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此外,我们在第9章论证过,外部实在假说中暗示了数学宇宙假说,即我们的外部物理世界就是一个数学结构。在第11章中,我们看到了它又是如何暗示了第四层多重宇宙的存在,这一层多重宇宙将其他层级的多重宇宙都囊括在内。也就是说,只要我们同意“存在一个独立于我们的外部实在”,那从根本上说,我们就无法摆脱这些平行宇宙。
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总结而言,综观这本书,我们看到了人类自我意象的变迁。长期以来,人类都难以克服傲慢的倾向,自大地想象自己拥有中心地位,认为其余万物都是围绕着我们而旋转。但是,我们也一次又一次证明这样的想法是错误的——其实是我们围绕着太阳旋转,而太阳围绕着银河系的中心旋转,银河系位于一个充满无数星系的宇宙,而这个宇宙又只是四个多重宇宙层级中小小的一个。我希望这能让我们保持谦卑。然而,尽管我们高估了人类在万物图景中的物理力量,但我们却总是低估我们的精神力量!我们的祖先认为他们永远受限于地面上,永远无法真正理解天上星星的本质。然后,他们意识到自己不用飞入太空就能研究天体——只需放飞人类的心智,而非身体。得益于物理学的进展和突破,我们对实在本质的洞察变得越来越深邃。我们发现自己栖身于一个祖先们做梦都想不到的宏大实在中,这意味着人类未来生活的潜力也一定会超出我们的想象,不可限量。在未来,有了几乎无穷无尽的物理资源,人类的天赋和创造力一定会变革一切。所以,命运掌握在我们自己手中。
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唯一能限制我们的,是人类自己的想象力
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如果我错了,如果数学宇宙假说是错误的,这意味着基础物理学必将遭遇到一个障碍,如果不克服它,我们就无法更好地理解我们的物理实在,因为它缺乏数学描述。如果我是正确的,这个障碍就会烟消云散,万事万物从本质上都可以被我们理解。我想,这是一件奇妙的事情,因为那时候,唯一能限制我们的,就是人类自己的想象力。
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更准确地说,唯一能限制我们的,就是我们的想象力和完成艰苦任务的决心。道格拉斯·亚当斯对“生命、宇宙和万物的终极问题”所给出的答案(见第9章),并不能算一个答案,也无法安抚所有提出问题之人。同样,关于实在终极本质的问题,我所提出的答案(“全是数学”,或者更具体地说是“第四层多重宇宙”)也无法回答大部分传统的宏大问题。与直接回答不同,大部分问题都被改述,重新措辞。例如,“量子引力学的方程是什么”这个问题就变成了“我们在第四层多重宇宙中处于什么位置”——这个问题与原来的问题一样难以回答。所以,关于物理实在的终极问题一直在改变。我们抛弃了“哪一些数学方程描述了我们的实在”这样误导性的问题,转而发问“如何从飞鸟视角中计算出我们的宇宙在青蛙视角中的样子”——也就是我们的观测。这将决定我们是否能揭开这个宇宙的真实结构,并帮助我们弄清楚我们的家园位于数学宇宙中的哪个角落。
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基本问题比那些不那么基本的问题更容易回答,这在物理学中是一个普遍的现象——如果我们发现了描述量子引力学的正确方程,它们就能让我们对空间、时间和物质的理解更深入,但无法帮助我们建立更精确的全球气候变化模型,即使它们已经从本质上解释了与天气有关的所有物理学。魔鬼就藏在细节之中,要搞清楚这些细节需要大量与终极基本理论无关的艰苦工作。
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本着这样的精神,本书剩下的部分将探索一些更具体的宏大问题,带领我们越来越远离基本物理学,但越来越靠近我们自己的家园。由于本书前面的部分花了太多精力来讨论我们的过去,那么,用展望未来作为旅程的终结,再合适不过了。
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我们宇宙的未来——它将如何终结
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如果数学宇宙假说是正确的,那么总体来说,我们物理实在的未来并没有太多东西可以说——由于它存在于时间和空间之外,它终结或消逝的方式与它创生和变化的方式并没什么不同。但是,如果我们拉近镜头,仔细观察我们栖居的这个包含时间和空间的数学结构,那么一切就会变得更加有趣。在我们这里,万事万物仿佛是在我们这样的观察者的着眼点上展开,所以我们自然而然地想知道最终会发生什么。
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那么,数十亿年之后,我们的宇宙将如何终结?对这个即将到来的宇宙末日,我有5个主要的猜想,都画在图12-2中了,并在表12-1中进行了总结——大冷寂、大挤压、大撕裂、大断裂和死亡泡泡。
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图12-2 我们知道,我们的宇宙开始于140亿年前的一场炙热的大爆炸,它先膨胀,然后冷却,将它的粒子变为原子、星星和星系。但是我们并不知道它的终极命运。人们提出的终极情景包括大冷寂(永远膨胀)、大挤压(再次坍缩)、大撕裂(无穷大的膨胀率将万物撕裂)、大断裂(空间被拉伸过多时,它的结构展现出了致命的颗粒性质)和死亡泡泡(空间“冷冻”入致命的泡泡中,并以光速膨胀)。
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表12-1 空间在5种宇宙末日情景中的不同未来
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我们的宇宙已经膨胀了约140亿年。大冷寂是指我们的宇宙将永远膨胀下去,稀释为一个冷寂黑暗、最终死亡的地方。这让我想到艾略特所说的:“这就是世界完结的方式,不是砰的一声垮掉,而是轻轻啜泣着消亡。”如果你像罗伯特·弗罗斯特(Robert Frost)一样,更喜欢世界终结于烈火中而非冰冻中,那么请双手合十,祈祷大挤压的出现吧。在大挤压中,宇宙膨胀最终将反向进行,万事万物被再次压缩在一起,导致灾难性的坍缩,很像大爆炸的倒播。而大撕裂在无耐心的人眼里与大冷寂十分相似,在其中,我们的星系、行星甚至原子都将在有限时间后的一场终曲中被撕裂。
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这三个结局,你会赌哪一个发生呢?这将取决于暗能量随空间膨胀将发生什么事。我们在第3章曾提到过,暗能量占宇宙质量的约70%。如果暗能量保持不变,那将发生大冷寂;如果暗能量稀释为负密度,将发生大挤压;如果暗能量“反”稀释为更高的密度,将发生大撕裂。
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由于我们尚不知道暗能量究竟是什么东西,我只能告诉你,我的赌注是这样的:40%赌大冷寂,9%赌大挤压,1%赌大撕裂。另外50%呢?我要把钱存起来,投注给“以上皆非”选项,因为我认为人类应当更加谦卑地意识到,还有许多基本的东西是我们所不了解的,例如空间的本质。大冷寂、大挤压和大撕裂的结局,都事先假定了空间本身是稳定的,并且能够被无限拉伸。
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我们曾经认为,空间处在一个无聊的稳定状态,宇宙的戏剧在其中徐徐展开。然后,爱因斯坦告诉我们,空间并不只是这场戏剧的舞台,它也是其中的重要演员——它能弯曲成黑洞,能荡漾出引力波,能拉伸为一个膨胀的宇宙。也许,它还能像水一样冷冻为另一个不同的相,在其中产生出致命的高速膨胀泡泡(见第5章)。这些泡泡都是新的相,为我们提供了一个新的宇宙末日候选者。我们还曾经认为,如果空间不与其他东西相互远去,就无法创造出更多空间。
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然而,爱因斯坦的引力理论讲述了一个完全相反的故事(见第2章):在星系之间的某个区域内,能够产生出更多的空间体积,而不需要将新产生的体积膨胀入其他区域——新的体积还是待在原来的星系之间。此外,爱因斯坦的理论还说,空间的拉伸可以永恒持续下去,这样,在大冷寂和大挤压的情景中,我们宇宙的体积就会接近无限大。这听起来好得令人难以置信,不禁让人怀疑:真是这样吗?
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橡皮筋看起来很不错,具有连续性,就像空间一样。但是假如你把它拉伸得过多,它就会断裂。为什么?因为它是由原子组成的,如果拉伸得太多,橡皮筋原子的颗粒性质就变得重要起来。有没有可能,在人类无法企及的微小尺度上,空间也具有类似的颗粒性呢?数学家喜欢用理想的连续统来模拟空间,不采用任何颗粒性,因此无论距离多么小,都是有意义的。在MIT的大多数物理课上,我们也使用着同样的连续统空间模型,但是,它真的正确吗?肯定不正确!事实上,反对它的证据越来越多(见第10章)。在一个简单的连续空间中,你需要写下一个数位无限多的数字,才能确定两个任意点之间的距离,但是物理学巨擘约翰·惠勒告诉我们,量子效应或许会让小数点后34位之后失去意义,因为我们整个经典的空间概念在小尺度上会崩溃,也许是被一个奇怪的泡泡结构所取代了。这有点像你在计算机屏幕上不断放大一张照片,就会发现原本看起来光滑而连续的画面实际上变成了颗粒状,就像橡皮筋一样,只不过照片中不可细分的组成单元是像素(见图10-3)。
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由于照片是由像素组成的,它只包含着有限量的信息,并能很方便地在互联网上传输。同样地,越来越多的证据表明,我们的可观测宇宙也只包含着有限量的信息,让我们更容易理解大自然如何计算下一步要做什么。全息原理指出,我们的宇宙最多包含着10124比特的信息(见第5章)。算下来,平均每个原子的体积中可以塞进10个TB的信息。
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下面就是困扰我的事。量子力学薛定谔方程暗示着,信息不可能被创生,也不可能被毁灭(见第6章)。也就是说,随着宇宙的膨胀,每一升空间中所包含的信息量在持续减少。在大冷寂情景(我在天体物理学家中进行了一圈投票,大冷寂的得票处于宇宙末日选举中的领先地位)中,宇宙会永远膨胀下去,那么,当每升空间所包含的信息含量的数量级从GB降到MB,甚至少于一部手机能存储的数据时,会发生什么呢?降到每升1字节呢?在我们用详细模型来取代连续统空间模型之前,我们无从知晓具体的结果,但是我想,我应该把赌注押在下面这种情况:某些糟糕的事情会发生,将逐渐改变我们所知的物理定律,让我们这样的生命形式不可能继续存在下去——欢迎来到我所谓的“大断裂”。
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下面的事更让我困扰:我经过简单的计算发现,大断裂将在几十亿年后发生,甚至比我们的太阳耗尽燃料、吞噬地球的时间还早。暴胀理论是将“爆炸”放入宇宙大爆炸的最好理论(见第4章)。暴胀理论说,在早期宇宙中,存在相当多的高速拉伸区域,某些区域拉伸的程度比其他区域大。如果空间拉伸存在一个上限,到达上限后就会遭遇到大断裂,那么,大部分体积(因此也包括大部分星系、恒星、行星和观察者们)都将处在拉伸得最多、最接近断裂的区域内。
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那么,这个即将来临的大断裂会是什么样呢?如果空间的颗粒性逐渐增长,那最先陷入困境的就是尺度最小的结构。我们可能会先注意到,核物理学的性质发生了变化,例如先前稳定的原子发生了放射性衰变。接着,原子物理学开始改变,扰乱了所有化学和生物学。幸运的是,我们宇宙中的伽马射线暴就像一个便利的预警系统,就像煤矿中的金丝雀,或许可以早在大断裂伤害我们之前就发出警示。伽马射线暴是灾难性的宇宙爆炸,从遥远的宇宙深处而来,向我们爆发出短波的伽马射线。在连续空间中,所有波长移动的速度都相同,等于光速,但是在一个颗粒空间中,短波移动的速度稍慢。我们最近发现,两个波长不同的伽马射线从一个遥远的爆炸出发,在宇宙中旅行数十亿年后到达同一张照片的时间差在0.01秒之内。从表面上看,这排除了大断裂将发生在亿亿年之后的可能性,将上一段中的时间预测呈现在我们面前。
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