宇宙之外有什么还有多少未知世界？

伤我心太深 · 发表于 2016-12-12 22:09:36

　　作为一名宇宙学家，在举行完讲座之后，我最常听到的一些问题包括：在我们的宇宙之外有什么?我们的宇宙会膨胀成什么?我们的宇宙会永远膨胀下去吗?这是一些很自然的问题。但其中还有一个更加深刻的问题在起着作用。从根本上来说，我们真正想要知道的是：我们的认知有没有边界?对科学而言，有没有根本上的极限?

　　当然，我们不可能预知未来。除非真正遇到我们试图跨越的障碍，否则我们永远无法知道，人类的认知是否有极限。就目前而言，没有任何迹象表明，我们面临着这一认知极限。也许，我们正面临着某些障碍，但是，所有的迹象无不显示出这些障碍都只是暂时的。因为，就我从事的领域——宇宙学——而言，就算在50年前，也没有人能够预见我们对宇宙的认知会以这种方式增长。

　　即便在最晴朗的天气，我们也不可能看到无穷远：理论上，你最远只能看到453亿光年远的地方。虽然这表示我们的认知有一个直接的限制，但这无法阻挡我们掌握自然界的基本运行规律。

　　这并不是说大自然对我们所能观察的事物以及我们观察事物的方式没有任何限制，海森堡提出的不确定性原理就对我们观察一个粒子在任意时间的运动做出了限制，光速则限定了我们在一个给定的时间间隔内能看多远或者能走多远。但是这些限制只不过是告诉我们哪些是我们无法观测到的，并非说这些事物是我们最终无法知晓的。不确定性原理并没有妨碍我们获悉量子力学的规则，也没有妨碍我们了解原子的行为，更没有妨碍我们发现那些我们永远也无法直接看到，但确实存在的粒子。

　　人们观测到的宇宙正在膨胀，的确意味着一个开端。这是因为，如果我们反推过去，那么在遥远的过去的某一个时间点，我们可观测宇宙中的任何事物都将回到一个点——奇点。在那一瞬间，也就是现在被称为大爆炸的时间点上，我们目前所知的所有物理学定律都土崩瓦解了，因为描述万有引力的广义相对论，无法与描述微观尺度物理学的量子力学成功地整合在一起。但是大多数科学家并不认为这就是认知的根本边界，因为他们正试图通过对广义相对论进行必要的修正，使其成为相容量子理论的一部分。而弦理论，正是人们取得的主要成果之一。
　　如果我们在一个方向上看得足够远，就能看见自己的后脑勺。

　　鉴于这样一个理论，我们也许能够回答大爆炸之前都发生了些什么——如果有的话。这种最简单的、可能的回答，或许也是最不令人满意的回答。无论是狭义相对论还是广义相对论，都将时间与空间捆绑在一起，成为一个单一的实体——时空。如果空间是在大爆炸中产生的，那么时间可能也是。如果是这样的话，那就没有“之前”了，“大爆炸之前有什么”这个问题也就不是一个问题了。不过，这并不是唯一可能的解答。我们需要等到一个能够解释万有引力的量子理论的出现，并且在它被实验证实之后，才能对我们的回答有一定的信心。

　　接下来的问题是：从空间的角度来说，我们是否能够知道在我们的宇宙之外都有些什么?我们宇宙的边界在哪里?让我们再一次大胆假设。如果我们的时空是自然而然地产生的，那么，正如我在我的新书《从虚无中诞生的宇宙》中长篇大论地讨论过的那样，看似最有可能的场景是宇宙的总能量为零——物质表现出的能量正好与引力场表现的能量相互抵消。简言之，如果某些事物总计为零，那么这些事物就能够从虚无中诞生。现在，我们能够查证的唯一的宇宙，其总能量为零，这是一个闭宇宙。这样的一个宇宙是有限而无边际的。正如你可以沿着一个球体的表面一直走下去而不会遇到任何边界一样，对我们的宇宙来说，如果我们在一个方向上看得足够远，就能看见自己的后脑勺。

　　而在实践中，我们是做不到这一点的，这也许是因为对我们来说可见的宇宙，仅仅是更大尺度宇宙的一部分而已。其原因与被人们称为暴胀的现象有关。微观尺度上自发出现的大多数宇宙会在瞬间塌陷，而不会持续存在数十亿年。但是，在其中的某些宇宙中，空白空间会被赋予能量，而在这种情况下，该宇宙将呈指数级快速膨胀。这一现象至少会维持一个较短的时间。我们认为，在我们的宇宙大爆炸扩张的最初瞬间，出现过这样一个暴胀期，从而使我们的宇宙免于立刻塌陷。在这一过程中，宇宙的尺度极度膨胀，以至于无论从哪一点来看，它似乎都是平坦且无限的。这就是即使我们的宇宙在其最大尺度上可能是封闭的，但当我们极目太空时仍无法看到自己后脑勺的原因。虽然从理论上来讲，如果我们等的时间足够长就能看见全部的事物，但这里有个前提，即暴胀没有在我们的宇宙中发生。

宇宙

　　正在发生碰撞的星系，这种宇宙暴乱终有一天会偃旗息鼓，而在遥远的未来，观测者可能永远也不会意识到，我们的宇宙曾经是多么轰轰烈烈。

　　宇宙中我们至今仍无法观测的区域或许是我们永远也无法观测到的区域，那里可能正在暴胀。事实上，就我们目前的理论来看，这一情况是极有可能的。如果我们认为“我们的宇宙”这个词指的是我们已经能够或者是终有一天能够与之沟通的区域，那么，一般来说，暴胀还会在我们的宇宙之外创造出别的宇宙。在我们身边的空间体量内，暴胀可能不那么明显，但是在此之外的空间，则在永不止息地以指数级膨胀，偶尔会有像我们的宇宙一样的孤立区域与膨胀脱钩。正如当温度低于冰点时，冰块能够在快速流动的水面上形成一样。每一个这样的宇宙都有一个起点，这个起点是与暴胀在其空间中结束的时间挂钩的。在这种情况下，我们宇宙的起点就不一定是时间的起点了。这让我们更有理由怀疑大爆炸是否真的代表着我们认知的终极限制了。

　　我们已经发现，将推理与实验观测相结合，我们的认知就不会有任何局限。

　　每个宇宙从背景空间中脱离而出的过程不同，它们的物理学定律可能也不相同。我们把可能存在的宇宙形成的这一集合称为“多元宇宙”。“多元宇宙”的概念在科学界广受关注，不仅仅是因为该概念是在宇宙暴胀之类现象的推动下产生的，还因为该概念提出的拥有其自身独特物理定律的多个不同宇宙存在的可能性，可以解释我们的宇宙中存在的各种看似莫名其妙的基本参数。这些参数只不过是在我们的宇宙诞生时随机产生的。

　　如果除了我们的宇宙之外还有其他宇宙存在，那么它们与我们之间的距离将是非常遥远的，而且它们还会以超越光速的相对速度远离我们而去，因此，我们也许永远也无法直接探测到它们。那么，“多元宇宙”理论仅仅是一种空头理论吗?对“多元宇宙”存在可能性的验证代表着我们认知上的一个根本极限吗?答案是：这可不一定。虽然我们可能永远也无法直接看到另一个宇宙，但是我们依然能够以经验主义的方式来检验该理论，比如说，观测暴胀产生的引力波。

理论上，这一举措可使我们检测出导致我们宇宙产生的暴胀过程的详尽细节。这些引力波与被激光干涉引力波天文台发现的引力波相似，但是它们的起源不同。后者产生于诸如遥远星系中巨型黑洞之间发生碰撞一类的大事件，而前者产生于宇宙大爆炸的早期，也就是人们认定的暴胀时期。如果我们能够直接探测到这些引力波(就像现在我们可以通过不同的实验，来寻找宇宙大爆炸遗留下的宇宙微波背景辐射中的蛛丝马迹一样)，我们就可以探究暴胀过程中都发生了哪些物理变化，从而断定这永不止息的暴胀是否正是这一物理变化的结果。因此，即便我们不能直接探测到其他宇宙，但是我们仍可以间接检验其他宇宙是否必然存在。

　　简言之，我们已经发现，将推理与实验观测相结合，我们的认知就不会有任何局限。无限的宇宙引人入胜，并且激励着我们不断进行探索。但是，我们可以自信地说，我们的认知永远也没有局限吗?这可就不一定啦。

　　暴胀确实给我们的认知设置了一个根本性的限制，特别是对过去的认知。暴胀在本质上重置了宇宙，在这一过程中，就很可能摧毁了暴胀之前所有有关动态过程的信息。在暴胀期间，由于空间的快速膨胀大大降低了所有区域的物质密度，因此，可能抹去了诸如磁单极子等的踪迹。理论表明，磁单极子应该是一种在宇宙很早时期大量产生过的粒子。这是暴胀独有的特点之一，它很好地解释了这样一个矛盾：为什么诸如磁单极子一类的粒子理论上会产生，而在现实中我们至今也未观测到过。

　　但在化解矛盾时，暴胀抹去了我们的过去。更糟糕的是，暴胀抹去信息的行为也许仍未停止。很显然，现在的我们仍处在这一暴胀过程的另一个阶段。通过对那些正在离我们远去的遥远星系与我们之间距离的测量，表明我们的宇宙正在加速膨胀，丝毫没有慢下来。这是否说明占主导地位的引力仅仅存在于物质或辐射内，在虚空中不存在呢?(译者注：在这里，笔者的意思是，如果宇宙是由引力主导的，那么宇宙应该是塌缩的。而现实并非如此，好像引力被限制在了物质和辐射内。而在宇宙的虚空中，应该存在另外一种能量，它抵消了引力的作用，使得宇宙加速膨胀。)我们现在对这一能量的起源一无所知，每种潜在的解释都是对认知发展，甚至是对我们自身存在的根本限制。

　　如果宇宙正在经历某种相变，那么这种虚空中的能量可能会突然消失。如果这种情况真的将要发生，那么宇宙中基本力的性质可能会发生改变，而我们看到的宇宙中的所有结构都可能变得不稳定，甚至消失。我们将和其他所有的一切一起消失。

　　但是，即使是继续膨胀，未来的景象仍将是一片凄凉。在大约2万亿年内(从人类的角度来看，2万亿年似乎是一个很长的时间，但是从宇宙的角度来看，就不是那么长了)，宇宙的其他部分将会从我们的视野中消失。在那个遥远的未来，在那些围绕恒星运转的行星上进化出的所有观察者，都会认为他们生活在宇宙中唯一的星系中，这个星系被无尽的虚空包围，不再有宇宙加速膨胀的蛛丝马迹，更别提比这更早的宇宙大爆炸的迹象了。正如我们失去了磁单极子的踪迹，他们对我们目睹的一切也将一无所知。最后，不管怎样，我们都应该享受我们沐浴在阳光下的这短暂的片刻，在我们还能够学习的时候，学习我们能够学习的一切。