我们的宇宙是惟一的吗

    ○作者 布赖恩·格林（美国哥伦比亚大学物理学教授，畅销书《优雅的宇宙》作者）

    ○编译 森堡

    物理定律是否允许众多各具特色的宇宙存在？在爱因斯坦的时代，这一问题只是物理学家们用理论模型随意摆布的玩具，但是最近，它已从物理学的冷门变成了主流。

    “最令我感兴趣的是，上帝创造世界时是否有一个选择”

    这是爱因斯坦用他特有的诗意方式，询问我们的宇宙是否是惟一的。

    这里提到上帝带有误导性，因为爱因斯坦的问题并非关于神学。他实际上是想问，在物理定律下是否只存在一个宇宙，即我们所在的这个充满星系、恒星和行星的宇宙。又或者是，像每年汽车展上那些夺人眼球的各色汽车一样，物理定律是否允许众多各具特色的宇宙存在？如果是这样，我们通过巨型望远镜与对撞机所知道的事情，是宇宙掷骰子的结果吗？

    在爱因斯坦的时代，其他宇宙存在的可能性问题，只是当时物理学家们用理论模型随意摆布的玩具，直到后来才有人进行更严格的研究。直到最近，这一问题已从物理学的冷门变成了主流。

    研究人员不仅认为我们的宇宙拥有不同的性质，他们还提出，在我们的宇宙之外还有其他由不同粒子组成、受不同力支配的宇宙，它们一起组成了壮观的宇宙群——即学术界所称的“平行宇宙”。

    平行宇宙是近几十年来，物理学界最有影响的概念之一，它引发了激烈争论。有人认为它意味着人类对真理的认识已推进到了下一阶段，也有人认为它是胡说八道。

    到底哪一派是正确的呢？为什么我们要关心这个问题？要回答这些，首先要从宇宙大爆炸开始。

    宇宙在膨胀

    1915年，爱因斯坦发表了他一生中最重要的工作——广义相对论。该理论从数学上看十分优雅，它给出了一个能够十分精确地解释从行星的运动到星光轨道在内的一切事物的方程。

    没过几年，就有人根据广义相对论分析指出，宇宙实际上是在膨胀（爱因斯坦最初认为宇宙是静止的），星系之间彼此远离。一开始，爱因斯坦强烈反对由他的理论引出这一结论。但后来，美国天文学家埃德温·哈勃在1929年的深空观测结果证实了该结论。

    不久后就有科学家推测，如果宇宙在膨胀，之前的宇宙一定比现在更小。很久很久以前某个时刻，我们所看到的一切——组成所有行星、恒星、星系甚至宇宙本身的所有物质——都被压缩在一个无穷小的点内，正是这个点迸发出了我们所知道的宇宙。

    大爆炸理论就是这么诞生的。在接下来的数十年里，它获得了无数观测结果的支持。但科学家们仍然清楚，大爆炸理论有一个显著的缺陷，它考虑了几乎所有的条件，唯独大爆炸本身除外。爱因斯坦方程能很好地描述大爆炸以后发生的事情，但对宇宙始端的极端环境不再适用（就像用计算器算1/0时返回的结果）。

    在平行宇宙组成的“泡沫浴”中，我们所在的宇宙或许只是一个肥皂泡

    上世纪80年代，美国物理学家阿兰·古斯在大爆炸理论基础之上，提出了暴涨宇宙理论，试图解释前者没有解决的问题。

    该理论的核心是，早期宇宙存在一个由宇宙燃料促发的快速膨胀（即“暴涨”）过程。实际上，数学计算表明，大爆炸强度大得惊人，爆炸以后宇宙还会残留一定量的热辐射。

    上世纪90年代早期，美国国家航空航天局（NASA）的“微波背景辐射探测者”卫星，首先精确测量出了这些辐射。该团队负责人约翰·马瑟与乔治·斯穆特因这一发现，共同被授予2006年诺贝尔物理学奖。

    令人吃惊的是，理论分析还表明，宇宙膨胀速度如此之快，以至于不可能用完所有宇宙燃料，这意味着大爆炸并不是一次独立事件。这些燃料不仅会促发一次产生我们所在宇宙的大爆炸，还会促发无数的其他大爆炸，产生众多其他宇宙。我们的宇宙，只是位于宇宙群泡沫浴（即平行宇宙）中的一个正在膨胀的肥皂泡。

    平行宇宙理论的前景非常让人期待。如果该理论是正确的，它将为一系列的宇宙学假说提供坚实基础。我们曾经认为，我们所在的行星是宇宙的中心，后来才发现它只不过是围绕太阳的众行星中的一颗。再后来，发现位于银河系边缘的太阳只不过是银河系里数千亿颗恒星中的一员。再后来，又发现银河系只是宇宙中数千亿个星系中的一个。现在，暴涨宇宙理论又认为我们这个由数以亿计的星系、恒星、行星组成的宇宙，仅仅是无数个平行宇宙中的一个。

    科学史上有史以来观测结果与理论值间的最大差异：暗能量之谜

    就像地球引力会减慢向上掷的皮球的速度一样，星系间的引力也会降低宇宙的膨胀速度。

    上世纪90年代，有两个天文学家小组致力于测量宇宙膨胀减慢的速率。经过对遥远星系长达数年的艰苦观察，两个小组均得到了宇宙膨胀随时间的变化数据。当他们完成数据分析时，都十分惊讶。

    他们得到的结果远不是膨胀减慢，而是宇宙膨胀早在70亿年前就一直在加速。这就像抛出去一个球，刚开始其速度会慢慢降低，但过不了多久又突然提速、飞快上升。

    这个结果让全球科学家们都争相解释，宇宙膨胀为何在加速。是什么力会驱使星系离彼此越来越远呢？最好的答案，出自爱因斯坦当初的一个想法。我们都习惯于引力的一个作用：使物体间彼此靠近。但在爱因斯坦的广义相对论里，引力还有其他作用：使物体间相互排斥。

    怎么回事？当然了，我们所熟悉的天体如月球、地球、太阳产生的引力是吸引的。但爱因斯坦的理论表明，如果宇宙里有其他东西——不是聚成一团的物体，而是看不见的能量——就像一层均匀散布在宇宙里的看不见的迷雾——这些“能量雾”产生的引力就是斥力。这里的“能量雾”就是暗能量。

    问题在这里还没有结束。天文学家们试图根据观测到的宇宙加速速率，推算宇宙中的暗能量含量时，得到了一个至今无人能解释的结果。用一定单位表示，暗能量密度是一个极小的值：

    0.00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000138

    但同时，根据物理定律推算出的暗能量密度，比这个值要高出100个数量级，这或许是科学史上有史以来观测结果与理论值间的最大差异。

    物理学家们曾深信，勤奋努力加上大量的实验观测、理论计算，就能彻底揭开真理的面纱。但解释暗能量密度遭遇的重挫，对这一信念提出了疑问，驱使部分物理学家去寻找一种全新的解释方法，其中一种就是平行宇宙学说。

    我们发现自己身处一个不见得特别，但却“正好”的宇宙。很多人讨厌这个解释

    追溯到16世纪早期，当时伟大的天文学家开普勒试图理解一个特别的数字：地球距太阳9300万英里的距离。开普勒花了数年时间，解释地球与太阳间距离为什么就是这个数字，而不是别的数字。他从未获得成功。

    用我们今天的眼光来看，其中的原因很明显：它不多不少，正好能产生适合生命存在的环境。许多行星在不同轨道上绕恒星运转，但物理定律并不认为哪个数字是特别的。要说地球与太阳间距离有什么特别之处，那就是9300万英里是个正正好的数字。

    在寻找暗能量解释时，或许我们犯了类似开普勒那样的错误。我们最成功的宇宙学理论——大爆炸理论，很自然地会导致其他宇宙出现。但就像有许多行星在不同位置绕恒星运转，或许也存在许多含不同暗能量的宇宙存在。让物理定律去解释暗能量密度为什么是那样，或许就像解释行星距恒星间的距离那样有误导性。正确的问法应当是：为什么我们发现自己生活在一定暗能量密度的宇宙里，而不是生活在其他宇宙里？

    这个问题，我们能够回答。

    在暗能量密度较大的宇宙里，每当物质试图聚集形成星系，暗能量间的斥力会变得强大得足以撕碎聚集体，使星系无法形成。在暗能量小得多的宇宙里，斥力变成了一种拉力，使得宇宙自身开始回缩，导致星系无法形成。如果没有星系，就不会有恒星、行星，更绝无生命存在的可能。

    所以我们发现自己身处这个宇宙，而不是另外一个宇宙，这个道理同我们发现自己待在地球而不是海王星上一样——我们所处的环境正适于形成生命。即便不能观测到其他宇宙，它们的存在仍有其重要科学意义：平行宇宙为暗能量之迷提供了一种解释。

    很多人发现这个解释不能令人满意、愚蠢甚至令人讨厌，他们坚持认为，科学研究需要给出确定的、精确的、定量的解释，而不是“假设的故事”。真正的问题是，如果你想定义的对象要用到大量基于观测的数值，坚持对某个值做出精确解释是错误的。就像确切解释行星距其所环绕的恒星的距离一样没有意义。因为有很多种可能的距离存在。

    如果我们所在的宇宙是平行宇宙中的一个，要求精确解释暗能量值也是没有意义的，因为有许多个可能的值。

    平行宇宙既没有改变科学方法，亦没有降低解释标准。但它却让我们反思：我们是否以错误的方式，提出了错误的问题？

    □美国《新闻周刊》