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如果你是一条鱼,一辈子都生活在大海里,那么你可能会错误地认为,水并不是一种物质,只是空旷的空间。人类眼中那些水所拥有的性质,比如,游泳时受到的摩擦力,都被你这条鱼误认为是基本物理定律。例如,你会认为:“一条匀速运动的鱼如果不扇动鱼鳍,就会停下来,变成静止状态。”你可能根本不知道水有3种不同的状态——固相、液相和气相。你也可能不知道,你所谓的“空旷的空间”实际上只是液相——这是描述水的方程的一个特殊解。
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这个例子可能听起来很傻,如果一条鱼真的这么想,我们也许会忍不住嘲笑它。但是,我们人类所认定的空荡荡的空间有没有可能也是某种奇妙的介质呢?如果真是这样,我们也应该遭到嘲笑!实际上,越来越多的证据表明,这确实是事实。不止“空旷的空间”是某种介质,这种介质似乎还拥有许许多多种状态,比水的3种状态多多了,可能约有10500种,甚至可能有无数种。这就开启了一种可能性:除了弯曲、拉伸和振动,我们的空间还可能存在与水的冻结和蒸发类似的性质!
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物理学家是怎样得出这个结论的呢?如果一条鱼足够聪明,它就能通过实验证明自己的“空间”只不过是一些遵循着数学公式的水分子。再对这些公式进行研究,它就能如图5-5中画的那样,得出这些公式的3个解,分别对应着三相,也就是固态的冰、液态的水和气态的水蒸气,即使它可能一辈子都没有见过冰山和喷着水蒸气的海底火山口。同样,我们物理学家也正在寻找着那些能够描述我们的空间及其内容物的公式。我们还没有找到最终的答案,但是我们目前所得到的近似解和水有许多相似之处——它有不止一个解(也就是相),可以描述均匀的空间。在最终答案的候选者中,弦理论是最有可能拔得头筹的那个,人们发现它存在至少10500个解。而对其他候选者(比如圈量子引力论)来说,目前也没有迹象表明它们只存在唯一的解。物理学家喜欢把一个理论可能存在的所有解的集合称作这个理论的“图景”(landscape)[18]。不同的解所具有的不同性质组成了各自的有效物理定律,但它们都是相同的基本物理定律容许范围内的不同可能性。
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图5-5 空间可能冻结吗?一条鱼可能会把周围的水看作空旷的空间,因为这是它知道的唯一介质。但是,如果有一条聪明的鱼发现了水分子所遵循的物理定律,它就会意识到水分子有3种不同的解,也就是“相”,包括它所知道的液态水以及它永远看不见的冰和水蒸气。同样,我们所认为的空旷空间也可能是一种介质,它可能拥有超过10500种状态,而我们只经历着其中一种。
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这和暴胀有什么关系呢?令人惊讶的是,永恒暴胀有能力创造出任何一种可能存在的空间类型!它将整个图景变为了现实。事实上,对空间的每一种相,暴胀都能创造出无数多个第一层多重宇宙,每一个的内部都充满了这种相。这意味着,我们这些观察者很容易被愚弄,也很容易得到和鱼儿一样错误的结论:由于我们观察到我们的宇宙空间中处处拥有相同的性质,所以我们很容易错误地认为其他地方的空间也同样如此,认为它们与我们的空间一样,拥有同样的性质。
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暴胀是如何做到这一点的呢?要让空间发生相变,需要大量能量,而我们日常观察到的种种过程都不具备这样的能量,所以无法完成这种改变。但是,回溯到暴胀的时代,每个微小的空间内都蕴藏着巨大的能量,足以使得前文提到过的量子涨落在微小的区域内触发偶然的相变,这个小区域随后暴胀为一个硕大无朋的区域,其内部处处拥有相同的相。此外,一个区域要停止暴胀,必须要处于特定的相,才能够保证两种相之间的边界区域处于永恒暴胀的状态。所以,每种相都各自把一个第一层多重宇宙塞得满满当当。
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那么,这些异相的空间看起来什么样呢?
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想象一下,假如你以前从来没有听说过汽车,也完全不知道汽车的工作原理,可是你生日那天却收到了一辆汽车作为礼物,车钥匙就插在点火装置上。你十分好奇,钻进车里,东摸西搞,把各种按钮、旋钮、控制杆都试了一遍。最后,你终于发现了正确的使用方法,并学会了开车,开得还相当不错。但是,假设有人在你拿到车之前,神不知鬼不觉地把变速杆旁表示倒车挡的字母“R”擦掉了,并对变速器动了手脚,导致你必须使出全身力气才能把变速杆换到倒车挡。这意味着,除非有人告诉你真相,那么你可能永远也不知道车还能倒着开。如果有人向你请教如何开车,无一例外,你会错误地向他断言,只要发动机尚在运行,那么,油门踩得越狠,向前的车速就越快。同样,如果此时在另一个平行宇宙中,同一辆车被改装后,需要巨大的力量才能向前进而不是向后退,那另一个你可能会总结道:“这台奇怪的机器只能倒着开。”
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我们的宇宙和这辆车有异曲同工之妙,它有一堆控制用的“旋钮”(见图5-6)。这些旋钮正是规定物体随外力如何运动的定律——就是我们在学校里所学的物理定律,包括所谓的自然常数。每设定一次旋钮的位置,都相当于设定了空间的一种相,所以,假如一共有500个旋钮,每个旋钮有10个可选的档位,那么,空间就总共有10500种不同的相。
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图5-6 在第二层多重宇宙的不同区域,时间和空间的内在结构也像是装有控制旋钮,可以拨动到不同的档位,分别代表着不同的设定。在第9章我们将看到,我们的宇宙似乎装有32个可以连续无级变档的旋钮,另外还有一些有级变档的旋钮,控制着粒子的类型。
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当我还在上高中时,老师告诉我们,这些定律和常数都是放诸四海而皆准的,永远不会随地点和时间而改变。这显然是错误的。可是,他错在哪里呢?原来,要拧动这些控制宇宙的旋钮,改变它们的档位,就像扳动那辆汽车里的变速杆一样,需要巨大的能量——比我们目前所能支配的能量大多了,所以,我们根本不知道这些设定竟然可以改变,甚至连这些设定的存在都不知道。但是,与汽车变速杆不同,大自然的“旋钮”隐藏得非常好。这些“旋钮”以所谓的“高质量场”(high-mass fields)等晦涩不清的形式存在,不仅改变它们需要巨大的能量,甚至连探测到它们的存在也需要相当大的能量。
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那么,物理学家们是如何发现这些旋钮的存在,以及它们竟然可以在巨大的能量作用下,改变宇宙运行规律的呢?用同样的方法,你也能发现你的车竟然还能倒着开,只要你拥有足够的好奇心。这种方法就是,认真研究各个零件的工作原理!比如,仔细钻研一下变速箱。同样,对自然界最小的基本构件进行仔细研究后,人们发现,只要加诸足够的能量,它们就会重新排列,改变宇宙的运行规律,我们将在下一章对这些基本构件进行探索。永恒暴胀可能早已向量子涨落提供了足够的能量,并在不同的第一层多重宇宙中触发了这种重新排列。这就好像一只身强力壮的大猩猩闯进一个停满了车的停车场,大肆地随意破坏车里的按钮和变速杆。等它搞完破坏,一定有一部分车处在倒挡上。
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总而言之,第二层多重宇宙从根本上改变了我们对物理定律的传统观念。许多曾被认定为放诸四海而皆准、不随时间和空间而变化的基本定律,到头来原来都只是有效物理定律,就像只对本地人有约束力的地方法规一样,每个地方的旋钮设定都可能不一样,从而形成不同的相。表5-2总结了这些观念及其与平行宇宙的关系。这延续了一个古老的趋势——曾几何时,哥白尼认为行星轨道成完美的圆形是基本物理定律,而现在,我们知道非正圆形的轨道更加普遍。行星轨道偏离正圆形的程度(天文学家称之为“离心率”)就好似一个可控的旋钮,但是,一旦太阳系已经形成,这个旋钮的相位就很难改变,即使可变,变的速度也很慢。第二层多重宇宙把这种概念上升到了一个新高度,将许许多多基本物理定律都降级为了有效物理定律。我们接下来将继续探索这一点。
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表5-2 本书中与多重宇宙相关的术语和解释
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微调性是第二层多重宇宙的证据
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那么,第二层多重宇宙究竟是否存在呢?此前我们已经看到,永恒暴胀的证据(已经有很多了)正是第二层多重宇宙的证据,因为后者是前者的预测。我们也看到,如果一些自然规律或常数本质上是可以随地点而变化的,永恒暴胀就会让它们在第二层多重宇宙中全部实现。那么,有没有更多直接的证据来证明第二层多重宇宙的存在,而不用如此依赖理论推测呢?
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在这一节中,我将论证这个观点,即我们的宇宙似乎经过了某种精细微调,以适应生命的出现。从根本上说,我们发现,前面提过的那些旋钮似乎被调到了非常特殊的数值,如果有人哪怕极其轻微地改变了这些数值,我们所知的一切生命形态都不可能出现。比如,如果旋动暗能量的旋钮,星系将不可能形成;再旋动另一个旋钮,原子就会变得不稳定,诸如此类。这就好像,如果我没有经过飞行训练就去开飞机,面对驾驶舱里琳琅满目的旋钮,我肯定立刻吓趴下了。但是,如果我有能力随意拧动我们宇宙的旋钮,毫无疑问,我能活下来的概率肯定更低。
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据我观察,人们对已观测到的微调性有三种反应:
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●偶然说。有人认为,这只是一种偶然的巧合,别无长物。
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●设计说。有人认为这是一个证据,说明我们的宇宙是由某种实体(也许是一个神,或者一个高级的宇宙模拟生命形态)设计出来的,它谨慎小心、一丝不苟地把那些旋钮微调到了允许生命存在的数值。
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●多重宇宙说。有人认为这是第二层多重宇宙存在的证据。因为,如果旋钮的每个档位都可能出现于某处,那么,自然地,我们当然会发现自己处在一个最适宜的区域。
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