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●电子的质量:9.10938188×10-31千克。
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●地球绕着太阳旋转的轨道半径:149597870 691×1024米。
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●电子绕着氢原子旋转的轨道半径:5.291 772 11×10-11米。
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除此之外,物理学家还喜欢尝试从基本原理来预测这些数字。那么,我们成功过吗,或者这只是一厢情愿?约翰尼斯·开普勒在作出“行星轨道是椭圆形的”这个著名发现之前,曾经提出过一个优雅的理论,与上面所列的第3个数字有关。他提出,水星、金星、地球、火星、木星和土星的轨道就好像位于6个球体中,这6个球体像俄罗斯套娃一般嵌套在一起,每层间分别插入了一个八面体、一个二十面体、一个十二面体、一个四面体和一个立方体(见第6章图6-2)。且不说这个理论很快就被更精确的观测所排除了,它的整个前提看起来都很愚蠢,因为现在我们知道,宇宙中还存在有其他恒星系,我们测出的太阳系行星轨道数据根本无法带来任何关于宇宙本质的信息,只能告诉我们在宇宙中的位置。具体到这个案例中,也就是我们居住在哪个特别的恒星系中。从这个意义上说,我们可以把这些数字看作我们在空间中的地址的一部分,或者我们在宇宙中的邮政编码的一部分。
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比如,一个外星人邮递员要向地球递送包裹,我们如何向他解释太阳系在银河系中的位置呢?我们可以告诉他,你应该去一个有着8颗行星的恒星系,在这个恒星系中,8颗行星距离母星的距离分别等于最里面那颗行星轨道半径的1.84倍、2.51倍、4.33倍、12.7倍、24.7倍、51.1倍和76.5倍。这样一来,他可能就会恍然大悟地说:“噢!我知道你说的是哪个恒星系了!”
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我们早就放弃通过宇宙基本原理来预测地球的质量或半径了,因为我们知道宇宙中还存在着许多尺度不同的行星。那电子的质量和轨道半径呢?找遍宇宙,你会发现,宇宙中所有电子的质量和轨道半径都完全相同,所以,我们仿佛重拾了找到宇宙本质的希望——这几个数字有可能就是我们这个物理世界的基本性质,终有一天能根据开普勒轨道模型的精神,纯粹用理论计算出来。实际上,早在1997年,著名弦理论学家爱德华·威滕就告诉我,他相信总有一天,弦理论能预言出电子比质子轻的倍数。然而,我最近一次见他是在安德烈·林德的60岁生日派对上,他酒后向我吐露真言,说他已经放弃了预言任何一个自然常数。
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为何威滕如此悲观?因为历史总是惊人地相似。第二层多重宇宙之于电子质量,正如其他行星之于地球质量——让电子质量从“宇宙的基本性质”降格为了仅仅只是宇宙地址的一部分。对所有在第二层多重宇宙中变化的数字来说,测量它数值的唯一作用,就是缩小我们碰巧所栖身宇宙的可选择范畴。
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我们目前已经发现了32个构建在我们宇宙内部的独立参数,我们希望能尽可能精确地测量它们的值,小数点位数越多越好(见第9章)。它们是否会在第二层多重宇宙中发生变化呢?或者,它们中的其中一些是否能从基本原理中(或从其他更少的数字中)计算出来呢?我们依然缺少一个能成功回答这个问题的基本物理理论,因此,在这个理论显露真容之前,去研究那些测量值以寻求一些线索,是非常有趣的事情。如果我们随机选择一个宇宙,那些在多重宇宙间发生变化的数字也会显得十分随机。那么,我们测量到的这些数值看起来随机吗?你可以看一看图5-8,自己判断一番。图中,我标出了9种基本粒子的质量,这9种粒子在粒子物理学中被称为费米子(fermions)。不用在意我使用的奇怪刻度,这种刻度从左往右每隔几厘米尺度就增大10倍。反正在我看来,它们像9个随意扔出去的飞镖。实际上,这9个数字通过了统计学家对随机性的严苛测试,插上了胜利的旗帜。它们符合从统计学家所谓的均匀分布中随机抽取的样本,斜率小于10%。
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图5-8 我们设法测量了9个被称为费米子的粒子的质量,发现它们的质量分布似乎十分随机,和某些多重宇宙模型所预测的结果一样,这表明它们永远无法从某些基本原理中计算出来。图中的“尺子”刻度表示每个粒子比电子重多少倍。
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并非如堕烟海
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如果我们居住在一个随机的宜居宇宙中,这些数字应该看起来也很随机,但总的来说,它们应该满足与宜居性有关的概率分布。将这些数字在多重宇宙中的变化情况与星系形成等物理过程结合起来,我们就能对可能观测到的现象作出统计学预测。目前看来,这些预测与暗能量、暗物质和中微子(见图5-9)的数据十分吻合。实际上,史蒂文·温伯格对暗能量密度所作出的第一个非零预测,就是这样作出来的。
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图5-9 如果暗能量、暗物质和中微子(背景辐射中的三种中微子中的一种)的密度在第二层多重宇宙之中会发生巨大的变化,那么,大多数宇宙中都不会出现星系,也没有生命。这样,一个随机的观察者所预计的观测值只会出现在本图所示的概率分布中一段非常狭窄的范围内。对我们来说,预计的测量值应当落在中部那片概率为90%的灰色区域内。事实证明,确实如此。
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我非常喜欢详细研究我们“宇宙控制器”上的已知“旋钮”,暗自揣摩假如它们被设定在不同的数值上,将会发生什么事。比如,请不要随便拧动图5-6中代表空间与时间维度的两个旋钮,因为这将带来致命的影响。如果你增加时间维度的数量,让它超过3,就不可能存在稳定的恒星系,甚至连稳定的原子都将不复存在。比如,在一个四维空间内,牛顿的万有引力方程将发生改变——万有引力将不再与距离的平方成反比,而是与距离的立方成反比,这样一来,就再也不可能存在任何稳定的轨道。我对自己的这个发现感到十分兴奋,但没过多久,我就意识到我只是打破了自己的认知藩篱而已,因为奥地利物理学家保罗·埃伦费斯特(Paul Ehrenfest)早在1917年就发现了这一点……如果把空间的维度降到3以下,太阳系就不可能出现,因为万有引力将不再是“引力”。这样的空间过于简单,无法孕育出像我们这样的观察者,原因有很多,比如,两个神经元无法交叠。不过,改变时间的维度却并没有你想的那么诡异,爱因斯坦的广义相对论就能很好地处理这一点。
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然而,我曾经写过一篇论文,文中探讨了改变时间的维度将抹去物理学中与预测息息相关的数学性质,这样一来,进化出大脑也就失去了意义。正如图5-10所示,唯一可行的方案就是3个空间维度加1个时间维度。换句话说,假如有一个无限聪明的婴儿,那么,即使它不进行任何观测,也能从基本原理中推演出两个事实:第一个事实是,第二层多重宇宙中包含着不同时空维度组合的宇宙;第二个事实是,在所有的维度组合中,只有时空维度为3+1的宇宙才可能存在生命。套用笛卡儿的话,这个婴儿可能会在第一次睁眼看世界之前,就顿悟到:“我思,故空间是三维的,时间是一维的。”
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整个第二层多重宇宙都存在于同一个空间范围内,那么时空的维度为什么会变化呢?原来,根据最流行的弦理论模型,只有表观的维度才会发生变化,真正的空间永远拥有9个维度,但是我们却无法察觉到其中的6个维度,因为它们蜷缩在非常微观的尺度内,就像图1-7中所示的圆柱形。如果你沿着这6个隐藏维度中的任意一个维度前进一段极其微小的距离,你会发现你又回到了出发点。根据推测,所有的9个维度一开始都是蜷缩起来的,但是在我们这部分空间内,暴胀将其中3个维度从蜷缩状态伸展开,并拉伸到极其大的尺度,而剩下的6个维度依然蜷缩在微不足道的尺度内,不为人所见。在第二层多重宇宙中的其他地方,暴胀展开的空间维度可能不尽相同,从而创造出从零维到九维的众多世界。
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图5-10 如果空间维度超过3,就不可能存在稳定的原子和恒星系;如果空间准度小于3,就不会有万有引力;如果时间维度大于或小于1,物理学就失去了预测的能力,就算进化出大脑也毫无意义。在第二层多重宇宙中,第二层平行宇宙之间的时空维度可能各不相同,但我们一定会发现自己存在于一个有着三维空间和一维时间的宇宙中,因为其他维度的宇宙很可能不适宜生命生存。
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数学家们已经确定了许多种能使多余维度蜷缩起来并充满能量的不同方式(比如,广义磁场能在隐藏维度内形成回路)。在弦理论中,这些方式就相当于我们前面所讨论过的可变旋钮。这些方式不仅对应着表观维度中不同的物理常数,还对应着不同的规则,规定可能存在哪些基本粒子,以及哪些有效方程可以描述它们。所以,很可能存在一些第二层平行宇宙,其中存在10种夸克,而不是像我们一样的6种。
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简而言之,这意味着,虽然物理学(这里主要指弦理论)的基本方程在整个第二层多重宇宙中都是有效的,但位于不同第一层多重宇宙中的观察者却会发现,彼此的表观物理定律各不相同。换句话说,这些表观定律是“放诸四海而皆准”的,但这个“四海”仅指第一层多重宇宙,而不是指整个第二层多重宇宙。这些表观定律的有效性只到第一层多重宇宙,无法“皆准”到第二层多重宇宙。然而,基本方程的效力却可以覆盖第二层多重宇宙,它们会巍然不动、保持不变,直到我们踏上第四层多重宇宙的疆域(见第11章)……
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种子已经埋下,所有故事必然自行徐徐展开
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本章中,我们已经探讨了许多听起来十分疯狂的想法,那么现在让我们来做个小结,往回一步,看看全局吧!我把暴胀看作一个永不停息的过程,不管是暴胀本身,还是暴胀理论对宇宙的解释,都生生不息、永不停止。正如细胞分裂并不会在形成一个婴儿之后就停止一样,暴胀也不会仅形成一个宇宙就偃旗息鼓,而是会生成数量庞大的平行宇宙,可能穷尽所有物理常数的所有可能值。这还可以解释另外一个谜,那就是,我们的宇宙仿佛为生命的出现而进行了精细的微调。尽管绝大多数平行宇宙都是一片荒芜和死寂,没有生命存在,但依然有一些宇宙的条件正好适合孕育生命,那么,如果我们发现自己正处在这样宜居的宇宙中,就无须惊讶了。
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我的同事埃迪·法里(Eddie Farhi)喜欢把阿兰·古斯称为“赋能者”(The Enabler),因为他提出的永恒暴胀让所有可能发生的事都必然会发生,暴胀为它们的发生创造了空间,并埋下初始条件的种子,让所有故事自行徐徐展开。
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