宇宙新觀念-幸運的宇宙

幾個世紀來，天文學家一直凝視著夜空，追問宇宙為什麼是這樣？為什麼我們居住的空間是3維，而不是2維，10維或者25維？為什麼光速是如此之快而音 速是如此之慢？為什麼原子是如此得渺小，而恆星又是如此得碩大？為什麼宇宙是如此得年老？我們的宇宙必須是這樣嗎？或者在其他地方，其他的宇宙，事情會有 所不同嗎？

僅僅一個世紀前，人們還認為銀河系就是宇宙的全部。現在天文學家知道星系不過是散落在宇宙中的塵埃。而且真正要理解他們可能需要一個更廣闊的宇宙——多重宇宙。

一些宇宙學家認為宇宙可以從另一個宇宙中誕生，生長，無窮無盡，就像是蘑菇上的蘑菇，或者是孕育在黑洞中的嬰兒宇宙。其他想像中的宇宙可能就處於時空的第5維。

例如，賓西法尼亞大學的宇宙學家麥克斯·泰格馬克（Max Tegmark）認為至少存在4個不同的宇宙，從我們熟悉的（離我們無比的遙遠）到極為奇異的（時空的結構以及物理規律都有很大的差別）。

劍橋大學宇宙學家、皇家天文學家馬丁·瑞斯（Martin Rees）說，研究這些不同的宇宙有助於我們區分我們宇宙的哪些特徵是基本而必需的，而哪些僅僅是一種巧合。瑞斯說：「這是一門21世紀的科學，我們將致 力於尋找其中的答案。」因此他也經常被指責相信有其他宇宙的存在。「我並不相信存在其他的宇宙，」瑞斯說：「但是這需要科學地證明。」

一些宇宙學家認為我們現在所觀測到的140億光年的宇宙僅僅是無止境的大爆炸鏈上的一環。

由麻省理工學院的阿蘭·古斯（Alan Guth）博士提出的暴脹理論我們可以很自然的得出這個結果。暴脹理論認為，蘊藏在空間中的反引力（現代粒子物理學的一種假說），在宇宙年齡小於萬億萬億分之一秒時促使宇宙發生了極度的膨脹。

因為暴脹可以是一小團物質變成整個宇宙，所以古斯總喜歡把宇宙比喻成「超級免費午餐」。但是古斯和其他的學者，包括斯坦福大學的安德雷·林德（Andrei Linde）、特福茲大學的亞歷山大·維蘭金（Alexander Vilenkin）和普林斯頓大學的保爾·斯坦因哈特（Paul Steinhardt），認為暴脹也許是沒有止境的。一旦在某個地方發生了暴脹，它就會持續不斷地進行下去，產生一個宇宙鏈，林德稱之為「無窮暴脹」。

華盛頓大學的宇宙學家克雷格·霍根（Craig Hogan）說：「一旦你發現可以很簡單的從一小團物質製造出整個宇宙，為什麼不製造一連串的宇宙呢？」

事實上，古斯說：「暴脹給了多重宇宙理論強有力的支持。」

另外，沒有理由期望能夠觀測到這些宇宙。即使是在我們這個宇宙之內，原始物質極微小的不均勻性，就使得現今的宇宙表現得如此的紛繁複雜。泰格馬克和其 他學者認為，如果宇宙足夠大，任何可能發生的事情都可能發生。因此只要我們能看得足夠遠，我們最終將會發現一個與我們的宇宙完全一樣的宇宙。

而且，宇宙學家認為，不同宇宙的物理學規律也會千差萬別。

古斯注意到，雖然暴脹理論很奇特，但是它還是獲得了大多數宇宙學家的認可，因為依照這一理論計算出的結果得到了天文觀測的支持。他說，因此我們應該嚴肅地對待暴脹理論對於其他宇宙的預言。

幸運數字

探測其他的宇宙會使我們重新注意到一場徘徊於科學邊緣的哲學辯論，一場關於生命在宇宙中所起作用的辯論。有生命存在的宇宙的物理規律是與眾不同的嗎？或者用愛因斯坦的話來講，「宇宙是否還有其他的選擇呢？」

在描述所有自然現象的方程中都包含有各式各樣的物理常數，例如光速、電子質量，但是並沒有一個理論來指定它們確切的值。

也許這些常數是大自然與生俱來的。科學家可以設想人為的改變這些常數的大小，但是他們發現大自然是極為苛刻的。對於生命來說，這些常數僅僅只能在一個很小的範圍內變化。

例如，生命必需的碳和氮是紅巨星中的氦聚變而成的。

但是維也納理工大學的海因茲·奧勃海默（Heinz Oberhummer）計算表明，只要強力改變0.5%，就足以使這種反應停止，其結果就是缺少生命必需的原始物質。

因此，這是一個幸運的宇宙嗎？

1974年，當時劍橋大學的理論物理學家布拉登·卡特（Brandon Carter）指出，這不僅僅是幸運的巧合，而是我們能夠觀測這個宇宙的前提。

最終，我們也許不會發現任何有悖於生命存在的物理規律。

這一理論就被卡特稱為人擇原理。人擇原理對於科學家來說意味著很多東西，但是其中最重要的就是人擇原理認為宇宙是為生命設計的。或者用物理學家福里曼·戴森（Freeman Dyson）的話說，「宇宙知道我們的存在。」

這一理論使得那些以尋找對大自然的數學解釋為目的的科學家很不安。「人擇原理處於科學和哲學的邊緣，」加州理工學院的弦理論物理學家約翰·史瓦茲（John Schwarz）說：「我們應該通過數學的方法來理解大自然的運轉方式。」

諾貝爾獎得主、德克薩斯大學的物理學家史蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg）稱之為「強」版的人擇原理。

多重宇宙

「隨著理論物理的發展，多重宇宙也許就會展現在我們的面前，」溫伯格說。

如果其他宇宙的物理規律或者物理常數有所不同，那也許就不可能有智慧生命的存在，他解釋說。

那時人擇原理就會喪失它的神秘性，而僅僅成為一個宇宙能否承載生命的規定。

但是仍有不少弦理論學家抱怨人擇原理打擊他們的信心。其結果就是引發了一場有關「我們可以從弦理論中得到什麼」的激烈爭論。

「他們虔誠的希望弦理論可以確定宇宙的所有常數，」巴洛（Barrow）博士說，1984年巴洛和福蘭克·迪普勒（Frank Tipler）一起撰寫了《宇宙學的人擇原理》一書。書中認為一旦宇宙中出現了生命，生命就不會消亡。

最近由密歇根大學的物理學家戈登·凱恩（Gordon Kane）和劍橋大學的物理學家馬科姆·潘瑞（Malcolm Perry）、安娜·扎特科夫（Anna Zytkow）所寫的題為「人擇原理終結的開始」的一文中，他們指出，當物理學的統一理論（例如，很有希望的弦理論）建立起來之後，我們就能詳細了解物理常數之間的關係，而將人擇原理排除在外。

凱恩說：「人擇原理並不會向人們所想得那樣選擇人類。」

但作為回應，華盛頓大學的霍根在題為「宇宙為什麼這樣」的文章中指出，物理學中充滿了複雜的現象，例如量子效應，這就留下了修改物理理論的餘地。按照 弦理論，我們所知道的物理學規律僅僅是10維或者11維的宇宙在低能、4維情況下的表現。其結果就是，所謂的「物理學常數」在不同的宇宙中就會不同。

霍根承認這確實有悖於物理學的初衷，他寫道，「至少大自然有一些特性可能沒有優美的數學解釋，我們只能猜測它們是什麼樣的。」

甚至弦理論學家凱恩也承認，目前弦理論還沒有一個最終的形式，他們目前還不清楚「最終」的弦理論方程有多少個解，是一個，幾個還是無窮多個。其中每一個解都會對應一個時空、一系列不同的物理常數。

「其中可以承載生命的宇宙就會出現生命，」凱恩說。

暗能量

但是，甚至是一些最出色的物理學家，包括溫伯格也不得不依靠人擇原理來解釋那些最神秘的問題，其中之一就是宇宙在加速膨脹，就像是140億年前的大爆炸在現今低能情況下的再現。

宇宙學家懷疑宇宙空間本身包含的反引力推動了宇宙的膨脹。這個力以宇宙學常數的形式出現。1917年愛因斯坦首次提出這一概念，之後他稱之為「一生中最大的錯誤」。現在溫伯格稱之為「真實的危機」。

按照天文觀測，其他不可探測的「暗能量」佔了現今宇宙質能的2/3，超過現存物質的1-2倍。但是按照現代量子理論的計算，空間本身蘊涵的能量是宇宙職能的10^60倍。這是物理學世上最糟糕的一次理論與觀測的比較。

然而，正如1987年溫伯格第一次指出的，這個問題對於生命是至關重要的。那時，並沒有存在宇宙學常數的證據，物理學家也普遍認為宇宙學常數的值為零。

溫伯格在他的論文中使用了人擇來保證在宇宙物質密度變化幾倍的情況下宇宙常數不變。如果宇宙常數增大一點，宇宙就會高速膨脹，星系就不會形成，也就不會有複雜的生命形式。

現在物理常數的值就是人擇的反映，溫伯格補充說，現在沒有人可以斷定存在其他物理常數的宇宙。他把人擇原理稱為是對宇宙學常數問題的「聰明解釋」

「我們可以依靠人擇原理來揭示事物為什麼這樣，」溫伯格說。

超越黑暗

對於皇家天文學家瑞斯來說，他認為不需要觀測其他宇宙來獲得它們存在的證據。他認為更重要的是尋找一個更精確的理論描述宇宙學常數是如何變化的，以及 這些變化又是如何影響宇宙中的生命的。我們宇宙的宇宙學常數應該處於合適的範圍之內。對於生命來說，如果宇宙學常數是最大允許值的10%，那也許也是可以 被接受的。

另一個有力的支持就是暴脹理論，無論是在粒子物理理論還是在天文觀測方面都證實了它的正確性。

「如果我們有一個理論，它可以告訴我們有一次大爆炸還是很多次大爆炸，那麼我們就會知道哪些特徵是可以和理論相對應的，哪些是理論所無法解釋的，」瑞斯說。

在芝加哥舉行的宇宙學年會上，加州大學理論物理研究所的約瑟夫·珀爾金斯基（Joseph Polchinski）指出，目前基本的弦理論方程可能有1060個不同的解，因此其中很有可能存在一個可以承載生命的宇宙。

他開玩笑說，如果有一天宇宙常數只能用人擇原理來解釋，那麼那一天就是他退休的一天。

同時他希望通過天文觀測和新的理論來縮小弦理論解的個數，而且排除人擇原理作為一種解釋的存在。

霍根說，如果從方程可以推導出多重宇宙，我們就應該認真地對待它們。

瑞斯說：「你必須開闊思路，不能拘泥於現狀，這是一種科學態度。」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！