修仙界域之巅 - 第33章 平行宇宙3

    第33章 平行宇宙3
    第二层：后暴胀泡沫
    即其他后暴胀泡沫，具有不同的有效物理定律、物理常数、时空维度、粒子种类。
    若觉得第一层平行宇宙太大，简直无法容忍。那么试着想象一下无穷多个完全不同的宇宙（每个在图1.1用一个泡沫表示），这些宇宙甚至有不同的维度和物理常数。这就是现在流行的混沌暴胀理论所预言的，我们称之为第二层平行宇宙。这些宇宙属于不同的范畴，离开得比无限远还要遥远，也就是说即使你以光速前进无穷长的时间也到不了那里。原因是，我们的第一层平行宇宙团和邻近的第一层平行宇宙团之间的空间仍在暴胀，空间延展和创造新体积的速度远大于你能穿过它的速度。不过，你可以到达任意远的第一层平行宇宙，只要你足够耐心，而且宇宙膨胀减速的话。
    第二层平行宇宙的存在的证据
    到20世纪70年代，大爆炸模型，已经被证明是一个成功解释了我们宇宙的大部分历史的理论。它揭示了原始火球怎样膨胀并冷却，在40万年后怎样变得透明，怎样发出宇宙微波背景辐射，并通过引力聚集过程形成密度起伏，产生了星系、恒星和行星。但仍然存在恼人的问题，最初到底发生了什么。是无中生有吗。所有那些超重粒子，例如粒子物理预言的磁单极子，早期时应该在哪里被创造（“磁单极子疑难”）。为什么空间是现在这么大，这么老，这么平坦，而一般的初始条件都预言在10-42秒量级之后，弯曲度会随时间增长，密度要么趋于0要么趋于无穷大（“平坦性疑难”）。是什么机制导致了没有因果联系的空间区域上cmb温度都是基本一致的（“视界疑难”）。又是什么机制产生了在10-5水平上的原始密度起伏，从而长出所有宇宙结构。
    暴胀过程一举解决了所有这些疑难，成为关于宇宙极早期的最流行理论。暴胀是空间的快速拉伸，它稀释了磁单极子和其他残余物，使空间就像一个膨胀气球的表面一样平坦均匀，并使量子真空波动演变成宏观大的密度波动从而形成星系。从一开始，暴胀就通过了附加的检验：cmb观测显示，空间是极端平坦的，并测出初始波动具有近乎随尺度不变的波谱，没有物质的引力波成分，所有这些都和暴胀所预言的完全一致。
    暴胀是很多基本粒子理论中的普遍现象。在流行的混沌暴胀模型中，暴胀在空间的某些区域停下来，使得我们所知的生命能够出现，同时量子波动导致其他区域暴胀得更快。本质上，一个暴胀中的泡沫产生出其他暴胀泡沫，这些暴胀泡沫再产生更多的泡沫，从而形成无限的连锁反应。暴胀停止的泡沫就是第二层平行宇宙的构成元素。每个泡沫在尺度上都是无限的，而因为永不停止的连锁反应，泡沫数量也是无限的。（虽然泡泡宇宙的产生能以 2^n 的形式增长，而n 趋势于无穷，这或许与整数集的取幂很像，但这依旧是可数无穷的。）在这种情况下，同样不存在时间的开端和绝对的大爆炸：过去、现在和将来都永远只是存在无数的暴胀泡沫和后暴胀区域，就像我们居住的地方一样，形成一个分形图样。
    第二层平行宇宙是什么样的
    大家普遍认为，人们观察到的物理，只是一个更加对称的理论的低能极限，这个理论只在极端高温下才起作用。基础理论也许是二维的，超对称的，包含自然界四种基本作用力的大统一。这种理论的一个共性是，驱动暴胀的场的势能有着几个不同的最小值（被称为“真空态”），相应于破缺对称的不同途径，也相应于得到的不同的低能物理。例如：可以把除三个空间维度之外的所有维度都卷起来（“压缩”），形成有效的三维空间，就像我们所处的空间一样。或者也可以把更少的维度卷起来，留下一个七维空间。驱动混沌暴胀的量子波动可以造成各个泡沫中不同的对称性破缺，导致第二层平行宇宙中不同的成员具有不同的维度。在粒子物理中观测到的很多对称性，也来自于对称性破缺的具体途径，所以，也许存在只含有两代而非三代夸克的第二层平行宇宙。
    除了维度和基本粒子这些离散的特性之外，我们的宇宙还被一组无维度的数——物理常量所刻画。其中包括电子/质子质量比
    1836，即宇宙学常数，它在普朗克单位中约是10-123。有模型显示，这样的连续参量在各个后暴胀泡沫中互不相同【注】。
    注：虽然物理基本方程在所有第二层平行宇宙中都是一样的，但支配我们观察到的低能世界的近似有效方程却是不同的。例如，从一个三维空间移到（非压缩的）四维空间，会改变观察到的引力方程，从一个反平方定律变成一个反立方定律。同样，用不同方式破缺粒子物理中的基本对称性，会改变基本例子的排列以及描述它们的有效方程。但是，我们会等到第四层平行宇宙中再使用“不同的方程”和“不同的物理定律”，在那里不只是近似方程改变，基本方程也发生了改变。
    这样，第二层平行宇宙就可能比第一层平行宇宙更为多样化，不仅初始条件不同，而且维度、基本粒子和物理常数都不相同。
    在继续之前，先来评论一下几个密切相关的平行宇宙概念。首先，如果能存在一个第二层平行宇宙，并不断以分形的形式自我复制，那么将会出现无限多个完全分离的其他第二层平行宇宙。但是，这些宇宙变体是不可检验的，因为它既没有增加任何实质上不同的世界，也没有改变它们所含物质的概率分布。在每个第二层平行宇宙中，所有可能的初始条件和对称性破缺都已经实现了。
    托尔曼和惠勒教授层提出一个想法，（第一层）平行宇宙是周期性的，要经历一系列无限的大爆炸。这个想法已经被斯坦哈特和图尔克阐明了。如果确实存在，那么这些不同时期的集合也形成了一个多元宇宙，可以证明，它和第二层多元宇宙有着相似的多样性。
    斯莫林（smolin）也提出过一个想法，一个和第二层多元宇宙的多样性相似的集合，但不是在暴胀中，而是通过黑洞、变异和产生的新的宇宙。这就预言了一个自然选择的形式，倾向于产生最多黑洞的宇宙。
    在膜世界的设定中，存在另一个和我们的世界非常类似的三维世界，只是在高纬上有一定差别。但是这样一个世界（“膜”），是否可以被称为和我们的世界不同的平行世界还不一定，因为我们也许能够用引力和它相互作用，就像我们跟暗物质那样。
    微调和选择效应
    物理学家不喜欢没有解释的巧合。确实，他们把这一点作为排除各种模型的证据（图1.3）。先前可以看到，开放宇宙模型如何以99.9%的置信率被排除，因为它暗示了观察到的cmb波动图样是极端罕见的，是千分之一的巧合，在所有哈勃体积中只有0.1%的可能发生。
    图1.3
    假想你住进一座旅馆，被分到一个房间，门牌号码是1967。你惊奇地发现，这数字正是你出生的年份。不过你随即反应过来，这完全不算什么巧合。整个旅馆有成百上千的房间，其中有一间门牌数和你生日相同很正常。然而你若看见的是另一个数字，便不会引发上面的思考。于是你认识到，即便对旅馆一无所知，也可以推断出还有很多房间，因为如果只有一个房间，那么你就遇到了一个没有解释的巧合。
    再举一个更贴切的例子，考虑太阳质量m。m影响太阳的发光度，通过基本的物理计算就可以得出，只有在m处于1.6x10^30～2.4x10^30千克这样一个狭窄范围内时，地球上我们所知的生命才可能存在——否则地球上的气温将比火星更冷，或者比金星更热。测量值正好是2.0x10^30千克。乍看之下，可居住的m值无疑是种令人困惑的巧合，由计算可知绝大多数恒星的质量分布于10^29～10^32千克的巨大范围内。然而有了旅馆的经验，我们便明白这种表面的巧合实为一个集合中的选择效应：如果存在许多太阳系，其中心恒星和行星轨道有一定分布，我们显然应该生活在适于居住的太阳系里。
    图1.4
    更普遍地来说，某些物理参量正好是可居住的观测值，这样的巧合可以被看作一个更大的集合的存在证据，而我们观察到的只是其中一个元素。虽然其他的旅馆房间和其他太阳系的存在，是毋庸置疑并被观测证实了的，但平行宇宙的存在还没有，因为它们不能被观测到。但是如果观察到物理常数的微调，那就可以通过和上面同样的逻辑来论证它们的存在（图1.4）。实际上，存在很多微调的例子，显示具有不同物理常数的平行宇宙确实存在，尽管微调的程度仍然在大家仍在激烈争论，并需要由进一步计算所澄清。
    例如，如果电磁力减弱4%，太阳就会瞬间爆炸（双质子能形成束缚态，使太阳的发光度增大1018倍）。如果电磁力再强一点，那么稳定原子会少很多。实际上，大部分（如果不是全部）影响低能物理的参量都在某个水平上被微调过，也就是说即使只改变少许，我们的宇宙也会变得太不相同。
    如果弱相互作用再弱一些，宇宙中就不会有氢，因为它会在大爆炸后迅速变成氦。无论它是变得更强还是更弱，超新星爆炸形成的中微子都不能喷出超新星，而且生命形成所需要的重元素，能否离开产生它们的恒星也值得怀疑。如果质子的质量增加0.2%，它们立即衰变成中子，没法束缚电子，原子也就无法稳定存在。如果质子-电子质量比更小一些，就不会存在稳定的恒星；如果它更大一些，像晶体和dna分子这样的有序结构就不会出现。
    一旦有人提到人择这一“a打头的词”，关于微调的讨论就常常变得激烈起来。所谓的人择原理定义五花八门，解释各种各样，它所引发的混乱已经盖过了它所带来的启迪。但下面所说的map一般没有争论，即最小化人择原理（minimalistic anthropic principle）：
    map：用观测数据检验基础理论时，忽略选择效应会得出不正确的结论。
    从我们前面的例子来看，这是很显然的：如果我们忽略选择效应，围绕一个太阳这么重的恒星旋转是非常令人惊奇的，因为更轻更暗的恒星也大量存在。同样，map说明，混沌爆炸模型并没有由于我们正好生活在暴胀停止的极小的分形空间而被排除，因为暴胀的部分不适合我们居住。幸运的是，正如玻尔兹曼一百年前就指出的那样，选择定则并不能拯救所有的模型。如果宇宙处于经典的热平衡（热寂），热波动仍然能够使原子随机结合在一起，从而千载难逢地形成了拥有自我意识的一个你，所以你正好存在这一事实并不能排除热寂宇宙模型。但是，你在统计上应该看到，世界的其他部分都应该处于高熵的混乱状态中，而不是看到的有序的低熵状态，从而排除了这个模型。
    粒子物理的标准模型中有28个独立参量，而宇宙学中可能还有更多。如果我们真的住在第二层多元宇宙中的一个，那么对于那些在平行宇宙之间的数值不同的物理量，我们永远不能根据第一性原理预言出它们的观测值。将选择效应考虑在内，我们也只能计算出这些数值的概率分布。我们也会发现，这些可能有不同取值的物理量在我们宇宙中的观测值，应该普遍的和我们的存在一致。从下面的具体讨论中将会看到，如何定义“普遍”，具体地说也就是，如何用物理理论计算概率，变成了令人困窘的棘手问题。
    第三层：量子力学中的多世界解释
    即量子波函数的其他分支，没有增加任何实质的新东西
    前两层平行宇宙如此遥远，但这一层平行宇宙却可能就在我们身边。如果物理基本方程一直都是被数学家称为“幺正的”，那么宇宙就会像漫画上那样，不断分叉处平行宇宙：只要一个量子事件可以有随机结果，那么所有结果实际上都会发生，每一个形成一个分支。这就是第三层平行宇宙。虽然与第一层、第二层平行宇宙相比，第三层平行宇宙备受争议。我们仍会看到，这一层次并没有增加新型的宇宙。
    第三层平行宇宙存在的证据
    在20世纪早期，通过解释原子领域出现的新现象，量子力学理论革新了整个物理学。量子力学的应用包括化学、核反应、激光，以及半导体等。在量子理论取得瞩目成功的同时，它的理论解释却引发了激烈的争论。直到至今，争论仍在继续。在量子理论中，宇宙的状态，不再用所有粒子的位置和速度那样经典词汇来描述，而是用一种叫波函数的数学客体来描述。根据薛定谔方程，宇宙的态按照名为“幺正的”方式随时间确定地演化，这对应着希尔伯特空间（波函数所在的无穷维抽象空间）中的一个旋转。比较别扭的地方在于，对于经典上违反直觉的情形，例如你同时出现在两个地方，描述它们的波函数却完全是合理的。更糟的是薛定谔方程能让无辜的经典状态演变成令人崩溃的状态。一个怪异的例子就是，薛定谔描述的那个著名的理想实验，如果放射线原子发生衰败，那个一个令人不快的装置就会杀死一只猫。因为放射线原子最终进入衰败和不衰变的叠加态，一只既死又活的猫就产生了。
    图1.5
    在20世纪20年代，为了摆脱这一不可思议的现象，物理学家们假设，一旦做出观察，波函数立即“塌缩”成某种确定的经典结果，其概率由波函数给出。爱因斯坦对破坏了幺正性的这种自然内在随机性很不高兴，他坚持认为“上帝不掷骰子”。其他人也抱怨没有具体指导塌缩何时发生的方程。1957年，普林斯顿的学生休·埃弗雷特（hugh everett）在他的物理学博士论文里提出，这个有争议的塌缩假设完全是多余的。量子理论预言，一个经典实在会逐渐分裂成许多态的叠加（图1.5）。他指出，观察者主观上只会将这个分裂体验成一种随机性，随机概率恰好等于原理的预言。这种经典世界的叠加就是第三层多元宇宙。
    埃弗雷特的工作仍然留下了两个问题没有回答：首先，如果这个世界真包含了荒谬的宏观叠加，为什么我们没有感觉到。直到1970年才有人回答这个问题，迪特尔·泽（dieter zeh）指出，薛定谔方程自己引发了一种审查效应。这个效应叫“退相干”，在接下来的几十年中沃伊切赫·祖雷克（wojciech zurek）和泽等人对其进行了仔细研究。研究发现，相干的量子叠加只要不被世界中的其他部分知道，就会保持下去。和一个爱打听的质子或空气分子的一次碰撞，就足以让我们在图1.5中的人永远无法意识到，平行的故事线中还有自己的一个拷贝。埃弗雷特图像中第二个没有回答的问题更为微妙，但同样重要：什么物理机制选出近似经典的状态（例如一个物体一次只能在一个地方）。它在极端巨大的希尔伯特空间中是相当特殊。退相干同样回答了这个问题，它认为，经典状态就是最坚决抵制退相干的那些态。总的来说，退相干既确定了希尔伯特空间中的第三层平行宇宙，又给它们划清了界限。退相干已经无可争议，在各种情况下都被实验测量到。既然退相干实际上能起到波函数塌缩的效果，那么人们就失去了研究非幺正量子力学的动机，埃弗雷特的多世界诠释日益流行。要了解这些量子文献的详细内容，可以在泰格马克和惠勒的文章中找到流行观点，朱利尼等人的著作中有技术性的回顾。
    如果波函数的时间演化是幺正的，那么就存在第三层平行宇宙，物理学家都在竭力地检验这个关键假设。目前还没有发现对幺正行性的偏离。最近几十年，巧妙的实验证明了更大体系的幺正性，包括极重的碳60巴基球原子，以及千米尺度的光纤系统。在理论方面，一个反对幺正性的重要争论涉及黑洞蒸发时可能的信息丢失，这意味着量子引力效应是非幺正的，从而使波函数塌缩。但弦理论上的一个突破，叫做ads/cft对应的理论指出，量子引力也是幺正的，在数学上它和一个低纬的无引力量子场论是等价的。
    (本章完)