Brian Greene：?jiǎn)卧钪孢€是多元宇宙？
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Brian Greene 的演講標(biāo)題是《單元宇宙還是多元宇宙？》，他從三個(gè)不同的角度告訴我們可能正身處“多元宇宙”之中，需要認(rèn)真對(duì)待這種想法，并繼續(xù)探索。
以下為演講全文：
今天我很高興、也很榮幸能在這里向大家分享一些我對(duì)“宇宙”的看法。
長(zhǎng)期以來，我們用“宇宙”這個(gè)詞來表示世間萬物。但過去的幾十年里，科學(xué)家們開始認(rèn)識(shí)到，我們認(rèn)知中的那個(gè)“宇宙”，很有可能只是更宏大、更廣闊的宇宙景觀中的一小部分。而這個(gè)更宏大、更廣闊的宇宙景觀，我們現(xiàn)在將其稱之為“多元宇宙”。
接下來，我想跟大家分享三個(gè)小故事。它們會(huì)從不同的角度告訴我們，我們可能正身處“多元宇宙”之中。但請(qǐng)注意，這三個(gè)小故事并不能證明“多元宇宙”的存在，只是不斷激勵(lì)著我們像當(dāng)今世界上眾多的科學(xué)家一樣，去認(rèn)真對(duì)待這種想法。
言歸正傳，接下來我要開始分享第一個(gè)小故事了。這三個(gè)小故事有一個(gè)共同點(diǎn)，就是要依靠大家對(duì)“引力”的理解。早在十七世紀(jì)末，牛頓就首次用數(shù)學(xué)方法描述了引力。他列出了一個(gè)數(shù)學(xué)公式，可以用來預(yù)測(cè)行星繞恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡，最了不起的是，這個(gè)小小的公式，今天仍出現(xiàn)在世界各地高中生的教科書里。你們肯定都學(xué)過，對(duì)嗎？
F=G(m1m2/r的平方)
這是一個(gè)很適合印在T恤上的方程式。運(yùn)用這個(gè)方程式，我們就能預(yù)測(cè)物體會(huì)在哪里出現(xiàn)，當(dāng)我們抬頭仰望夜空，就會(huì)發(fā)現(xiàn)那些星球剛好在我們計(jì)算出的位置上。這個(gè)公式是我們探索宇宙中最普遍的力量——引力過程中的一個(gè)重要里程碑。
不過，即便如此，牛頓還是忘了些東西。他從未告訴我們引力的作用原理：引力如何從一個(gè)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)點(diǎn)？太陽如何通過引力將地球固定在軌道上？到底引力是如何發(fā)揮作用的呢？
這些問題直到愛因斯坦的出現(xiàn)才得以解決。愛因斯坦提出了關(guān)于引力的一種新思路。打個(gè)比方，他認(rèn)為，引力就好比放在你面前的一張橡膠板，挺括而緊繃，如果你在上面滾個(gè)彈珠，彈珠就會(huì)沿著直線軌跡運(yùn)動(dòng)。這是很好理解的?？墒?，假如你拿一個(gè)大石頭之類的物體放在橡膠板中央的話，板子就會(huì)彎曲，這時(shí)再把彈珠放上去，彈珠就無法像之前一樣沿直線運(yùn)動(dòng)了，而是變成在曲面上做曲線運(yùn)動(dòng)。
愛因斯坦認(rèn)為，我們可以將這種觀點(diǎn)應(yīng)用到宇宙空間，而不單單只是停留在一張橡膠板上。宇宙空間是一個(gè)三維空間圖像，這有點(diǎn)兒不太好理解，那讓我們?cè)偾袚Q回二維圖像。比如之前的橡膠板，你會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)沒有任何物體時(shí)，它是平坦的；但我們引入一個(gè)像太陽一樣的物體時(shí)候，整個(gè)構(gòu)造就會(huì)扭曲，地球也就被固定在了軌道上。這樣，地球便會(huì)沿著太陽造成的“山谷”作曲線運(yùn)動(dòng)，而其本身也同樣扭曲了空間，讓月球在其形成的曲線軌道上運(yùn)動(dòng)。
這就是愛因斯坦所解釋的引力的作用機(jī)制。
1919年，通過對(duì)日食期間光束曲線軌跡的天文觀測(cè)，這一想法得到了證實(shí)。正是這個(gè)發(fā)現(xiàn)，奠定了愛因斯坦的地位，使他成為了全世界最受人尊敬的科學(xué)家。也正因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)，人們開始接受他的想法，并嘗試推動(dòng)其向前發(fā)展。其中，比利時(shí)的耶穌會(huì)牧師喬治?勒梅特（George Lemaitre）貢獻(xiàn)尤為顯著。除了牧師這一重身份，喬治?勒梅特還是麻省理工學(xué)院的博士，他把愛因斯坦的方程應(yīng)用到太陽和地球之外的物體上，也就是整個(gè)宇宙。他驚奇地發(fā)現(xiàn)，按照愛因斯坦的公式，宇宙并不是靜態(tài)的、不變的、永恒的，隨著時(shí)間的推移，宇宙要么收縮、要么伸展，這與公式本身相矛盾。但愛因斯坦對(duì)此持否定態(tài)度，他有一種哲學(xué)偏見，即在最大范圍內(nèi)，宇宙應(yīng)該是保持不變的，過去是，將來也是。
愛因斯坦的這個(gè)偏見，因?yàn)榻酉聛沓鰣?chǎng)的這位人物的觀察結(jié)果而改變了。
埃德溫?哈勃（Edwin Hubble），是一位畢業(yè)于牛津大學(xué)的律師。卸下這重身份，他還是一位出色的天文學(xué)家。他在威爾遜山天文臺(tái)用功能強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到星系都在遠(yuǎn)離我們，宇宙正在伸展。正如愛因斯坦的公式所顯示的那樣，宇宙在膨脹?；诖?，我們可以描繪出宇宙大爆炸的畫面：宇宙在早期是緊密、壓縮的，隨著時(shí)間的推移，它伸展、生長(zhǎng)；而隨著向外生長(zhǎng)，它會(huì)冷卻下來，冷卻之時(shí)，空間結(jié)構(gòu)便從最初的高溫中孕育而生。
這樣一個(gè)美妙的故事，由牛頓的簡(jiǎn)單公式開始，因愛因斯坦公式轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼜?fù)雜的形式，進(jìn)而向我們展示了宇宙如何從歷史早期發(fā)展到今天，乃至未來的模樣。
這是一項(xiàng)非凡的成就。想想我們?nèi)祟?，在這個(gè)星球上存在的時(shí)間并不長(zhǎng)，卻已具備了這樣一種數(shù)學(xué)思維能力，能夠窺見宇宙最早期的樣子。
但是這個(gè)理論還是有個(gè)漏洞——它并沒有告訴我們是什么在一開始推動(dòng)了宇宙向外發(fā)展。這個(gè)難題困擾了科學(xué)家們幾十年。仔細(xì)想一想，通常情況下，我們提到“引力”的第一反應(yīng)都是這是一種向內(nèi)拉的吸引力，會(huì)將東西聚集起來。但是如果你想要向外伸展，就需要有向外的推力。
在20世紀(jì)70年代末，科學(xué)家們?cè)俅位氐綈垡蛩固沟墓缴?。他們發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦所說的“引力”其實(shí)有兩種形式。首先，引力具有吸引作用，這也是我們大家都熟知的使我們生活在地球上的作用力；其次，公式表明，如果一顆星球不像地球這樣呈團(tuán)塊狀，但有均勻分布在整個(gè)空間的能量，那么引力就會(huì)表現(xiàn)出另外一種作用形式——它會(huì)產(chǎn)生向外的斥力，我喜歡把這種力量比作宇宙燃料，是它推動(dòng)了宇宙空間向外膨脹。
這個(gè)想法也帶來了一些預(yù)測(cè)：我們現(xiàn)在看到的一切，都是宇宙微波背景輻射，這是宇宙大爆炸留下來的熱量；而那些像素之間的微小色差，則代表了大約10萬分之一的極小的溫度變化。按照數(shù)學(xué)公式，如果宇宙由于這種斥力而迅速膨脹，那么從量子物理學(xué)來看，早期宇宙中的微小變化就會(huì)引起微小的溫差，這樣，我們就可以預(yù)測(cè)天空中不同點(diǎn)的溫度如何變化了。我現(xiàn)在所展示的，就是這樣的預(yù)測(cè)。
這是對(duì)剛剛所展示的圖片的統(tǒng)計(jì)分析，接下來是觀察結(jié)果。曲線是根據(jù)數(shù)學(xué)公式得出的計(jì)算結(jié)果，黃點(diǎn)則代表實(shí)際的觀察結(jié)果。
大家可以比較一下，很驚人吧，看起來就像是人類創(chuàng)造的藝術(shù)品一樣絕妙——關(guān)于宇宙誕生的數(shù)學(xué)理論，竟然與140億年后 我們對(duì)光子的觀測(cè)結(jié)果驚人一致。這些光子自從宇宙起源開始起便暢通無阻地穿行，這說明我們的數(shù)學(xué)理論確實(shí)能夠解釋宇宙是怎樣誕生的。
我現(xiàn)在再次提起這一數(shù)學(xué)理論，是因?yàn)樗衔医酉聛硪f的那個(gè)更大的主題——多元宇宙。為什么呢？因?yàn)槿绻@張圖片是正確的，那么宇宙大爆炸就是由這種宇宙燃料引起的，并產(chǎn)生了向外推動(dòng)的斥力。公式還表明，要完全耗盡這種燃料幾乎是不可能的。燃料中的一部分催生了大爆炸，那剩下的那些燃料呢？催生另一個(gè)大爆炸。爆炸過后再次剩余的燃料呢？繼續(xù)催生大爆炸，以此類推。這些接連的大爆炸創(chuàng)造出一個(gè)又一個(gè)宇宙空間，就像圖片上顯示的那樣。
這就是我們所說的“宇宙大爆炸”。由剩余燃料催生的大爆炸，一個(gè)又一個(gè)，這些不單單只是行星或星系。根據(jù)之前的概念，這些是我們的“宇宙”之外真實(shí)存在的其他宇宙。如果想搞清楚這個(gè)概念，就要引入微觀世界的理論，將量子力學(xué)與引力結(jié)合起來。這樣的話，你需要重新理解微觀世界，而這就借助一個(gè)新概念，我們稱之為“弦理論”。
接下來就是我要分享的第二個(gè)小故事。
在微觀世界中，我們需要重新認(rèn)識(shí)物質(zhì)的基本成分。有別于你在粗略的世界構(gòu)成研究中所熟悉的電子和夸克，弦理論講的是微小的振動(dòng)弦狀細(xì)絲可能是物質(zhì)本身的核心。
這些位于物質(zhì)中心的微小振動(dòng)細(xì)絲是一種假設(shè)，但這假設(shè)奇妙無比。根據(jù)這一假設(shè)，世界上的所有事物都源于微觀世界中這個(gè)微小的基本實(shí)體的不同振動(dòng)模式。
在宏觀世界中，愛因斯坦的廣義相對(duì)論奠定了大爆炸的數(shù)學(xué)理論，這個(gè)理論也啟發(fā)我們?nèi)ニ伎计渌钪娲嬖诘目赡苄?；而在微觀世界中，我們只有基本成分或微小振動(dòng)細(xì)絲，而且棘手的是，只有當(dāng)我們周圍的世界具有三個(gè)以上維度的空間時(shí)，弦理論才能起作用。我們都很熟悉左右、前后、上下這樣的維度，但是微觀世界中，維度更多。
比如，一個(gè)熟悉的物體，正常來說它的維度有上下、左右、前后，但如果把這個(gè)物體放入微觀世界中看，根據(jù)弦理論，它就會(huì)產(chǎn)生額外的卷曲尺寸，變成特定的幾何形狀。這就是卡拉比–丘流形。其中，“丘”是指丘成桐，一位著名的華裔數(shù)學(xué)家，幾十年前，我有幸成為他的學(xué)生。
根據(jù)數(shù)學(xué)原理，弦在微觀世界中的振動(dòng)方式，取決于這些額外維度的扭曲、轉(zhuǎn)折和幾何形式。所以這個(gè)理論的精妙之處在于，如果我們能確切知道微觀世界中額外維度的形狀，也許就能夠解開困擾了我們一百年的那個(gè)問題：為什么電子有特定質(zhì)量？夸克呢？根據(jù)這些數(shù)學(xué)理論，答案與那些額外維度的形狀有關(guān)。
在20世紀(jì)80年代我還是個(gè)學(xué)生的時(shí)候，我們只有五種已知的額外維度的候選形狀。到了20世紀(jì)90年代，經(jīng)過科學(xué)家們不斷研究，我們有了越來越多額外維度的可能形狀，從80年代的五種，增加到數(shù)以萬計(jì)。這挺好的，給研究生們找了點(diǎn)事兒做，對(duì)吧？但是隨著時(shí)間的推移，學(xué)界發(fā)現(xiàn)空間可能存在10到500個(gè)額外維度，因此這個(gè)數(shù)字飆升，不再只是數(shù)萬 也不止數(shù)百萬。
這意味著什么呢？
一些離開這個(gè)領(lǐng)域的人認(rèn)為，該理論永遠(yuǎn)無法做出任何預(yù)測(cè)。因?yàn)槟阈枰朗悄姆N形狀，才能知道弦的振動(dòng)模式，如果無法從眾多的可能中選出正確的形狀，就沒有人知道該怎么操作。不過還有一種不同的方法，與“多元宇宙”主題相關(guān)。也就是說，也許沒有一種特定的形狀是正確的，也許所有的形狀都是正確的，因?yàn)椴恢挥幸粋€(gè)宇宙，而是許許多多個(gè)宇宙。
現(xiàn)在我們可以把第一、二個(gè)故事聯(lián)系起來思考。在第一個(gè)小故事里，我們有了宇宙大爆炸，每個(gè)爆炸產(chǎn)生的特定宇宙在額外維度上都具有不同的形狀。讓我再來展示一次，這次我會(huì)通過展示每個(gè)宇宙相關(guān)的額外維度的形狀來作進(jìn)一步說明。我將重點(diǎn)介紹宇宙的集合，幫助你們了解與其相關(guān)的形狀。我們的宇宙可能是藍(lán)色的，這就是我們宇宙的形狀；但是其他宇宙的額外維度會(huì)具有不同的形狀，因此這些宇宙中物理特征的屬性也將有所不同，這就是第二個(gè)小故事。
接下來我要基于前兩個(gè)故事，向大家分享的第三個(gè)小故事。這是我本次討論的重點(diǎn)部分。
20世紀(jì)90年代末，有兩支天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)得出的結(jié)果震驚了物理學(xué)家們。早在20世紀(jì)20年代哈勃那個(gè)時(shí)代，就像我先前提到的那樣，我們已經(jīng)得知宇宙是向外膨脹的。但人們當(dāng)時(shí)都以為，宇宙膨脹的速度一定是逐漸減慢的，因?yàn)橐?huì)導(dǎo)致星系之間互相拉扯，減緩宇宙的逃逸速度。這就像你把蘋果往上扔，它的上升速度會(huì)越來越慢。但是，那兩個(gè)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，情況恰恰相反。宇宙膨脹速度并沒有隨著時(shí)間的推移而放緩，相反，它的速度越來越快。
那么現(xiàn)在我們又該如何解釋不斷加快的宇宙膨脹呢？顯然，它需要一種力將其向外推動(dòng)。在一個(gè)小故事里我曾提到，根據(jù)愛因斯坦的理論，引力也可以產(chǎn)生向外的推動(dòng)力，這也是我們最初認(rèn)為大爆炸產(chǎn)生的原因，所以即使到今天，人們依然認(rèn)為有一個(gè)叫做暗能量的能量場(chǎng)，它能滲透到太空中，提供向外的推力。這種推力，不僅在我們的宇宙內(nèi)部發(fā)揮作用，還在推動(dòng)遙遠(yuǎn)的星系以更快的速度逃逸。
不過，這種引入多元宇宙的概念，把三個(gè)小故事聯(lián)系在一起的解釋有一個(gè)問題。當(dāng)我們嘗試在任何指定大小的空間中解釋加速膨脹，去計(jì)算實(shí)際它需要多少暗能量時(shí)，得出的數(shù)字都會(huì)非常奇怪。請(qǐng)看這個(gè)數(shù)字，小數(shù)點(diǎn)后有120個(gè)0，最后以“138”結(jié)束?？吹竭@樣的數(shù)字，我們可能會(huì)倒吸一口冷氣。為什么要解釋我們測(cè)量到的數(shù)字，而不是公式、方程式中的數(shù)字呢？這些像兩個(gè)π e的平方根一樣的數(shù)字，真的很難想象。
如果從普通數(shù)字開始計(jì)算，最終得到這樣一個(gè)數(shù)字結(jié)果，換作是你，你會(huì)算下去嗎？你可以直接放棄，并說：這個(gè)數(shù)字并不現(xiàn)實(shí)，是偶然的，是無法解釋的。但當(dāng)然，科學(xué)家們并沒有滿足于此。
有一個(gè)方法是從最根本的層面出發(fā)，繼續(xù)利用多元宇宙的概念來思考。根據(jù)弦理論，對(duì)于這些不同的宇宙來說，如果他們的額外維度具有不同的形狀，那么該形狀就會(huì)產(chǎn)生不同的物理性質(zhì)，比如暗能量的不同值。所以，我們的特定數(shù)字范圍是固定的。既然具有10到500個(gè)不同的額外維度，這樣就很容易得到一個(gè)數(shù)字 比如10到負(fù)120，這就變得簡(jiǎn)單多了。
這再次印證了，我們的宇宙可能不是唯一的宇宙。
那么我們是否可以檢驗(yàn)這個(gè)想法呢？
答案是肯定的。
我們?cè)賮砜匆幌挛抑敖o你們展示的大爆炸留下來的熱量——微波背景輻射。事情是這樣的，如果確實(shí)存在很多個(gè)宇宙，那么它們有時(shí)會(huì)相互碰撞。如果發(fā)生這種碰撞，對(duì)我們的宇宙造成的影響，會(huì)伴隨著沙狀波紋穿過大爆炸留下來的熱量，產(chǎn)生夜空中溫度變化的某種規(guī)律。只要我們能找到那些溫度變化規(guī)律，就足以證明發(fā)生了這樣的碰撞，也足以證明外面還有其他的宇宙。盡管到目前為止，我們還沒有這樣的證據(jù)，但至少它向我們展示了一種瘋狂又奇怪的可能性，即理論上其它宇宙是可以被測(cè)得的。
如果上述想法是正確的，那么就會(huì)出現(xiàn)這種情況的：如果你離開地球，越過太陽系中的其他行星離開銀河系，繼續(xù)向前離開這個(gè)宇宙，最終會(huì)漂浮在這個(gè)多元宇宙的大集合里。感覺如何呢？
最后總結(jié)一下吧，就像我一開始所說的那樣，不管是我的三個(gè)小故事，還是宇宙學(xué)理論的多重大爆炸，或是弦理論的額外維度的眾多不同形狀，又或是對(duì)加速膨脹的觀察，都無法證明其他宇宙的存在。它只是不斷激勵(lì)著我們?nèi)フJ(rèn)真對(duì)待這個(gè)想法，而且這個(gè)想法完全符合我們?cè)谖鍌€(gè)世紀(jì)以來所經(jīng)歷的科學(xué)發(fā)展模式：500年前，人們認(rèn)為地球是宇宙的中心，但事實(shí)并非如此；后來，我們認(rèn)識(shí)到行星都是圍繞太陽公轉(zhuǎn)的，所以我們又自然地認(rèn)為太陽才是宇宙的中心，但是當(dāng)我們認(rèn)識(shí)到太陽只是千億個(gè)恒星當(dāng)中的一個(gè)時(shí)，宇宙在我們的觀念里又發(fā)生了降級(jí)；那時(shí)，我們覺得銀河系必定是所有恒星的中心，是宇宙的中心了，但隨后我們又認(rèn)識(shí)到，我們的銀河系只是能觀測(cè)到的宇宙中數(shù)千億個(gè)星系中的一個(gè)。也許這種模式還會(huì)繼續(xù)下去，指引我們發(fā)現(xiàn)我們的宇宙也不是中心，它只是漂浮在更大的宇宙現(xiàn)實(shí)中多元宇宙中的一個(gè)。對(duì)我來說，這是一個(gè)令人非常興奮的想法。如果幸運(yùn)的話，也許有生之年我們會(huì)找到一些證據(jù)。
非常感謝大家！
注：本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“騰訊科學(xué)WE大會(huì)”。
