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维兰金和林德注意到,尽管泡泡膨胀的速度变慢,可它四周媒质中的量子场仍然具有很高的暗能量,仍然在快速暴胀。媒质中会生成更多的泡泡,这些泡泡将变为更多宇宙,正如我们的宇宙一样。两人发现,在某些条件下,处于暴胀状态的媒质永远不会消失,以上过程将永远地进行下去,纵使无数多的宇宙泡已经诞生。如果以上场景确实发生,那么我们的宇宙只是无穷多的宇宙泡中的沧海一粟。它们都来自永恒暴胀的媒质。
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在最简单的永恒暴胀模型中(我们将集中讨论这类模型),每个宇宙泡中的自然规律都由理论景观随机产生。[12]就许多讨论而言,这个理论景观专指弦景观。但事实上,任何包含变量参数的理论都可以构成景观,比如说标准模型景观。
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在最简单的永恒暴胀模型中,不同的物理定律所对应的宇宙泡比例都是常数。因而,不同物理定理成立的可能性不会因为宇宙泡数量的增多而改变。在这一简单场景下,时间以及动力学不会在宇宙定律取舍的过程中(可能要舍去无穷多个)发挥任何作用。在某种程度上,宇宙的分布(指含有不同定律或性质的宇宙的出现概率)达到了一种平衡态,并会永远维持这一平衡态。这样的场景不含时间,它与宇宙自然选择图景截然不同。
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每个宇宙泡中的自然规律都随机产生,因此想要允许生命存在,自然规律势必要经过精确的调控。于是,适宜生命生存的宇宙少之又少。于是,我们的宇宙是所有宇宙泡中的异数。
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想要将以上场景联系于真实的观测,宇宙学家势必有求于人择原理。就如上文所说,人择原理指出,只有一些宇宙拥有适宜生命生存的自然规律和初始条件,我们只能生活在那些宇宙。人择原理将指导我们从一大堆毫无生机的宇宙之中,挑选出那一小部分宜居宇宙,因为我们所生活的宇宙正属于那一小部分。
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值得注意的是,适宜生命生存的宇宙和高产黑洞的宇宙之间有很多共同的特征。两者背后的理论——人择原理与宇宙自然选择假说,都可以解释标准模型参数表现出的精细调控。但是,两个理论提供的解释截然不同。在宇宙自然选择假说中,我们的宇宙是一个典型的宇宙,它的特征使其具有高度的适应性,其他许多宇宙也会享有这些特征;而在永恒暴胀模型中,与我们这个宇宙相似的宇宙极为稀少。在前一理论中,我们得到了一个真实的解释;在后一个理论中,我们仅得到了一个取舍的原则。
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解释的不同导致了理论在预言能力上的不同。预言能力指的是,实打实地预言出尚未观测到的宇宙特征的能力。如同上文所见,宇宙自然选择假说已经给出了一些真实的预言。而对于那些通过人择原理来解释宇宙规律或初始条件的理论来说,它们尚未对可行的实验作出任何一条可被证伪的预言。我怀疑,它们永远都给不出这样的预言。
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以下是我这样怀疑的理由。任选一个你想解释的宇宙属性,它要么是允许智慧生命存在的必要属性,要么是不必要的属性。如果是前者,我们存在这个事实本身就解释了这条属性的原因。那一小撮允许智慧生命存在的宇宙都必须具有这个属性。再让我们看看后者,那些对智慧生命来说不必要的属性。对于每个宇宙泡来说,自然规律的选择都是随机的,那么后一类宇宙的属性也就随机分布于各个宇宙之中。同样,因为这类属性和生命无关,对于那些存有生命的宇宙来说,这类属性也是随机分布的。于是,这些理论不会对我们宇宙中所观测到的后一类属性作出任何预言。
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前一类属性的代表是电子的质量;有很多证据表明,如果电子质量与目前的观测值有很大不同,生命存在的条件会遭到破坏。[13]后一类属性的代表是顶夸克的质量;据我所知,它的值可以大幅变化,我们宇宙的生存条件不会受到丝毫影响。因此,人择原理无法解释目前我们观测到的顶夸克质量。
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当然,永恒暴胀理论还是作出了一个有可能被验证的预言:它预言宇宙泡的空间曲率略小于零(空间曲率小于零的空间呈马鞍形;空间曲率大于零的空间呈球形)。如果我们的宇宙真的来自暴胀多重宇宙中的泡泡,那么这条预言肯定也适合我们的宇宙。
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这是一个实打实的预言,但想要测试它,我们还要克服许多问题。首先,这个略小于零的曲率其实很接近于零。不管是正是负,我们总是很难区分零和一个小小的数字。事实上,就目前的实验误差而言,时空的曲率好像是零。退一步说,假设未来我们进行了更好的实验,得到了更好的数据,区分空间曲率略大于零、略小于零还是刚好是零,仍然很难。任何科学实验总伴随着测量中的不确定性。鉴于这些不确定性的存在,想要通过观测证伪这一预言尚需时日。
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纵使验证了我们宇宙的空间曲率稍小于零,这一观测本身并没有证明多重宇宙的存在。许多其他宇宙模型也和这一观测相容。举个例子,我们的宇宙就是爱因斯坦方程在负曲率条件下的一个简简单单的解,这并不需要多重宇宙。此类解确实存在,我们也确实无须借助暴胀理论对它们的存在进行论证。再举个例子,暴胀就仅仅制造了一个宇宙泡,而没有制造多重宇宙。没有任何观测可以验证其他宇宙的属性,因为这些其他宇宙不会影响我们的宇宙。
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你要从帽子里同时取出两个数字
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永恒暴胀模型需要构筑于一组可能的理论集合之上。数量庞大的弦论为之提供了选择。
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正如此前提到的那样,斯特罗明格于1986年撰文指出,存在许多不同版本的弦论,它们构成了一大片弦景观。2003年,这一场景恶化成了一场难以忽视的危机。人们发现,大约有10500种不同弦论可以给出略大于零的宇宙学常数。[14]当然,尽管这个数字很大,它仍然是个有限数。2005年,麻省理工学院的物理学家华盛顿·泰勒(Washington Taylor)和同事一道发现,存在无穷多个不同版本的弦论可以给出略小于零的宇宙学常数。[15]
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对此,南非物理学家乔治·埃利斯(George F.R.Ellis)指出了一个有趣的推论。[16]如果真有无穷多的弦论预言宇宙学常数略小于零,而只有有限多的弦论预言宇宙学常数略大于零,那我们就应当预言我们宇宙的宇宙学常数略小于零。如果宇宙学常数确实在不同宇宙中随机分布,那么我们生活于负宇宙学常数的宇宙中的概率,无穷多倍于生活于正宇宙学常数的宇宙中的概率。这就该是弦论作出的一个实打实的预言,但弦论很少作出此类预言。我们实测的宇宙学常数为正,简单来说,观测证伪了弦论。
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一些弦论学家认为这样的论断还言之过早。可能还有许多种构造弦论的方法尚未发现,其中一些方法或可构造出无穷多个可以给出正宇宙学常数的弦论。另有一些人回应称,人择原理可以化解以上矛盾,他们认为,泰勒及其同事发现的负宇宙学常数的宇宙并不适合生命的存在,因而可以排除。[17]然而,在这无穷多的负宇宙学常数的宇宙中,如果有一小部分适合生命生存,那么负宇宙学常数的宇宙又将主宰多重宇宙世界。
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在人择宇宙学中,当你要处理理论上就不可观测的对象时,比如其他宇宙,你总可以摆弄一些假设条件。[18]你无法验证到底存不存在无穷多个其他宇宙,你也不知道各种属性在这些宇宙中如何分布。你可以论证某个和我们的宇宙不尽相同的宇宙到底有没有生命,但我们无法通过观测验证你的声明。
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人择理论和宇宙自然选择假说大相径庭,两者间的不同在解释宇宙学常数时体现得尤为明显。如前文提到的那样,人们测量了这个重要的物理学常数,发现它是个极小的正数:10-120(普朗克单位下)。问题在于,宇宙学常数为什么这么小?一个事实与这个常数的取值有关。如果我们将宇宙学常数自它的观测值开始不断加大,同时保持所有其他物理学常数和宇宙学常数不变,我们很快能达到一个“临界值”。再往上变大,宇宙将膨胀得非常快,从而无法形成星系。这一临界值大约是目前观测值的20倍。
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为什么这个事实和宇宙学常数相关?请让我从一个错误的论证讲起。这个论证如下:
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(1)生命要存在,星系必不可少,否则就没有恒星。没有恒星意味着星际间没有碳元素,也没有足够的能量,而两者都是行星表面诞生复杂结构和生命的条件。
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(2)宇宙中处处都是星系。
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(3)要形成星系,宇宙学常数的取值必须比临界值小。
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