宇宙以外的視界

勞拉·梅爾西尼·霍頓

每年夏天，我父母都會在亞得里亞海濱古鎮(zhèn)夫羅勒租一個假日公寓，美美地度過兩周時間。我最喜歡的夜間活動，就是一個人靜靜地呆坐在沙灘上，看著海浪在無聲的地平線上徘徊，繼而有節(jié)奏地拍打著海岸。夜幕降臨時，我會一直靜靜地等待，看那海天交接處變得越來越模糊，最后界限消失得無影無蹤。雖然每個人都知道，對鐵幕（冷戰(zhàn)時期西方對蘇聯(lián)控制下的中歐、東歐諸國共產(chǎn)主義統(tǒng)治的稱謂——譯注）之后的我們來說，地平線之外的世界是遙不可觸的禁區(qū)，但是靜坐在無邊的夜色里，我可以自由地暢想：亞得里亞海那邊的孩子，是否也如我一樣，正在欣賞我們共有的天際美景？最后，父親總會走過來，靜靜坐在我身邊的沙灘上，彼此無語，似乎都在與天做無聲的交談。過不了多久，父親便開口說天色已晚，該回去了。海天的溫柔魔咒就此被打破。

20年后的2009年，我和十幾位科學家坐在劍橋大學的卡夫里宇宙學研究所的房間里觀看普朗克衛(wèi)星的發(fā)射，周圍沉悶的嗡嗡聲使得氣氛緊張而興奮，偶爾幾句交談也被發(fā)射現(xiàn)場的停頓打斷。當?shù)褂嫊r開始時，房間異常安靜，而衛(wèi)星發(fā)射成功的那一刻，整間屋子又被歡呼聲和掌聲所包圍。

普朗克開始探測來自宇宙誕生之初的微弱光波，即宇宙微波背景輻射。宇宙微波背景輻射是我們回望宇宙誕生之初的模樣的精確依據(jù)，也是我們得以解釋這些古老問題的關鍵：我們從何而來，是如何到來的？

2013年3月，普朗克發(fā)射4年后，普朗克團隊發(fā)布了史上最詳細的宇宙微波背景輻射圖，其細節(jié)讓世人為之震驚：宇宙微波背景輻射的亮度分布不均，這是我們這個宇宙自身不可能產(chǎn)生的現(xiàn)象。通過觀測，人們發(fā)現(xiàn)了一個指向廣袤深邃的宇宙深處的隱藏密碼，而我們的宇宙只是其中微不足道的一員。自此，人類探索的空間陡然變大，到達了多重宇宙的領域。美國航空航天局聲稱，存在其他宇宙這一論述并非新鮮事。從史前到現(xiàn)在，存在其他宇宙的可能性曾激起了哲學家、作家和科學家的無盡想象。但在大多數(shù)年代里，這一想法從未被認真對待過。從哲學上來說，這只會帶來不必要的麻煩，將宇宙起源的神秘性推向一個新的層面，而這個層面在實在性原則上尚無法觀測。而且，一項理論是否科學的標準是這項理論是否可被證偽（波普爾），因此，很多科學家并未把多重宇宙當作“真正”的科學來對待。在美學上，多重宇宙也沒有多大吸引力。科學家認為，大自然是簡單而經(jīng)濟的，一個宇宙就足夠了，為什么還要不厭其煩地再多幾個出來？然而，隨著科學認識的不斷深入，人們越來越清晰地認識到，那些我們相信并珍愛的自然理論——量子力學、宇宙膨脹理論和弦理論——都不可避免地預測了多重宇宙的存在。今天，在摒棄了過去的惰性與偏見后，人們終于將多重宇宙納入嚴肅科學的領域加以認真研究。

如果你覺得似曾聽過這一論述，那么我可以明確告訴你，你的確聽到過。從原子論者到斯多葛派學者和三世紀的基督徒，從盧克萊修到笛卡爾，從托勒密到伽利略和康德，擁有特殊起源的單個宇宙和隨機產(chǎn)生的多重宇宙之間的爭論持續(xù)了幾個世紀。16世紀，哥白尼不顧來自教會和其他科學家的頑強抵抗，將地球移出了宇宙的中心。多重宇宙可能是對哥白尼論述的終極延續(xù)：整個宇宙可能都不是那么重要，我們的宇宙只是無限多的宇宙中的一員。

多重宇宙論述領域也有自己的“哥白尼”：50多年前，休·埃弗雷特就敢于在博士論文中公開將量子力學應用到整個宇宙，從而開辟了多重宇宙理論這一新理論。他認為，既然宇宙在最初時刻非常小，那它一定遵循量子力學。根據(jù)波粒二象性，他把“嬰兒期”的宇宙視為一個像量子波包的粒子。他發(fā)現(xiàn)了一大堆數(shù)學解，即一大堆的量子宇宙。考慮到我們的觀測范圍局限在單個宇宙中，他認為，我們宇宙的量子起源意味著無數(shù)其他宇宙的可能性。

埃弗雷特所知的所有物理定律都不能把這一大堆數(shù)學解限制成唯一解，所以他得出這樣的結論：多重宇宙的存在是量子力學的必然推論。他的論證極具震撼力，甚至引起了量子力學之父尼爾斯·玻爾的注意，但玻爾竭力反對這一解釋。埃弗雷特的物理學生涯止步于博士研究階段，人們對多重宇宙的研究也陷入困境，40多年來停滯不前。

大約10年前，弦景觀的發(fā)現(xiàn)使人們對多重宇宙理論的抵制態(tài)度有所改變。弦理論以十一維時空為基礎，是現(xiàn)有理論中最可能成為自然根本理論的。很顯然，我們的宇宙看起來只有四維：高度、寬度、長度和時間。而弦理論的目標之一，就是想辦法擺脫另外七個維度，將它們卷曲、隱藏。弦理論成功做到了這一點。

許多方法都可以將七個維度卷曲，然后將其能量丟進其余四個維度中。21世紀初，科學家使用各種可能的數(shù)學方法來實現(xiàn)這一目標，從而發(fā)現(xiàn)了四維宇宙起源的多種可能。這些可能起源的能線圖即被稱為弦景觀，其中的任一能谷都有可能通過大爆炸來孕育一個新的宇宙。在對該理論進行了十多年的反復驗證和使用之后，多重宇宙理論終于得以再次昂首挺胸。

很快，弦景觀的發(fā)現(xiàn)就被稱為“弦理論的災難”。這一“萬有理論”之首居然無法預測世界上只有一個宇宙，并且這一宇宙的特性與我們的宇宙相同，這怎么可能？人擇原理認為，宇宙之所以是現(xiàn)在這個樣子，是因為我們在此觀測它，這一原理被認為是解決危機的關鍵。在對潛在誤區(qū)及前人設想進行了一番探究之后，我得出這樣一個結論：在承認宇宙還有其他許多起源的可能性之前，討論“為什么單單我們的宇宙存在人類”這個問題毫無意義。否則，“我們?yōu)槭裁雌鹪从谶@個宇宙”，與其答案“我們只能起源于這個宇宙”沒有任何分別。

我認為，我們應該考慮一系列的初始宇宙，再把每一個初始宇宙視為一個波包——就像穿越弦景觀的能谷的粒子一樣。然后我們就能提出這樣一個問題：這些初始宇宙將如何依據(jù)量子力學進行演化？這種方法可以避免假設，還能將埃弗雷特的多重宇宙嵌入弦景觀理論。從某種程度上講，這不失為一種常見的解決方法。將量子力學運用于所有初始宇宙狀態(tài)，與物理學家計算電子如何沿電線向下移動類似。電線中原子鏈似的能量場類似于弦景觀中的能谷鏈，電子的波函數(shù)和初始宇宙的波包也是相似的。

弦景觀中的能量分布極不均勻，穿越弦景觀的宇宙波包會被困于能量座中。如果弦景觀擁有一連串高度有序的周期性低能量區(qū)域，就不會有宇宙的出現(xiàn)了。波包不會受困于一個單獨的能谷之中，相反，它們會被引導穿過弦景觀，就像導電良好的導體中的電子一樣。

我們知道，宇宙的初始狀態(tài)能量極高，有1025電子伏。既然原始波包在一個能量不均的弦景觀中游蕩，為什么它不選擇能量稍低的能量座呢？答案很簡單，由于弦景觀中的波包是按照量子力學演化的，只有高能的初始狀態(tài)才能產(chǎn)生大爆炸并且變成“真正的”大型宇宙。初始狀態(tài)從弦景觀中獲得能量，從而加速擴張，而量子漲落則抑制其生長速度，并使初始狀態(tài)坍塌成一個點。正是這兩股力量之間的平衡控制著宇宙初始狀態(tài)的演化。

在當時，人們認為這些研究結果太過激進，但它們同樣振奮人心，因為每一個觀點都是從量子等式中得來的，而非猜想和假設。有史以來第一次，我們找到了一種理論，來解釋為什么只有像我們宇宙這樣的高能宇宙被選中承載生命。該理論同時也將20世紀的兩大科學體系——弦理論和量子力學——統(tǒng)一到多重宇宙理論中。現(xiàn)在，問題變成了：我們將怎樣尋找多重宇宙？

仍然記得那日清晨，我忽然意識到答案就在眼前。那是2005年的初秋，我被失望和挫敗折磨了幾個星期。每天都帶著樂觀醒來，感覺自己馬上就能解決那個問題了。但是，每次當我散步于夜色中，久經(jīng)沉思之后，總會發(fā)現(xiàn)方法上的一些邏輯缺陷，然后確信這一問題是無法解決的。那天，我坐在星巴克里茫然地盯著窗外，一個想法就這樣突然冒了出來。

在最初時刻，我們的宇宙與其他宇宙藕斷絲連，甚至糾纏不清。隨著我們宇宙的快速生長，它最終擺脫了量子特性，與其他幸存的宇宙永遠分道揚鑣。這一過程被稱為脫散。但是量子力學中有一個深層原則，即幺正性原則，它規(guī)定一個系統(tǒng)（包括一個量子波狀的宇宙）的信息是永不遺失的。這一原則確保我們宇宙與其他宇宙的糾纏痕跡會以某種形式被保留下來，藏匿在如今的天空中。

2006年，我與托莫·高橋和理查德·霍爾曼合作發(fā)表了一系列題為《弦景觀的化身》的論文。根據(jù)以往的觀測經(jīng)驗，我們對其他宇宙留下的痕跡做出了具體的預測。更重要的是，我們還證明了我們的宇宙在早期與其他宇宙之間的糾纏是造成宇宙微波背景輻射強度差異的一個獨立因素，同時也是造成我們宇宙周圍的物質(zhì)分布不均的一個獨立因素。另外，我們還計算出了當初糾纏的強度，并且說明這一糾纏的影響是可以被大規(guī)模觀測到的。

當年發(fā)表作品時，我們并不奢望這些預測能在我們的有生之年得到證實。令人驚訝的是，不到7年，九個預測中就有八個與測試數(shù)據(jù)相符。2013年3月，普朗克衛(wèi)星傳來的數(shù)據(jù)成功地對七個預測進行了檢測。大型強子對撞機證實了當能量達到1萬億電子伏時，并不存在超對稱破壞，這與我們的第九個預測相符。目前，只有對暗流的預測仍存在爭議，兩個普朗克團隊的研究結論存在差異。總體來講，這九個預測對理論進行了極為嚴格的檢測，因為它們來自同一理論框架，任何一個預測都不可能獨立于其他八個預測而得出某一組特殊數(shù)據(jù)——數(shù)據(jù)必須能證實所有預測，否則理論就站不住腳。

早先對宇宙微波背景的兩次測繪也觀測到了異常，它們的觀測結果和普朗克衛(wèi)星的觀測結果接近，卻沒有普朗克這么確信。不過，普朗克觀測到的異常也可能是被夸大了的。如果真是這樣，我們就得從頭再來了。但如果這些異常能得到證實，再加上我們第一次瞥見了多重宇宙，那么我們真可謂成就一番壯舉了：我們不但找到了其他宇宙存在的證據(jù)，還對弦理論進行了有史以來的第一次檢驗。往大了說，多重宇宙的存在將促使我們重新審視那些我們一直以來呵護有加的宇宙觀，繼而發(fā)展出一種新的現(xiàn)實本體論：所有的宇宙都以同樣的根本時空構造為基礎嗎？大爆炸之前有時間概念嗎？能否觀測到與我們的宇宙沒有牽扯的宇宙？是什么決定了自然法則？那將是一個令人激動的時刻。

2013年，我回到了夫羅勒，那個我最愛的地方，還帶著我3歲的女兒。來到這里，她看起來是那么激動，完全無憂無慮，四下里歡快地揚著沙粒，潑著水花。我不禁想，僅僅一代人的時間，我們就取得了如此的進步，多么了不起啊。以往安靜的她咯咯地歡笑著，笑聲如此具有感染力。對亞得里亞海對面的事物她并不感興趣，因為她早已了解。她去過那兒了。海的那邊以及更遠的遠方，她都去過了。而我在她這個年紀時，這一點想都不敢想。但是，他們這代人跟我們這代人不同，不愿被禁錮，可以天馬行空地想象、勇敢無畏地探索。當?shù)仄骄€在夜色中變得模糊，海與天交融一體時，我的思緒再次飄向那些被打破的界限。