被称为“人择原理”。这种观点的支持者认为，这个问题提得就不对——所谓“为什么这些常数是现在这样子的？”正确的问法应该是“有鉴于智慧生物的存在，那么为什么这些常数是现在这样子的？”在一个无法产生生命的宇宙中，这个问题永远不会被问到，因此，仅仅这一问题的提出就已经成为我们所生存的宇宙类型的声明。

我要指出，其实人择原理有两个版本：弱人择原理和强人择原理。弱人择原理的原则就是上面给出的论点——我们必须生活在一个能够产生生命的宇宙中，因为这个问题正在被问到。强人择原理声称，有一些尚未被发现的规律导致宇宙必须让生命可以存在。大多数科学家喜欢较弱的版本。

教我统计学的老教授曾经谈到“平坦球道上的高尔夫球”的问题。在高尔夫球停止滚动前，这球会停在一棵特定的小草上的概率很小——但最终高尔夫球会停在某个小草上。如果它没有停在那里，它也是以同样的小概率停在别的地方。同样的，当我们考虑弦景观时，问“为什么我们存在于这个特定的不太可能的宇宙中？”是没有用的。因为如果我们不在这里，也是以同样的小概率存在于其他版本的宇宙中。

这样看待事物会引起一些有趣的想法。举例来说，可能的宇宙的数目如此之大，那么能够产生生命的子集也可能很大。这就导致了标准的科幻场景，在另一个宇宙中有另一个你正在读这些文字，除了那个“你”长有尾巴和绿色的鳞片。多重宇宙代表着哥白尼世界观的胜利：将人类从万物中心终极移除。