第四次哥白尼革命

編譯 思羽

我們的宇宙是群島的一個島嶼？

太陽形成于45億年前，但它要繼續發光發熱60多億年后會油盡燈枯。太陽到時候會爆燃起來，吞沒內行星。膨脹的宇宙會繼續這個勢頭——大概會永遠持續下去——注定會變得更加冷、更加空。引用一句伍迪·艾倫的話，永恒是十分漫長的，尤其是通向終點時。

見證太陽終結的任何生物都不會是人類，那些生物與我們的差別會像我們和蟲子的差異一般大。后人類的進化（在地球上和地球以外的遠方）可能像達爾文進化（導致人類誕生）一樣漫長，甚至更為奇妙。進化會加速；進化的發生可能通過技術時序表上的“智能設計”，其速度比自然選擇快許多，受到遺傳學和人工智能（AI）領域進展的驅動。長期的未來大概屬于電子“生命”，而不是有機“生命”。

以宇宙學術語（或者更確切地是從達爾文主義的時間框架）來說，1 000年只是一瞬間。所以，讓我們“快進”到不只是數個世紀，或者數千年的程度，而是“快進”到比它長了數百萬倍的“天文學”時序表。在我們的星系中，星球誕生和死亡的“生態”會逐漸變得更加緩慢，直到被銀河系與仙女座星系發生碰撞的“環境沖擊”震動到，那可能發生在40億年之后。我們的星系、仙女座星系和比它們小的同伴（如今構成了被稱為本星系群的東西）的殘骸隨后會匯聚成一大群無定形的恒星。

但是在宇宙尺度上，萬有引力被一股潛伏于空曠太空的神秘力量完全蓋過，那股力量推動各個星系遠離彼此。星系加速遠離，消失在視界外，很像是物體落入黑洞中的翻轉版本。在1000億年之后，留在視野中的東西將會只有本星系群中死亡和垂死的恒星。但那些能延續數萬億年的星球，或許有足夠的時間讓生命系統獲得復雜性和“負熵”，達到頂點。所有曾經存在于恒星和氣體中的原子能夠轉換成細微復雜的結構，復雜程度堪比生命體或硅晶片——不過是在宇宙尺度上。在昏暗化的背景下，質子可能衰變，暗物質粒子湮滅，當黑洞蒸發和寂靜下來時，偶爾出現閃光。

1979年，弗里曼·戴森（Freeman Dyson）發表了一篇如今已是經典的論文，旨在“建立宇宙命運的數值邊界”。即使所有物質以最理想的方式轉化成一臺計算機或超級智能，它可以處理的信息是否存在限制？是否能思考無限數量的想法？答案要視宇宙學而定。在低溫條件下，執行計算耗費較少的能量。對于我們似乎處于其中的這個宇宙，戴森得出的界限會是有限的，但假如“思考者”處于涼爽環境，進行緩慢的思考，那么界限將會最大化。

我們對于空間和時間的了解是不完備的。愛因斯坦的相對論（描述引力和宇宙）和量子原理（對于從原子尺度上理解事件至關重要）是20世紀物理學的兩大支柱，然而統一二者的理論仍然是未完成之事。當前的學術思想暗示：是否能取得進展取決于能否完全理解看起來也許是世上最簡單的實體——“純粹”的空曠空間（真空），這是世間所有事情發生的場所；它也許有豐富的結構，但在尺度上比一個原子小了一秭（1024）倍。根據弦論，假若以這種放大方式來審視，普通空間中的每個“點”都可以展現為多個額外維度下的緊密褶皺的折紙。雖然存在競爭的理論，但那些理論也要借助相同的小尺度。

相同的基本規律適用于我們用望遠鏡觀察的整個范圍。假如不是這樣，假如原子在行為上“雜亂無章”，我們會在理解可觀測的宇宙上毫無進展。但我們所能觀測的范圍也許不是全部的物理實體（physical reality）；一些宇宙學家推測，“我們”的宇宙大爆炸不是唯一的一次，物理實體足夠宏大，能夠包容整個“多重宇宙”。

我們僅能看見有限的容量，即有限數量的星系。這基本上是因為地平線的存在，地平線是包裹我們的外殼，描繪出光從遠方達到我們的最遠距離。但如果你在海洋的中央，那層外殼就沒有更多物理意義，只是描述出你的視野的圓圈。就連保守的天文學家也確信：我們的天文望遠鏡觀測的時空范圍（天文學家按照慣例稱之為“宇宙”）僅僅是大爆炸產物的極小部分。我們預計：在地平線之外有著更多的星系，那些星系是我們無法觀測到的，其中每一個星系（以及其中的任何智慧生命）將會像我們的星系一樣演化。

有一個令人熟悉的想法是說，假如有足夠數量的猴子給予足夠的時間，它們終將會寫出莎士比亞的著作（當然還有所有其他書籍，以及每一條能想象出來的連篇廢話）。這種表述從數學角度是正確的。但是，在最后的成功之前的“失敗”數量會是有著大約1 000萬位的數字，而可見宇宙的原子數量也只有80個數位。假如我們星系中的所有行星上爬滿猴子，這些猴子從第一批行星形成起就一直在打字，那么它們頂多能打出一首十四行詩（它們敲出的東西會包括所有世界文學中連貫的只言片語，但不會有一部完整的作品）。要生成像一本書這么長的特定的字母組合是極其不可能，在可觀測的宇宙中，甚至連一次都不會發生。當我們拋下骰子，我們最終會得到長長的一連串的6，但（除非它們被做過手腳）我們不會預期接連拋出100多個6，就算我們連續拋上10億年的骰子，也是如此。

然而，假如宇宙延伸得足夠遠，任何事都可能發生，在我們地平線之外的遠方某處，甚至可能有一個地球的副本。這就要求太空是非常龐大的，不僅僅是用100萬個數位的數字來描述，而是要用10100個數位的數字來描述，也就是1后面跟著100個零。10的100次方被稱為古戈爾（googol），有著1個古戈爾的零的數字被稱為古戈爾普勒克斯（googolplex）。

給予充足的空間和時間，在某個地方會發生所有可能的系列事件，盡管幾乎所有這些事件都在遠離我們能觀測的任何范圍。考慮所有可能的選擇，綜合選項可以包括我們自身的副本。只要有需要做出一項選擇，就有一個副本接受每一種抉擇。你也許感覺你做出的一項選擇是“定好的”。但這可能是種慰藉，在遙遠的某處（遠離我們的觀測視界），你有個替身已經做出相反的抉擇。

所有這些都能包含在“我們的”大爆炸的事后產物中，它能夠延伸到極其龐大的范圍。但不僅如此,我們按照慣例稱為“宇宙”的東西，即“我們的”大爆炸的事后產物也許只是無限群島的一個孤島，只是整個時空的一部分。也許存在多次大爆炸，而不是僅僅一次。這種“多重宇宙”的每一部分可能以不同的方式冷卻，也許最終受到不同規律的支配。正如地球是無數星球中一顆十分特別的行星；同樣的，在極其宏大的尺度上，我們的大爆炸也可能是一次相當特別的大爆炸。在這種巨大擴張的宇宙視角下，愛因斯坦和量子的規律可能僅僅是支配我們宇宙的狹義定律。所以，空間和時間不但在亞微觀尺度上有著復雜的“粒狀結構”，而且在另一個極端尺度（遠遠超過天文學家所能探測的尺度）它可能也有著復雜的結構，類似于稻米生態系統中的動物群。我們目前對物理實體的概念可能相對于整體而言是局限的，就像將一匙水視為“宇宙”的浮游生物對于地球的看法。

碰撞路線：銀河系與仙女座星系注定會發生碰撞，類似于NGC 2207星系和IC 2163星系之間的碰撞，這是哈勃空間望遠鏡拍下的照片

四次革命的第一次？第一次哥白尼革命將地球從太陽系中心的位置移除，第二次哥白尼革命確認我們的星系有許多行星，第三次哥白尼革命確認可觀測宇宙中有許多星系。證明了我們的宇宙是許多宇宙的一個則象征第四次哥白尼革命

這可能是真的嗎？21世紀物理學的一大挑戰是要回答兩個問題。首先，是否存在多次“大爆炸”而不是一次？其次（這個問題甚至更有趣），如果存在多次大爆炸，它們是否都受到相同物理學的支配？

如果我們在多重宇宙中，這會意味著第四次、也是最重大的哥白尼革命；我們早已經歷過哥白尼革命，意識到我們的星系中有數十億個行星系；然后意識到我們觀測到的宇宙中有數十億個星系。但如今這些并非全部，天文學家能觀測的宇宙全景可能只是“我們的”宇宙大爆炸產物的極小部分，而這次大爆炸本身可能僅僅是無數大爆炸的一次而已。

乍看起來，平行宇宙的概念可能似乎太過神秘，而沒有任何實際影響。但它可能（以其中一個變種）實際上提供了一種嶄新的計算機前景：即量子計算機；量子計算機通過分享平行宇宙的幾乎無限的計算負擔，能在實質上超越最快數字處理器的極限。

50年前，我們還不確定是否曾經發生過宇宙大爆炸。譬如說，我在劍橋大學的導師弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）就質疑宇宙大爆炸的概念，偏愛一種恒穩不變的“穩態”宇宙（他從始至終都沒有完全轉變想法，在他的晚年，他擁護折中的想法，也許稱之為“穩態大爆炸”）。如今我們有了充足的證據，尤其是來自對原始背景輻射和大爆炸最初3分鐘內生成的氫、氦和氘元素相對豐度的測量結果，憑此能描繪出宇宙的歷史，追溯第一納秒時超致密的宇宙狀態，我們進行這番描繪的自信足以媲美地質學家推論出地球的早期歷史。于是，在未來的50年里，希望我們可能擁有“統一的”物理學理論，通過日常世界的實驗和觀察予以確證，這種希望并非過分樂觀。統一的物理學理論足以描述宇宙在10-36秒時發生的事，當時的宇宙密度和能量遠高于當前物理學理論應用的范圍。如果未來的理論預測出多重的大爆炸，我們應該慎重地看待那個預測，即使它不可能以直接的方式證實（正如我們相信愛因斯坦理論告訴我們關于無法觀測的黑洞內部，因為這項理論已經通過我們能觀測的領域內的眾多測試）。

于是，到21世紀末，我們也許能夠提問：我們是否生活在多重宇宙中，“宇宙”有多少類型。這個問題的答案將會決定：我們如何理解我們生活的“生態友善”的宇宙（與我們有朝一日能夠聯絡的任何外星生命一起分享這個宇宙）。

我出版于1997年的著作《開始之前》（Before the Beginning）推測了多重宇宙的存在。書中論據的一部分是受到我們宇宙似乎“親生命”（biophilic）和調試完美的特征的啟發。假如物理實體涵蓋了整個宇宙，各個宇宙的基本常數和規律“有所變化”，那么這點不會引起驚訝。大多數宇宙會夭折或荒涼，但我們會發覺自己身處在一個宇宙中，其規律允許出現復雜性。支撐這個想法的是20世紀80年代的“宇宙暴脹”理論，對于我們觀測到的整個宇宙如何從微觀尺度的事件“快速生成”，這項理論提供了新穎的見解。當弦論專家開始偏好存在多個不同真空的可能性，每種真空是受到不同規律支配的微觀物理學的場所，這個理論獲得進一步的嚴肅關注。

從那時起，我就在仔細審視這種學術觀點的轉變和這些想法（必須承認是猜測性的）的出現。2001年，我幫助組織了一場這個主題的學術會議。會議在劍橋召開，但不在劍橋大學。我在自己的家里主持了這場學術會議，我的家是劍橋市邊上的一所農舍，一間改造后的谷倉為我們的學術討論提供了相當樸素的地點。若干年后，我們召開了一次后續會議；會議地點十分不同：是在三一學院的一間相當莊重的房間，講臺后面掛著牛頓的畫像（牛頓是三一學院最著名的校友）。

理論物理學家弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）參加了這兩次會議。他在學生時參與了闡述粒子物理學“標準模型”的工作，憑此為人熟知。當他在第二次會議上講話時，他對比了兩次會議上的氛圍。他形容第一場會議的物理學家是荒野中的“邊緣”聲音，多年以來，這些物理學家宣傳關于基本常數和另類宇宙的古怪主張，他們關注的領域和研究方式似乎與理論物理學的共識前沿不同，因為理論物理學忙碌于如何成功構建獨特和數學上完美的宇宙。但是在第二次會議上，他注意到“前沿已經大步前進，加入到荒野中的先知隊伍里”。

數年后，我是斯坦福大學的專家組成員，擔任主席的天文學家鮑勃·科什納（Bob Kirshner）問我們：“以程度來說，‘你會用你的金魚、你的狗還是你的性命打賭’，你對于多重宇宙概念有多少自信？”我說，我差不多到拿狗來打賭的程度。俄羅斯裔宇宙學家安德烈·林德（Andrei Linde）已經花費25年時間宣傳“永恒暴脹”理論，他說自己幾乎會賭上性命。后來，聽說這段軼事后，杰出的理論物理學家史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）說，他會開心地賭下馬丁·里斯的狗和安德烈·林德的性命。

在這件事塵埃落定之前，安德烈·林德、我的狗和我都會死去。多重宇宙不是形而上學，它是高度推測性的理論，是令人激動的科學，而且它也許是真的。

資料來源 Nautilus