书城科普采撷科学世界的明珠(科普知识大博览)
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第18章 有几个宇宙

有时,科学上的发明或发现往往首先在科幻小说中出现。例如空间旅行,儒勒·凡尔纳在1865年出版的第一部小说《从地球到月球》和它的续集《环绕月球》(1869年出版)中,先于“阿波罗”11号飞船整整1个世纪“登”上月球,先于莱特兄弟首次在基蒂霍克飞行40年“飞”上蓝天。凡尔纳甚至让他的“宇宙飞船”从佛罗里达起飞,溅落在太平洋上,只与“阿波罗”9号降落地点相差2.5英里(4公里),这是“阿波罗”9号宇航员弗兰克·玻曼后来在写给凡尔纳的孙子的信中提到的。如果要对后来的这种“先知先觉”的小说进行评比,克利夫·卡特米尔的小说《最后期限》也许该获得冠军。这篇小说刊登在1944年夏天的《惊骇科幻小说》上。这篇小说中的科学家正在研究的东西与当时物理学家正在进行的原子弹研究计划惊人地相似。最后,居然引起了华盛顿的警觉,因为在这篇小说中,描写了科学家正在执行一个名叫“哈得孙河计划”的秘密计划,这与当时真正的最高机密“曼哈顿计划”极其接近。卡特米尔和杂志的编辑约翰·W·坎贝尔因此遭到美国联邦调查局调查。最后,两人费尽唇舌,终于让联邦调查局的官员们相信这只是一篇以公众中谈论了十多年的话题为素材改编的故事。

一部由杰克·威廉姆森创作的小说是一个更特别的例子。凡尔纳是一个用科学方法使故事生动丰满的老手——他实际上获得了正确的飞向月球的逃逸速度值——但在古希腊时期人们就幻想过飞向月球。当克利夫·卡特米尔写作他的小说时,利用原子能已经成为一个公众话题几十年了——事实上,威尔斯在他1913年的小说《世界的解放》中就已经创造了“原子弹”这个名词。但威廉姆森与上述这些作家都不同,他在1952年的著作《时间兵团》中预言了理论科学中的一个事件。

威廉姆森是二战后最富有想象力的科幻小说作家之一,与那些把科幻小说建立在自然科学基础上的人不同,实际上,他有很好的科学背景,但是他更喜欢把一些可能性极小的事情尽可能地扩展。他在《时间兵团》中就是这样做的,这是一部关于在并行宇宙中往返的故事,科学作家约翰·格里宾在他1984年关于量子物理学的著作《寻找薛定谔的猫》中写道:“据我所知,这是第一次。在事实上或在科幻小说中,并行世界的想法(后来成为量子力学对多个世界的解释)出现在出版物中。”“测地线有无限多可能的分支,这就是亚原子粒子测不准的原因”,这是威廉姆森对所发生的事情的部分解释。胡言乱语?根本不是。格里宾指出。物理学家休·埃弗雷特在他1957年关于这一论题的著名的博士论文中写道:“他不可能再取得任何进展了,尽管他的工作是建立在可靠的数学基础之上的。”埃弗雷特的论文引发了一场大规模的争论,他在论文中指出宇宙在演化时可能在不断分裂,创造了无限多个宇宙。但是认为这些宇宙是并行的想法是不正确的,相反,每一个宇宙可能是从前一个宇宙中分出来的,新的宇宙又继续发生分裂。在一个宇宙(我们所处的宇宙)中林肯可能被约翰·威尔克斯·布斯刺杀了,但是在另一个宇宙中,林肯身上的伤可能不是致命的,在另一个别的宇宙中,他可能根本没被人刺杀,而在其他宇宙中,也许林肯和布斯都不存在。在有的宇宙中可能美国根本不存在,在另外的宇宙中,人类可能还没有出现。

物理学家布赖斯·德威特是这一理论的拥护者,他坦率地说:“每一个发生在每一个恒星、星系和宇宙的遥远的角落的量子跃迁,都把我们地球上的本地世界分裂成无数个副本。我能清楚地回想起我第一次听到多个世界的观点给我带来的震撼。”按常理,实际上我们对于“真实性”的直觉可能会使我们起来反对这个观点。正因为这个原因,许多物理学家不能接受它。但即使是那些不能接受它的人也承认它在数学推理上并没有错误——用量子理论来解释也是可行的。新的实验性的研究表明,量子物理学可以应用于我们已知的有形世界中,同样也可以在亚原子级得到应用。

多世界理论不被大家所接受,有一部分原因是因为它的复杂性和似乎不可验证性——根据定义,多个世界之间似乎没有联系,要证明多世界的存在是不可能的。我们先来回顾一下暴涨理论,它所描述的关于宇宙大爆炸后发生的情形也是很复杂和无法验证的,但是物理学家还是接受了它。为什么就不能接受多个宇宙的理论呢?这两个新颖的理论受欢迎的程度的差异在于暴涨理论解决了宇宙学家的一些问题,这样他们愿意接受这样的理论,尽管这个理论是无法验证的。而多宇宙理论可能作为量子力学的数学解释是有意义的,但它不能解决任何问题——相反,它只能带来新的问题,这样一来,最好的办法是忽视它。抱有同样想法的读者将不乏同盟者——因为这正是多宇宙理论的拥护者反复强调的。约翰·惠勒是氢弹制造的监督者,也是“黑洞”这个名字的提出者,他是休·埃弗雷特的导师,他对埃弗雷特多世界理论的建立做出了贡献,但他最终站出来反对这个理论,原因是他认为这个理论需要背上许多形而上的包袱。

惠勒自己也得出了一个多宇宙的结论,但与埃弗雷特的不同。按他的观点,宇宙膨胀到某种程度后便开始收缩,收缩的最终结果是宇宙的密度和温度都变得无穷大——于是一次新的大爆炸不可避免地发生了。但是,接下来形成的宇宙完全不同于以前的宇宙,这种过程周而复始,永无止境。在这个新宇宙中所有的物理规律与我们现在所知的完全不同,牛顿定律和爱因斯坦的相对论将不再适用。实际上正如《秘密的旋律》中写的那样:在大多数的宇宙中将不再具有智慧生命产生的条件,我们的宇宙碰巧具备了这样的条件……惠勒用一个无数次继承的宇宙观代替了埃弗雷特狂乱的多宇宙复制品宇宙观,但是它们在思想上是一致的,即有无穷多个宇宙,物理常数、宇宙的初始条件甚至是物理定律都可能是随机变化的,而且,这些宇宙是完全互相不联系的。Thuan在20世纪90年代中叶提到,从一定程度上说,埃弗雷特的循环宇宙观比埃弗雷特的分岔宇宙观更加缺少科学基础。原因之一是没有证据表明宇宙包含足够的物质能引起它坍缩,这点很重要,因为最近的天文学证据恰恰支持相反的观点,即宇宙将永远膨胀。

斯蒂芬·霍金与埃弗雷特有相同的想法,仍然是多个宇宙的观点,但是,让一些宇宙学家更容易接受。正如米其奥·卡库于1994年在他的著作《超空间》中指出的,霍金一开始“与其说是一个量子理论学家还不如说是一个纯粹的经典相对论者”。换句话说,爱因斯坦的相对论和海森伯的不确定性原理融入了他早期的工作。多年后,霍金相信惟有量子理论才能帮他和其他物理学家找到近年来一直在寻找的“大统一理论”。这个理论将把量子理论和牛顿及爱因斯坦的理论都统一起来。

量子理论假定一个波函数,这个波函数包含一个给定的粒子的每一种可能的未来状态。霍金想把整个宇宙看做一个量子粒子,因为这种粒子有无限多种可能的状态,这也意味着存在无限多个宇宙。当大多数其他宇宙都死亡后,波函数似乎是我们宇宙的一部分(或许我们将不在这里思考这些事情,而是作为波函数的观测者)。但是,因为波函数固有的无限多可能性,别的地方仍然有可能已经产生了另一个宇宙,甚至比我们的宇宙更“优越”。这种可能性是存在的。在另外一个假想的宇宙上,我们正在苦苦思索的问题说不定已经被比我们智慧的生物解决了。

就像埃弗雷特的分岔宇宙一样,霍金的多个宇宙也是无法计数的、彼此独立的、离散的泡泡。在埃弗雷特的方程中,我们以自己的行为创造了新的宇宙,在其中我们被分割成几个现实,尽管在走向永恒的路上,新的分岔将不包括你我或物理学家,在那个宇宙中的量子粒子想必分得足够开以至于已经把我们统统甩开了。考虑一个现实但很可怕的例子,我们将被很快杀死,因为在另一个分岔宇宙中,由醉鬼驾驶的迎面而来的汽车将把我们撞死而不是避开我们。

埃弗雷特的分岔宇宙理论的确令许多人感到不安——包括物理学家,也包括水管工人和银行出纳,因为它剥夺了自由意志。不管我们做什么,新的宇宙将被创生,在其中我们无能为力。在一个或另一个分岔宇宙中,我们每一个行动的所有可能都存在。那么,无论我们做什么都无关紧要?我们的选择,无论是好是坏,将不再作数。物理学家发现这个观点格外令人厌烦——毕竟,他们的生活是在试图弄清事情的真相。如果所寻求的答案是一个宇宙,在其中,每一种答案在其各自现实中都处于同等地位,这将多么令人泄气。何必自寻烦恼呢另一方面,分岔宇宙理论对那些因过去的生活一去不复返而闷闷不乐的人来是很诱人的。知道自己在另一个宇宙中成了一个医生而不是因为考试不及格而从医学院退学;说服自己初恋的情人嫁给自己而不是被那个假冒的求婚者捷足先登;自己成了一位畅销书作者而不是阁楼上堆满了未能出版的手稿的倒霉人该是多好的事情。在某些地方足球被接住了,蛋奶酥涨价了,小伙子的微笑不见了,升职被同意了,把这些都带走不是一个好主意,因为明天也许是一个噩梦。

到此为止,我们见识了杰出的物理学家提出的多宇宙理论,它们在数学上是可行的。尽管一些物理学家不喜欢它们的含义,但对此还是严肃对待。这些宇宙理论有:埃弗雷特的分岔宇宙、霍金的泡泡宇宙、惠勒的无尽的再生宇宙(这些宇宙膨胀、收缩,然后在大爆炸中重生,宇宙所有的一切也随之而改变)。但仍有另外一种多宇宙的可能性,没有人从数学上证明它的存在,但根据量子理论,它也是可能存在的。

世纪30年代,亨利·海斯写了一个科幻故事名叫《缩身人》,这篇小说对年轻的艾萨克·阿西莫夫产生了深刻的影响,后来,它被收录到文集《黄金时代之前》中。在这个故事中,一个希望探索分子结构的科学家调制了一种药水,他能把一个人收缩到分子大小。然后他说服他的助手首先实验一下。这个故事的这部分很难当真,把杰基尔医生(小说《化身博士》的主人公)的不老药推向极限。海斯的故事成了畅销书。故事是以助手为第一人称讲述的,助手用药后开始缩小了,而且一直缩小,穿过一个又一个宇宙,经过了一年又一年。在别的宇宙中与那里的奇异的居民多次打交道,经历过许多次冒险后,这个不朽的旅行者经过收缩后发现自己正在太阳系,最终降落在伊利湖,这时他已经成了一个高耸的巨人,克利夫兰的居民被这个庞然大物吓坏了。当他收缩到与人差不多大小的时候,他找了一个科学家兼作家,把他催眠然后告诉他这个不可思议的故事。这个科学家在精神恍惚的时候用速记法记下了这个故事。当他清醒过来时,发现来访者消失在他刚才用来记录的纸中,他赶紧把这个来访者的故事告诉世人。

关于这个主题海斯不曾说什么,他试图让公众了解我们的世界、我们的星系、我们的宇宙只是另一个更大的宇宙桌上的分子。伊利湖岸边的沙子中肯定也包含他们自己的整个宇宙,同时,可怜的傲慢的科学家收缩后穿过一层又一层宇宙,每缩小一次都拥有他自己的完整的宇宙。

这只是一个故事,一个聪明的故事,它把一个令人难以置信的思想通过一个简单的方法表达出来——这只是一个科幻故事。回想一下杰克·威廉姆森的《时间兵团》也只是一个故事,那部小说的多宇宙理论很快得到数学上的支持,同时也促使世界上最伟大的物理学家去思考它的含义。

存在多个宇宙吗?许多科学家认为肯定存在,但是因为我们无法与它们取得联系,不同的物理学家便构造许多数学上似乎台理的场景去描绘它们可能的样子。因为这种宇宙的含义如此令人不安,它们背负了太多“形而上的包袱”,所以约翰·惠勒说,相当多的物理学家认为对这类思想的探索本质上是浪费时间,不如把这类素材留给哲学家和科幻小说作家。但是霍金、埃弗雷特以及其他人感到除非这种可能性能受到重视和处理,否则与我们的存在的局限性有很大关系的问题的答案永远无法发现。哲学家艾伯塔斯·马格努斯说过:“存在许多世界吗?还是只有一个?这是在研究自然中最高贵的问题之一。”这将毫无疑问属于那些一直不停地询问的人,不管答案有多么奇特。