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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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接下来,我们将探讨“偶然说”和“多重宇宙说”,在第11章探索“设计说”。不过首先,让我们先来看看到底有哪些微调证据,给我们带来了这么多麻烦。
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微调暗能量,让宇宙正常运转
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我们在第3章中已经看到,我们的宇宙史就是一场万有引力的拔河比赛,对战双方是暗物质和暗能量,前者千方百计想把物质聚集在一起,而后者则处心积虑地将物质分离开。由于星系形成需要将物质拉拢在一起,所以我把暗物质看作我们的朋友,而把暗能量看作我们的敌人。曾经,暗物质在宇宙中占大多数,它那友善的万有引力帮助星系聚集成型,比如我们的银河系。然而,随着宇宙膨胀,暗物质被逐渐稀释,但暗能量却没有被稀释。暗能量无情的万有“斥力”最终占了上风,遏制了更多的星系形成。
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这意味着,如果暗能量的密度极其庞大,它就会赶在第一个星系形成之前迅速占据上风。这样一来,宇宙就会胎死腹中,永远陷入黑暗的深渊,没有一丝生命的火种,只有近乎均匀的气体。反过来说,如果暗能量密度减少到负值(爱因斯坦的理论允许这样的情况存在),那么我们的宇宙就会停止膨胀,生命还来不及进化,宇宙就会坍缩为灾难性的“大挤压”。简而言之,如果你真的找到了旋动“暗能量旋钮”(见图5-6)以改变暗能量密度的方法,拜托你,两个方向都不要调得太多,因为这对生命来说是一件糟糕的事——这就像按下了关机键。
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那么,暗能量这个旋钮最多能拧到多少,才不至于让万物轰然倒塌呢?目前旋钮的设定相当于我们实际测量暗能量密度的结果,即每立方米大约包含10-27千克。这个数字与整个可调范围相比,简直相当于零——暗能量密度旋钮的最大值是每立方米1097千克,那时量子涨落用微型黑洞布满了空间;而最小值的绝对值与前者相同,只是前面加了一个负号,即每立方米-1097千克。如果图5-6中的暗能量旋钮旋转一整圈就能让暗能量密度在整个可调范围内最大限度地变化,那么,在我们的宇宙中,该旋钮的实际位置偏离中点刻度的比例仅为10-123。这意味着,如果你从零点开始微调旋钮,想把它旋转到允许星系形成的位置,那你必须小心翼翼地拧动一个极其微小的角度。小到什么程度呢?小到小数点后120多位!尽管这听起来像是不可能完成的任务,但某些机制却似乎完美地做到了这一点,将参数调整得非常精确,好让我们的宇宙能正常运转。
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微调粒子,建立稳定的原子世界
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在下一章中,我们将探索基本粒子的微观世界,那里也有许多旋钮,决定着粒子的质量和相互作用力的大小。如今,科学界越来越清晰地意识到,这些旋钮仿佛也经过了精确的微调。
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比如,如果电磁力略微降低4%,太阳就会立刻爆炸,氢会立刻聚变为所谓的双质子(diprotons,双质子是一种不含中子的氦,在其他情况下是不可能存在的)。而如果将电磁力稍微升高一点点,之前稳定的原子(譬如碳和氧)就会产生放射性,并很快发生衰变。
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如果弱相互作用力略微降低一点点,我们周围就不会出现氢,因为它们都将在大爆炸后不久就全转变为氦了。如果弱相互作用力过高或者过低,超新星爆炸释放出的中微子就无法吹走恒星外层,那生命进化所必需的重元素(比如铁元素)就难以被回馈到宇宙空间,最终也没法落在地球这样的行星上,更别说孕育出生命了。
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如果电子比现在轻很多,那就不可能存在稳定的恒星。如果电子重很多,就不可能存在晶体和DNA分子之类的有序结构。如果质子重0.2%,它们就会衰变为中子,无法捕获电子,所以原子也将不复存在。如果质子轻很多,原子内部的中子就会衰变成质子,那么除了氢之外,宇宙中不可能存在其他稳定的原子了。实际上,控制质子质量的那个旋钮拥有非常宽广的可调范围,却必须被调到小数点后33位的精确度,宇宙中才可能形成氢原子以外的稳定原子。
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