宇宙之书

宇宙之书：从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙 【英】约翰·D.巴罗 前言 物理定律可以随时间和地点不同而发生变化的宇宙、拥有额外隐藏的时空维度的宇宙、永恒的宇宙、位于黑洞之中的宇宙、毫无预兆就突然终结的宇宙、碰撞的宇宙、暴胀的宇宙，以及由其他东西变来的宇宙——甚至从虚无之中冒出来的宇宙。 有些我们不知道的东西在做着我们不知道的事情。 ——阿瑟·爱丁顿 （1882~1944，英国天文学家） 如果一个年轻人说他想研究宇宙学，我总是会觉得吃惊；我认为宇宙学是一种可遇而不可求的东西。 物理规律能够描述某些东西从虚无中创造出来。这可以是一颗恒星，但也可以是一个宇宙。 历史就是那些本可避免的事情的总和。 宇宙就是曾经存在、现在存在以及将要存在的一切。 大多数古代文化都试着为他们看到的世间万物找一个说法或编一个故事，无论是在天上、地下还是海里。他们之所以描绘这种宏大图景，并不是因为对宇宙学有兴趣，而是为了说服自己或是他人相信事物都有其存在的意义，同时他们本身也是意义的一部分。如果承认真实世界的一部分是人类无法定义、无法掌控的，那么就会带来一种危险的不确定性。 人们受到地域局限的时候，想要提出一种解释宇宙的图景是多么艰难。如果不了解星空，不清楚地球的转动和方向时，你会不知不觉地蒙上强烈的偏见。 如果没有大局观，没有一个运动学理论，就很难解释那些天上的运动。 所谓专家，就是那种小心避免了小错却大步迈向大错的人。 亚里士多德猜想，世界并不是从过去的某个时刻突然开始的，而是在过去和未来都一直存在，本质永远保持不变。他把对称性看得非常重要，并相信球体是世间最完美的形状。因此，宇宙必然是球对称的。为了描述天空中看得见的天体和它们的运动，亚里士多德提出一种复杂的洋葱皮结构，包含不下55层透明水晶嵌套的球面，这些球面都以地球为中心。 中世纪的基督教学者吸收和改造了亚里士多德的观念。他们认为，第一推动者就是《圣经·旧约》中的上帝，而最外层的球面就是基督的天堂。地球中心说与中世纪时以人类为中心的世界观正好相呼应。 亚里士多德并不像我们（遵循牛顿的观点）理解引力时那样，把运动看成是不同天体之间作用力的结果，而是把力看成物体的固有属性。它们以一种“自然的”方式运动。圆周运动是最完美最自然的一种运动。 太阳是太阳系的中心，不同的行星以不同的速率围绕太阳转动。在这种情况下，你就会观察到天空中存在一种奇怪的运动，会看到别的行星在一段时间逆着平时的方向运动。这其实是一种幻觉，是因为我们同其他行星之间存在相对运动。不同的行星都在以不同的角速度转动，所以有时我们会看到其他行星表现出反常的逆向运动。 仅从观测入手，或从一般的哲学原理出发，要想正确地描述宇宙是多么艰难。 每一个新现象都能被微小的修正所解释，这样就可以保住你最开始提出的大前提。但到了一定时候，你就该意识到必须要推倒重来了。 我们的宇宙观预先确定了我们的宇宙模型。 恒星的这个炼金过程花了数十亿年，所以宇宙才这么老，我们不应感到意外。我们不可能活在一个非常年轻的宇宙里，因为这样的宇宙来不及制造生命复杂性所需的砖块 牛顿定律规定了事物如何在这个舞台里到处活动和表演。人们无论做什么都不能改变这个架构。 康德图景最突出的特点就是宇宙在演化，它就像生生死死的恒星一样会随时间变化。康德的宇宙无边无际，所以并没有真正意义上的中心。 康德认为，上帝在不断地创造新的更大的世界，演化的宇宙应该被看作这个神圣伟大计划的一部分。所有已知生命的寿命都是有限的，我们不可能奢望违背这个法则。但大自然是无与伦比地丰富，允许“各个世界和世界体系在扮演过各自的角色之后，退出宇宙的舞台”，同时逐渐探索物质的所有可能组合。 康德把最古老的结构率先腐烂，同时新的结构不断形成的循环叫做“一定的规律”(a certain law)。因此，“已形成的世界被局限在已被消灭的自然之废墟和还未成形的自然之混沌中间”。 对康德来说，事物的绝对真理是不可知的。只有部分，当它符合我们头脑中的范畴时，才可以被我们理解。 一团球状物质最终会由于自身引力而向中心塌缩，唯一能避免落入中心的方法就是绕着它旋转，而这正是康德提出的设想。 衰败的宇宙 在一个任何东西都逃不出去的有限闭合系统中，这种能量的转化是单向进行的。 热力学第二定律是个统计性定律，它能决定整个系统中所有分子的集体行为。 就是这个问题引发了“宇宙热寂说”。从有序向无序的过程是不可逆的，这就意味着，显然宇宙注定会江河日下，持续不断地从有序状态向在遥远未来的无序状态衰败。 自然界的熵永远在增加，并不意味着在过去某个有限的时刻它一定是零。 宇宙是无限的，而且已经处于整体上的热平衡态，但虽然如此，系统各处都可能存在围绕这个平衡的临时性随机涨落。 “物质告诉空间如何弯曲。空间告诉物质如何运动。” 如果考虑质量很小、运动速度又远小于光速的情况，空间的几何形变也会非常微弱——这时爱因斯坦方程组就转化成了从前的牛顿引力定律。 如今，一个新理论必须能解释所有已被解释的现象和一些还未被解释的现象，而且还要做出一些从没有人想到过的预言。 世界的演化可以比作一场刚刚结束的烟花表演：几缕幽幽的红光、余迹和烟雾。站在一堆早已冷却的灰烬上，我们看到众多恒星逐渐黯淡，而我们正试图追忆那些逝去的辉煌。 如果曲率不是绝对为零，宇宙的膨胀就会逐渐脱离爱因斯坦-德希特的轨迹，越来越快，或越来越慢，直至开始收缩， 宇宙存在的目的就是让生物去探索和感悟，而无限的宇宙不允许那样：它超越了人类的理解范围，任何事都有可能在某处发生；对其中的居民来说，它是个过于广阔的家园。 在任何情况下，自然选择都偏好聚集成分形的样式，因为其优点是能以最小的体积和重量来形成巨大的表面积（例如，用来吸收营养物质）。 图4.3 人体肺部支气管系统的分形分布。气管不断地细分成更小的分支，或者叫支气管，这样就能在有限的空间中使得与空气的接触面积最大化 恒星聚在一起总质量无穷大，填满了整个空间，平均密度却是零，也没有特殊的中心。 卡斯纳的宇宙每一个方向都以不同的速率膨胀，像一个椭球面。 它不包含物质，空间并没有弯曲，但又在膨胀。这是一个由不同方向之间的膨胀速度差异所驱动的世界。我们很熟悉引力差异导致的效应，因为从潮汐中我们就能体会到这一 狄拉克的宇宙——引力在其中持续衰败 我觉得你不可能在研究物理学的同时又写诗。做科研时，你想要说一些别人都不知道的东西，又要让所有人都能理解。而创作诗歌时，你必须说一些别人都已经知道的事，又要说得大家都看不懂才行。 对于一个膨胀的宇宙来说，只有在一些特定的阶段中，生命才有可能存在，而我们也只有在宇宙历史的那个宜居时期才能进行天文学研究。 尚未观察到的任何东西都是波，已经观察到的任何东西都是粒子。 如果说薛定谔30年代在牛津的生活过于放荡，那么50年代在都柏林的生活简直是无比放荡。 神学世界观认为，世界和万物都有一个积极明确的意义。既然我们的世俗存在从本质上讲意义就不确定，由此可以直接得出，这只不过是走向另一种存在的手段。世界万物都有一个意义的想法类似于世界万物都有一个原因的理念，后者是所有科学理论的根基。 他是唯一不相信经验是知识的唯一来源的人，也不相信数理逻辑是解决哲学问题的唯一工具。 哥德尔最出名的成就是证明算术的不完备定理。这个定理是说，任何一个允许定义自然数的逻辑体系，总是包含这样一些命题，既不能用系统内部的公理证明为真，也不能证明为假。 但哥德尔的宇宙还有一个完全令人无法想象的性质：它允许时间旅行。哥德尔证明，时空中的一些路径形成了闭合的回路。大多数人，包括爱因斯坦，都相信这种事情应该违背了其他的物理定律，并且会导致科幻电影里经常演到的逻辑悖论（ 巴特勒(Samuel Butler, 1613~1680)所说的，即使是上帝也无法改变历史——只有历史学家 并且时间旅行也是这种情况。其中并没有绝对的过去与未来。循环的时间里分布着一系列逻辑自洽的事件。当下的就是当下，曾经的就是曾经。你可以成为过去的一部分，但你无法改变过去。如果你活得足够长，你会一遍又一遍地经历相同的事情，循环往复。 英国的宇宙学家看重科学方法论以及其中蕴涵的科学哲学原理，把它们用来估量一些概念的地位和隐含意义， 奉行实用主义的美国式研究则避开了这些争论。 那就是许多自然的基本作用力和效应，会随着彼此距离的增大而以平方反比的规律迅速衰减。 代码，生成精彩绝伦的图片或视频，从而展现不同的宇宙模型的不同特点。理论天文家作出预言，计算天文学家检验预言，观测天文学家则负责用望远镜来寻找检验的结果。 集中在平滑、均匀、膨胀速率保持各向同性的模型上 任何宇宙演化理论的目的，都是试图寻找尽可能简洁的宇宙诞生时的初始条件。当我们将已知的相互作用力置于这些初始条件之上时，世界上一切复杂现象就可以统统冒出来。 物质和能量的运动会改变空间的几何性质，其中包括曲率的大小。 这个密度无穷大的状态，后来人们称之为原初“奇点” 一个真正的物理奇点，就像地球表面上一个真正的洞一样，是不会通过坐标系的连续变换被移除的。 我们说的奇点，应该是时空中任何物质的粒子或者光线的运动路径（包括它的一切“历史”路径）的终点，无论如何，路径也不会再延伸下去。 如果一个宇宙是非奇异的，那么其中任何粒子、任何光线的任何可能的历史都必须能够被无限地追溯：任何历史都不能有起点。一个非奇异的宇宙没有孔洞，没有边缘，也没有丢失的点。 如果一颗垂死的大质量恒星在自身引力的作用下继续塌缩形成黑洞，黑洞的中心就会产生一个奇点。在随后的1965年和1966年，史蒂芬·霍金、乔治·埃利斯和罗伯特·格罗赫仿照彭罗斯的方法，将奇点定理推广到了整个宇宙。 过去奇点的存在引发了一系列元科学(meta-scientific)问题：在此“之前”发生了什么？宇宙从奇点诞生时，什么东西决定宇宙未来的演化？如果在奇点之前，空间和时间都不存在，那我们又如何证明物理学定律在奇点之前也存在吗？你怎么能将通常的科学方法应用在像奇点这样独一无二的事物上呢？ 宇宙学研究的是大尺寸上的物理机制，基本粒子物理学研究的是微小尺寸上的物理机制，这两种物理学成功地融合到了一起。 宇宙就像一个精致的被子，而我们只是生活在其中一块简单而独特的时空补丁上。 从前人们认为宇宙固定不变的性质，现在看来却是随机产生的结果。我们 自然界中看到的相互作用力，总结出的定律法则，只不过是其中一套可能的地方性法规罢了。除此之外，其他地方的定律法则也都很完备，从各自的角度看都是自洽的。 这类所谓的“难题”，就是说随着信息输入量的增加，所需要的运算量就会呈指数增长。我们习惯于解决“简单”问题，其运算量与信息的输入量呈正比（或者是后者的某种幂函数）。 可能的宇宙和真实的宇宙都多得难以置信，就像所谓的“可见宇宙”一样无边无际。 宇宙是人逃避现实、把埋头进去的最小的洞。 早期宇宙中，所有随机事件都源自于量子的不确定性，我们只能预测这种事件发生的概率。物质和能量的本质是量子的，有一种与生俱来的不确定性，这就是随机性的根源。收集的信息再多再详细也不能消除这种随机性。这种随机性就像我们描述世界时说的空间、时间和运动一样，是一种内在属性。两个完全相同的起因并不能得出一样的量子结果。 密度的微小涨落最终形成了巨大的星系团，而它们都起源于宇宙暴胀时产生的量子不确定性和量子随机性。 这种量子的粗粒性意味着，如果我们想预测永恒暴胀宇宙中的事件进程，就必须学会概率论的语言。理想 想要产生碳元素以及像太阳这样以氢为燃料的稳定恒星，维持生命所必需的环境，就需要让恒星花费数十亿年来完成炼金术的过程。这就是为什么我们不应为宇宙如此古老而感到惊讶。任何化学复杂性所需的砖块都需要经过长时间的烧制才能产生。又因为宇宙在膨胀，如果宇宙已经很老了，那么宇宙的体积必然会很大——百亿光年之广。假如宇宙跟银河系一样大，让其一千亿颗恒星孕育行星系统的话，看起来有足够大的空间滋养大量的生命。但这样一款经济型宇宙的年龄也就一个月左右。这点时间根本不足以让恒星演化，烧制出生命复杂性所需的砖块。 ，宇宙拥有生命的存在和演化所必需的属性，所以我们不可能发现自己生活在一个没有这样属性的宇宙中。许多 如果引入对称性破缺所导致的复杂性，我们就会发现，永恒暴胀所孕育的众多“宇宙”也可以表现出截然不同的物理性质。不同角落的自然常数可以有不同的取值；弦理论预言，多重宇宙不同角落的巨大空间维度（甚至时间维度）也会各不相同；基本的相互作用数目和种类也可能各不相同，其中每一种组合都体现了弦景观 2014-05-03 15:34:50 人择原理教育我们，研究不同宇宙从多重宇宙中产生的概率时，我们应该集中精力研究一些特殊的宇宙，在这些宇宙的某个演化时期，能够产生复杂性、生命以及存在意识的观测者。 目前，想要确定宇宙中能产生观测者的条件实在太难了。我们甚至连定义“生命”所需的必要条件都不清楚。我们所了解的只不过是一些弱的充分条件，这些条件差不多都来自于我们对自身的认识。 无论多重宇宙中各种宇宙出现的概率有多大，最后都必然要考虑到观测者的存在。我们不得不承认，在上述讨论中，我们自己（以及其他能收集和处理信息的实体）也是我们想要解决的问题的一部分。 无论生命所需的条件多么苛刻，如果在无限的空间中存在一切可能性，多重宇宙中就必然会存在一个宜居的宇宙。 如果存在虚拟现实，那它就会以一种独特的方式影响你的行为。虚拟的经历，无论看起来多么真实，都比真实的经历更可能遭遇无法预料的戛然而止。这让汉森推断出，“在其他条件相同的情况下，你会更不在意别人，更愿意活在当下” 在虚拟现实之中，离你很远的人物可能不过是一些虚假角色，你不必太在意他们。汉森指出，如果你处于他人的模拟之中，那么最重要的是，你要让自己更富有娱乐精神！要出名！要变成重要角色！这会增加你在虚拟现实中的存活几率以及将来别人再次把你模拟出来的机会。而如果你没能拥有这些特质，就会像肥皂剧中的角色一样，被编剧发送到符拉迪沃斯托克度长假，然后再也不会回来了。 如果可能性有无限多种且都是存在的，那么现实无疑远远超出了我们的承受能力。 没有新鲜事的宇宙 在一个体积无穷大、物质无穷多的宇宙中，任何发生概率不为零的事情一定会发生无穷多次。这样此时此刻，我们每个人都会有无数个一模一样的副本，他们完全模仿着我们的一举一动。每个人也有另外一些一模一样的副本，他们在忙一些别的事情。事实上，每个人都有无数个副本在忙活任何我们此时可能忙活的事情，只要其概率不为零。这种惊人的事态被称为“副本悖论”（replication paradox），德国哲学家弗里德里希·尼采(1844~1900)在《快乐的知识》一书中讨论了这个问题，当时人们发现了无限大的宇宙会导致这样的后果。