书城科普平行宇宙
11290100000001

第1章 宇宙诞生时的情景

诗人仅需仰望天空抒发情怀,而逻辑学家却要探索天空寻找其中的秘密。

——G.K.切斯特(G.K.Chesterson)

当我是一个孩子的时候,我内心的信仰有冲突。我的双亲是在佛教的传统下长大的。但我每周去主日学校上课,我喜欢这里讲的有关鲸鱼、方舟、盐柱、肋骨和苹果的圣经故事。这些古老的寓言让我着迷,这些内容是我最喜欢主日学校的地方。对我来说,有关大洪水、燃烧的丛林和逝去的流水,比起佛教的圣歌和沉思默想更让我激动不已。事实上,这些古代的有关英雄事迹和悲剧的传说给我上了一堂生动的道德和伦理课,这些教育伴随了我的一生。

在主日学校里,有一天我们学习“起源”。读到上帝在天上雷鸣般地说:“让世界充满光明!”这些话语听起来比有关“涅槃”的沉思默想更为生动。出于好奇,我问我的主日学校老师:“上帝有母亲吗?”平时她回答问题总是很果断,每次都给我深刻的道德教育。然而,这一次她被问住了,她迟疑地说上帝大概没有母亲吧。我问她:“那么上帝是从哪来的呢?”她咕哝着说,关于这个问题她要问问牧师。

我当时没有认识到我意外地触及到一个重大的神学问题。我迷惑了,因为在佛教中根本没有上帝,只有无始无终的永恒的宇宙。后来,当我研究有关世界的神话时,我知道了在宗教上有两种类型的宇宙论:一种理论是上帝在一瞬间创造了宇宙,另一种理论是宇宙过去、现在和将来都永远如此。

我想,两种理论不可能都是对的。

后来,我开始发现这些共同的主题贯穿在很多其他的文化中。例如,在中国的神学中,开始时有一个宇宙蛋。幼儿上帝盘古几乎是永久地居住在这个漂浮在无形的混沌海上的蛋中。当他最终孵化出世后,他长得无比地大,每天长10英尺多(3米多),蛋壳的上半部分变成了天,下半部分变成了地。一万八千年后,他死了,诞生了我们的世界,他的血变成了河,他的眼变成了太阳和月亮,他的声音变成了雷。

盘古神话以各种方式反映了一个在其他宗教和古代神学中所建立的主题,即宇宙是从无到有创造的。在希腊神学中,宇宙起源于混沌状态。事实上,混沌一词来源于希腊意思为“深渊”这个词。这个毫无特色的空洞通常被描绘为一个海洋,在巴比伦和日本的神学中就是这样描绘的。这个主题也出现在古埃及神学中,太阳神Ra(拉。被画成鹰头而戴太阳之冠的古埃及人的主神。——译者注)是从漂浮的蛋中出现的。在玻利尼西亚神学中,宇宙蛋被一个椰子壳代替。玛雅人相信的故事又有一些变化,宇宙诞生,但五千年后最终死亡,然后又一次一次复兴,诞生和毁灭无休止地循环。

这些从无到有的神话是与佛教的宇宙论及某种形式的印度教截然不同的。在这些神学中,宇宙是永恒的,无始无终的。存在的级别有很多,最高的是“涅槃”,它是永恒的,只有通过沉思冥想才能达到。在印度佛教的教义中写道:“如果上帝创造了世界,在创造世界之前他在哪里呢?……要知道世界不是创造的,就像时间那样没有开始和终结。”

这些神学明显地互相矛盾,不能明确地说出谁对谁错。他们是相互排斥的:宇宙或者有开始,或者没有,显然没有折中的余地。

然而今天似乎出现了一个解决方案,这是由全新的科学世界的发展,由新一代的翱翔在外层空间的强大科学仪器所得出的结果。古代神学依赖的是讲故事的人的智慧解释世界的起源。今天,科学家则利用一组卫星、激光、重力波探测器、干涉仪、高速超级计算机和因特网,革新我们对宇宙的理解,给我们有关宇宙起源的更加引人注目的描述。

从科学探测数据逐渐得出的是两种相互对立的神学的合成。科学家推测,“起源”也许在无止境的“涅槃”海洋中重复发生。在这个新的图片中,我们的宇宙可以比做漂浮在巨大“海洋”上的一个气泡,在这个“海洋”上不断有新的气泡形成。根据这个理论,宇宙像开水中形成的气泡,在不断地产生,漂浮在一个更大的舞台上,即一个11维的超空间“涅槃”上。越来越多的物理学家认为我们的宇宙的确是从一次火灾中,从一个大爆炸中产生的,但它也与其他宇宙的永恒的海洋并存。如果我们是对的,大爆炸甚至就在你读这本书时正在发生。

全世界的物理学家和天文学家现在都在推测这些并行的世界会是什么样子,服从什么规律,它们怎样诞生,最终如何死去。大概这些世界是荒无人迹的,没有生命的基本要素。或者也许它们只是看上去像我们的宇宙,被一个单一的使这些宇宙脱离我们宇宙的量子事件所分开。一些物理学家推测,也许有一天,随着我们生存的宇宙变老和变冷,生命难以继续维持,我们将不得不离开它,逃到另一个宇宙中去。

驱动这些新理论的动力是从空间卫星拍照宇宙创建时留下的残迹所得到的大量的数据。最显著的是,科学家现在将零点定在大爆炸发生后仅380000年后所发生的事情。那时,宇宙创建时的余晖首次充满了宇宙。这种从宇宙创建所产生的辐射的最引人注目的描述大概是从WMAP卫星的新仪器得来的。

WMAP卫星

2003年2月,一些通常持保留态度的天文物理学家在谈论从最近一颗卫星得到的精确数据时,异口同声地赞叹道:“不可思议!”“一个新的里程碑!”WMAP(威尔金森微波各向异性探测器)是以宇宙学家大卫·威尔金森(David Wilkinson)的名字命名的,于2001年发射升空,已给予科学家前所未有的精确的年龄仅有380000年的早期宇宙的详细图片。从诞生星星和星系的原始火球留下的巨大能量环绕了我们的宇宙几十亿年。今天,它最终被WMAP卫星异常详细地捕捉在影片上,产生了一幅以前从未见过的天空照片,惊人地、详细地呈现大爆炸所产生的微波辐射。这些辐射被《时报》杂志叫做“创世的回波”。天文学家再也不会以同样的方式看待天空了。

普林斯顿高级学术研究所的约翰·巴赫恰勒(John Bahcall)说:“WMAP的发现代表了宇宙学从推测到精密科学的跨越。”从宇宙历史的早期得到的这些数据使宇宙学家首次能够精确回答远古时代的所有问题,自从人类第一次看到夜晚天空的美丽景色,这些问题就一直困惑着人类,并激起他们的好奇心。宇宙有多大年纪了?宇宙是由什么构成的?宇宙的命运是什么?

(1992年的前一颗COBE〔宇宙背景探测卫星〕给了我们这些充满天空的背景辐射的第一张聚焦不好,从而模糊不清的图片。尽管这个结果是革命性的,但是因为它给出的早期宇宙的图片太不清楚了,所以令人失望。但这并没有妨碍出版界将这张照片激动地称为“上帝的脸”。然而,从COBE得到的这张模糊的照片更确切的说法应该是代表宇宙幼年的“婴孩照片”。如果今天宇宙是一个80岁的老人,则COBE和后来的WMAP所得到的照片是一个新生的不到1天的宇宙。)

WMAP卫星能够给我们前所未有的宇宙幼年的照片的原因是,夜晚的天空像一架时间机器。因为光传播的速度是有限的,我们在夜晚看到的星星是它过去的样子,而不是现在的样子。光从月球到达地球需要1秒多钟,因此当我们凝视月亮时,我们看到的是它1秒钟以前的样子。光从太阳到达地球需要大约8分钟。同样,我们在天上看到的很多熟悉的星星是如此之远,光从这些星星到达我们的眼需要10到100年。换句话说,它们距离地球10到100光年。1光年大约是6万亿英里(约91656万亿千米),或光1年走过的距离。从遥远星系来的光可能有几亿到几十亿光年之远。结果,这些光代表了“化石”光,有些甚至是在恐龙出现之前就发射出来的光。我们用天文望远镜能够看到的有些天体叫做类星体,它们是巨大的发动机,在可见宇宙边缘附近发出难以想象的能量,这些类星体离地球120亿到130亿光年。现在,WMAP卫星已检测到甚至是在此之前从创造宇宙的原始火球所发出的辐射。

为了描述宇宙,宇宙学家有时采用从曼哈顿100多层高的帝国大厦向下看的例子来说明。当你从顶层向下看时,你仅仅能够看到街道水平面。如果帝国大厦的基础代表大爆炸,那么从顶层向下看,遥远的星系将位于第10层。通过地球望远镜看到的遥远的类星体将位于第7层。WMAP卫星所测量的宇宙背景则仅高出街道半英寸(约127厘米)。这样WMAP卫星测量得出的宇宙年龄为137亿年的精度达到令人吃惊的1%。

WMAP完成的使命是十几年来天文物理学家艰苦工作所达到的顶点。WMAP卫星的设想是在1995年首次提交给NASA(美国国家航空航天局)的,两年之后得到认可。在2001年6月30日,NASA将WMAP卫星搭载在德尔塔Ⅱ(DeltaⅡ)火箭上,将它发射到位于地球和太阳之间的太阳轨道上。目标仔细选在拉格朗日点2(或L2点,一个特殊的靠近地球的相对稳定点)。从这一有利的地点,该卫星总能背向太阳、地球和月亮,因此能够得到完全不受障碍的宇宙的视野,它每6个月完全地扫描一次整个天空。

它的仪器是最新式的。利用它的强大的传感器,它能够检测大爆炸所留下的充斥宇宙的微弱的微波辐射,但是这些辐射大部分被我们的大气吸收掉了。这颗由铝合金和复合材料制造的卫星内径318米(1114英尺),外径5米(15英尺),重840千克(1850磅)。它有两架背靠背望远镜聚焦来自周围天空的微波辐射,它最终将数据用无线电发回到地球。它的电源仅419瓦,相当于5只普通的灯泡。离开地球100万英里(约161万千米),WMAP卫星位于地球大气的干扰之外,微弱的微波背景辐射不会被地球大气遮挡,并且能够持续不断地观察整个天空。2000年4月,该卫星完成了对整个天空的首次观察。6个月后做了第二次整个天空的观察。今天,WMAP卫星给了我们最完善的、详细的微波辐射图,这是以前从来没有得到过的。1948年,乔治·伽莫夫和他的小组曾首先预言了WMAP所检测的微波背景辐射。他还指出这一辐射有一个与其相关的温度。WMAP测量的这个温度比绝对零度0K(-273.15℃)高一点,在绝对温度2.7249至2.7251度之间。

WMAP所拍摄的天空图用肉眼看上去并不怎么有趣,只是一群随机分布的斑斑点点。然而,这些斑斑点点却让一些天文学家激动得落下眼泪,因为它们代表了在宇宙创造之后不久所发生的大爆炸所产生的原始火灾的波动和不规则。这些小的波动就像“种子”一样从此以后无限扩展,就像宇宙本身向外爆炸一样。今天,这些小的种子发展成我们所看到的照亮天空的星团和星系。换句话说,我们所在的银河系(Milky Way galaxy)和我们周围的星团曾经是这些波动之一。通过测量这些波动的分布,我们看到星团的起源就像画在天上的宇宙织锦上的小点。

这是WMAP拍照的宇宙的“婴儿照片”,因为拍的是它仅有380000岁时的照片。每个点很可能代表在创造余晖中的微小量子波动,它们随后扩展,创造了我们今天看到的星团和星系。

今天,大量的天文数据积累的速度超过了科学家建立理论的速度。事实上,我认为我们正进入一个宇宙理论的黄金时代。(尽管WMAP卫星给人深刻的印象,与欧洲2007年要发射的普朗克〔Planck〕卫星相比,它可能会成为一个矮子。普朗克卫星将给天文学家更加详细的有关微波背景辐射的图片。)在多年的思索和疯狂的猜想之后,今天宇宙论终于成熟。在历史上,宇宙学家因名声不是太好而感到痛苦。他们满怀激情所提出的有关宇宙的宏伟理论仅仅符合他们的一点可怜的数据。正如诺贝尔奖获得者列夫·兰道(Lev Landau)所讽刺的:“宇宙学家常常是错误的,但从不被怀疑。”科学界有句格言:“思索、更多的思索,这就是宇宙学。”

20世纪60年代后期,我在哈佛大学主修物理,我考虑是否有研究宇宙学的可能性。从童年开始我就对宇宙的起源着迷。然而,只要看一看这个领域就知道它令人困窘。它根本不是一门实验科学,不能用精密的仪器检验你的假设,而是一些不精确的猜测的理论。宇宙学家忙于激烈地争论,世界是在宇宙大爆炸时诞生的?还是自始至终以稳定的状态一直存在?但是由于数据太少,各种理论的数量超过了数据的数量。事实上,数据越少,争论越激烈。

在整个宇宙学的历史中,由于可靠数据太少,导致天文学家的长期的不和和痛苦,他们常常几十年愤愤不平。例如,就在威尔逊山天文台的天文学家艾伦·桑德奇(Allan Sandage)打算做一篇有关宇宙年龄的讲演前,先前的发言者辛辣地说:“你们下一个要听到的全是错的。”当桑德奇听到反对他的人赢得了很多听众,他咆哮着说:“那是一派胡言乱语。它是战争——它是战争!”

宇宙的年龄

天文学家一直渴望知道宇宙的年龄。几个世纪以来,学者、牧师和神学家一直试图估计宇宙的年龄,在他们的探讨中所用的唯一方法是自亚当和夏娃所产生的人类的宗谱。在20世纪,地质学家利用岩石中残存的放射性元素给出地球年龄的最佳估计。与此相比,今天的WMAP卫星测量了大爆炸的回波,给我们最具权威的宇宙的年龄。WMAP数据揭示,我们的世界是在137亿年前发生的剧烈的大爆炸中诞生的。

(多年来,一个困扰宇宙学的最令人不安的事实是,由于数据不完善,计算得出的宇宙的年龄常常比行星和星星的年龄要年轻。以前估计的宇宙的年龄是10亿到20亿年,与地球的年龄45亿年和最老的星星的年龄120亿年相矛盾。现在,这些矛盾消除了。)

WMAP对希腊人2000年前提出的宇宙是由什么构成的争论问题,给出了意想不到的转折性的答案。过去一个世纪,科学家相信他们已经知道了这个问题的答案。经过上千次艰苦的实验,科学家得出结论:宇宙是由大约100多种不同类型的原子构成的。这些原子在元素周期表上按次序排列,第1个是氢元素。这一理论成为现代化学的基础,事实上,在每个高中的科学课程上都是这样教的。WMAP现在毁灭了这种信念。

为了确认以前的实验,WMAP得出我们所看见的周围的物质,包括山、行星、星星和星系只占宇宙总物质和总能量的4%。(在这4%的物质中,绝大部分是氢和氦,大约只有0.103%是重元素。大部分宇宙实际上是由完全不知道起源的、神秘的、不可见的材料构成的。)我们所熟悉的构成我们世界的元素仅占宇宙的0.103%。在某种意义上,科学被拉回到几个世纪以前,那时还没有出现原子假设,因为物理学家掌握了事实:宇宙是由全新的、不知道的物质和能量形式所支配的。

根据WMAP的观测,23%的宇宙是由奇怪的、不确定的、叫做暗物质的物质构成的。这些物质有重量,以巨大的光环围绕着星系,但是它们完全看不见。暗物质在我们的银河系是如此普遍和丰富,以至它的重量为所有星星的10倍。尽管看不见,这种奇怪的暗物质能够间接地被科学家观察到,因为它能使光线弯曲,就像玻璃那样,因此可以靠它所产生的光线扭曲来定位。

谈到从WMAP数据得到的奇怪结果时,普林斯顿天文台的天文学家约翰·巴赫恰勒(John Bahcall)说:“我们生活在一个难以相信的、疯狂的宇宙中,但它是一个我们现在已经知道了它的详细特性的宇宙。”

但是,从WMAP数据得出的最令人吃惊的大概是宇宙的23%是由完全不知道的叫做暗能量形式构成的,或隐藏在空间的看不见的能量构成的。爱因斯坦在1917年曾提出暗能量的概念,后来又放弃它,他将它称为他的最大错误。现在暗能量又作为整个宇宙的驱动力重新出现了。现在人们相信这个暗能量产生一个新的抗重力场,它使星系分开。宇宙自身的最终命运将由暗能量决定。

目前,没有一个人知道暗能量是从何而来。西雅图华盛顿大学的天文学家克雷格·奥甘(Craig Hogan)承认:“坦率地说,我们确实不理解它,我们知道它的效果,但我们完全没有线索……每个人都没有它的线索。”

如果我们采用最新的亚原子粒子理论来试图计算这个暗能量的值。我们发现它的数值为10^120,即1的后面跟120个零。这个理论和经验的矛盾远远超出了科学历史上发现的最大差距。这是一个最令我们困惑的问题,我们的最好的理论不能计算整个宇宙最大能源的值。可以肯定,有很多很多的诺贝尔奖在等待勤奋工作的、能够揭示暗物质和暗能量秘密的人。

膨胀

天文学家仍然试图竭力处理从WMAP得来的大量数据。因为它将古老的宇宙概念一扫而光,一个新的宇宙学的图景正在出现。查尔斯·L 1班尼特(Charles L 1 Bennett)是帮助建立和分析WMAP卫星的国际小组的领导人,他说:“我们已经奠定了统一的、一致的宇宙学理论的基础。”迄今为止,最先进的理论是“宇宙膨胀论”,它是大爆炸理论的重大更新,该理论是麻省理工学院的物理学家艾伦·古思(Alan Guth)首先提出的。在膨胀过程中,在一万亿分之一的一万亿分之一秒,一个神秘的抗重力引起宇宙比预想的更快的速度膨胀。该膨胀期是难以想象的爆炸式的,宇宙膨胀的速度比光速更快。(这不违反爱因斯坦对任何物体的速度都不能超过光速的断言,因为膨胀的空间是真空的空间。而实质性的物体不能超越光速。)在几分之一秒中,宇宙不可想象地扩大了1050倍。

为了直观地说明此膨胀期的动力,想象一个正在膨胀的气球,在气球表面画了一个星系。我们所看到的充满了星星和星系的宇宙都位于这个气球的表面上,而不是在气球的内部。现在在气球上画一个用显微镜可见的小圈。此小圈代表可见的宇宙,即用我们的望远镜所看到的一切。(打个比方,如果整个可见的宇宙像亚原子粒子那样小,那么实际的宇宙比我们看见的我们周围的可见宇宙要大许多许多。)换句话说,膨胀的速度是如此之快,以至超出我们的可见宇宙的整个区域并将永远超出我们可以达到的范围。

事实上,膨胀是如此巨大,在我们的视野范围内,气球看上去似乎是平的。这一事实已被WMAP卫星实验证实了。同样,地球看上去似乎是平的,因为与地球半径相比我们人太小了。宇宙看上去是平的,只是因为它在更大的尺度上是弯曲的。

如果假定早期的宇宙经历了膨胀的过程,我们就可以毫不费力地解释很多有关宇宙的谜团,如为什么它看上去是平的和均衡的。物理学家乔尔·普里马克(Joel Primack)在评论膨胀理论时说过:“没有一个理论能像膨胀理论这样完满,以前曾认为它是错的。”

多元宇宙

尽管膨胀理论与WMAP卫星得到的数据一致,但它仍然回答不了一些问题,如什么引起膨胀?是什么发出抗重力使宇宙膨胀?有50多种建议解释是什么引起膨胀,是什么最终终止膨胀,创建了我们所看见的我们周围的宇宙。但未达成共识。大多数物理学家赞同快速膨胀期这一核心思想,但是没有确切的建议回答膨胀背后的发动机是什么?

因为无人确切地知道膨胀是怎样开始的,所以同一机理总有可能再次发生,即膨胀式的爆炸可能重复发生。斯坦福大学的俄罗斯物理学家安德烈·林德(Andrei Linde)就提出了这样的想法,即不管是什么机理引起部分宇宙突然膨胀,该机理可能仍然在起作用,也许会意外地引起宇宙其他遥远的区域也发生膨胀。

根据这个理论,一小片宇宙可能突然膨胀、“发芽”,萌生一个“女孩”宇宙或“男孩”宇宙,这些宇宙又可能萌生另一个婴宇宙,如此不断进行下去。想象吹一个肥皂泡到空中。如果我们使劲吹,我们看到有些肥皂泡分成两半,产生新的肥皂泡。宇宙可能会以相同的方式不断产生新的宇宙。如果这是真的,我们可能生活在这样一个宇宙的海洋上,每个宇宙像一个漂浮在其他肥皂泡的海洋上的一个肥皂泡。事实上,比“宇宙”更确切的词应该是“多元宇宙”或“巨型宇宙”。

林德(Linde)将这一理论叫做永恒的、自我再生的膨胀,或“无次序的膨胀”,因为他预想的是一个绝无终止的平行宇宙连续膨胀的过程。首次提出膨胀理论的艾伦·古思(Alan Guth)说:“膨胀理论几乎是强迫我们接受多元宇宙的思想。”

这一理论也意味着,我们的宇宙可能在某个时候萌生了它自己的一个婴宇宙。也许我们自己的宇宙也是从更古老、更早期的宇宙萌生出来的。

马丁·里斯(Martin Rees)是大英帝国皇家学院的天文学家,他说:“我们通常所说的‘宇宙’可能只是全体成员中的一员。可能存在不计其数的规律不同的其他宇宙。我们所在的宇宙属于与众不同的子集,在这个宇宙中允许复杂的事物和意识得以发展。”

越来越多的理论证据支持多元宇宙的存在,在多元宇宙中,整个宇宙不断萌生其他的宇宙。如果这是真的,它将统一两种重大的宗教神学,“创始”和“涅槃”。在无始无终的“涅槃”的织构中“创始”不断发生。

所有这些关于多元宇宙主题的研究活动让人们开始思索,这些其他的宇宙看起来会是什么样子?是不是也有生命?是不是最终有可能与他们取得联系?加利福尼亚工学院、麻省理工学院、普林斯顿大学和其他研究中心的科学家已经进行了计算,以确定进入平行宇宙是不是符合物理学的规律。

M理论和11维空间

科学家曾以怀疑的眼光审视平行宇宙这一思想,因为它太神秘、太夸张和太离奇了。任何敢于研究平行宇宙的科学家都会受到嘲笑和伤害他的事业生涯,因为即便是现在也没有实验证据证明它的存在。

但是,近年来潮流急剧改变,本星球杰出的思想家都在极为兴奋地探讨这一课题。这种突然的转变是由于一个新的理论,“弦理论”的出现,它的最新版本叫做“M理论”。该理论让我们不仅有可能揭示多元宇宙的性质,还让我们能“解读上帝的心思”,正如爱因斯坦曾经雄辩地指出的那样。如果这一理论证明是正确的,这将代表过去2000年自希腊人首先开始探索单一的、一致的和全面的宇宙理论以来的物理学研究的最高成就。

关于弦理论和M理论所发表的论文的数量是惊人的,有几万篇。关于这个课题举办了几百次国际会议。世界上每一个主要的大学或有一个小组在研究弦理论,或拼命地想认识它。尽管此理论不能用我们今天的薄弱的仪器来检测,它仍然激发了物理学家、数学家、经验主义者的极大兴趣。他们希望能在将来利用外层空间强大的重力波检测器和巨大的原子对撞机检测此理论的正确性。

最终,此理论可能回答自大爆炸理论提出以来一直困扰宇宙学家的问题:在大爆炸之前发生了什么?

这要求我们运用物理学知识的全部力量,运用几个世纪以来所积累的每一个物理发现。换句话说,我们需要一个“万物的理论”,一个包括驱动宇宙的各种物理力的理论。爱因斯坦花费了他生命的最后30年追寻这种理论,但他最终未能成功。

目前,能够解释控制宇宙力多样性的最重要的(和唯一的)理论是弦理论,或者它的最近的化身M理论。(M代表“膜”,也包含“神秘”、“魔法”甚至“母亲”的意思。尽管弦理论和M理论基本上是相同的,但M理论是一个更神秘的、更完善的、统一各种弦理论的框架。)

自古希腊以来,哲学家就已推测:最终组成大块物质的可能是微小的叫做原子的粒子。今天,用我们强大的原子对撞机和粒子加速器,我们已经能够将原子分裂为电子和原子核,原子核又可分裂为更小的亚原子粒子。但是我们找不到一个优雅的、简单的框架,从加速器发现的是几百个亚原子粒子,名字也很奇怪,如:中微子、夸克、介子、轻子、强子、胶子、W玻色子,等等。很难相信,大自然在它最基本的层次上会产生这么多令人糊涂的奇异的亚原子粒子群。

弦理论和M理论是根据一个简单的和美妙的思想,即构成宇宙的让人困惑的各种亚原子粒子类似于可以在小提琴琴弦上演奏的音调,或在鼓膜上演奏的鼓点。(“弦”和“膜”不是普通的弦和膜,它们存在于第10维和第11维超空间。)

传统上,物理学家把电子看做是无限小的点粒子。这意味着物理学家不得不为他们发现的几百种亚原子的每一个引进不同的点粒子,结果造成十分混乱的局面。但是根据弦理论,如果我们有一个超级显微镜能够探测到一个电子的心脏,我们将会看到它根本不是点粒子,而是一个很小的振动的弦。只是因为我们的仪器太粗糙,它才看上去是一个点粒子。

这些很小的弦依次以不同的频率振动和共鸣。如果我们拨动这个振动的弦,那么它就会改变模式,变成另一个亚原子粒子,如夸克粒子。再把它拨动,它又将转变成中微子。用这种方式,我们可以将众多的亚原子粒子解释为不是别的,而是弦的不同的音调。我们现在可以将实验室看到的几百个亚原子用一个单一的弦这个物体来代替。

用这个新的词汇,经过几千年的试验仔细构造的物理学定律不是别的,只是人们为弦和膜书写的协调规律。化学定律是人们可以在这些弦上演奏的悦耳音调。宇宙是弦的交响曲。爱因斯坦意味深长地所谱写的有关“上帝的心思”是整个超空间的宇宙音乐共鸣。(这又产生了另一个问题:如果宇宙是弦的交响曲,那么有作曲家吗?我在后面的第12章讨论这个问题。)

音乐类比

音乐符号

小提琴弦

音调

协调规律

悦耳的音调

宇宙

“上帝的心思”

作曲家弦的对照物

数学

超弦

亚原子粒子

物理

化学

弦的交响曲

整个超空间的音乐共鸣

宇宙的终结

WMAP不仅让我们更精确地看到早期的宇宙,它也给出我们的宇宙将如何死亡的最详细的图片。正如神秘的反重力在创世之初将星系推开一样,这同一个反重力正将宇宙推向它的最终命运。以前,天文学家认为宇宙的膨胀正逐渐减慢。现在,我们认识到,宇宙的膨胀是加速的,星系正以不断增加的速度飞快地离开我们。构成宇宙物质和能量73%的同一个暗能量正在加速宇宙的膨胀,以日益增加的速度将星系推开。空间望远镜研究所的亚当·里斯(Adam Riess)说:“宇宙就像一个见到红灯减慢速度的驾驶员,当红灯变成绿灯时踩油门加速前进。”

除非有什么意外的事情发生使这个膨胀过程逆转,在1500亿年内我们的银河系将变成一个孤岛,99.99999%的银河系附近的星系将跑到可见宇宙的边缘之外。夜晚天空中熟悉的星系将跑到离开我们如此遥远的地方,以致它们的光线永远也不能到达我们。这些星系本身不会消失,但它们离得太远,我们的望远镜不能再看到它们。尽管可见宇宙包含大约1000亿个星系,但在1500亿年后仅能见到局部超星系团中的几千个星系。在更加遥远的将来,只有由36个星系组成的我们的本地星群构成整个可见的宇宙,几十亿个星系将漂出地平线的边缘之外。(这是因为本地星群的重力足以克服膨胀力。反过来说,当遥远的星系离开视野,生活在这个黑暗世纪的任何天文学家可能根本检测不到宇宙的膨胀,因为本地星系群内部不膨胀。在遥远的未来,第一次分析夜晚天空的天文学家可能认识不到有任何膨胀,于是得出结论说:宇宙是静态的,仅由36个星系构成。)

如果这个反重力继续下去,宇宙将最终死亡,形成大冻结。由于深层空间的温度趋于绝对零度,分子本身都很难运动,宇宙中的所有智能生命将最终被冻死。在几万亿的几万亿年之后,星星将不再发光,它们的核火因燃料耗尽而熄灭,夜晚的天空将永远是漆黑一片。宇宙膨胀留下来的仅仅是由矮星、中子星和黑洞构成的寒冷的、死亡的宇宙。更远更远的将来,黑洞本身也将蒸发掉它们的能量,留下一个无生气的由漂浮基本粒子颗粒构成的寒冷的雾。在这样一个荒凉的寒冷的宇宙中,任何可以想象的生命形式实际上都是不可能的。在这样一个冻结的环境中,热力学的铁的定律不允许有任何信息传递,所有的生命必然灭绝。

在18世纪就有人开始认识到宇宙最终将可能冰冻而死。查尔斯·达尔文(Charles Darwin)在评论物理学定律似乎注定了所有智能生命必将灭亡这一令人沮丧的结局时写道:“我相信在遥远将来的人类比起现在将是更加完善的生物,一想到人类和所有其他有知觉的生物在这个长期持续的缓慢过程中注定要完全灭绝,让人不能忍受。”不幸的是,从WMAP卫星得到的最新数据似乎证实了达尔文的担忧。

逃往超级空间

物理定律决定了宇宙间的智能生命将注定面临死亡。但是也有进化定律,当环境改变时生命可以适应环境而生存下去,或者死亡。因为生命不可能适应因冻结而死亡的宇宙,因此为了避免死亡唯一的选择是离开我们这个宇宙。当宇宙面临最终死亡的时候,几万亿年后的文明是不是有可能具备了必要的技术,乘坐空间“生命之船”离开我们的宇宙,漂向另一个更年轻、更温暖的宇宙呢?或者是不是他们能够利用超级技术构建“时间弯曲”,返回到过去他们自己的那个更温暖的年代呢?

另一个极端的构思是:有些物理学家提出了一些似乎可信的计划,利用可利用的最先进的物理学,提供最现实的空间入口或通往另一个宇宙的通路。当物理学家计算是不是人们可能利用“外来的能量”和黑洞找到通往另一个宇宙的通道时,全世界物理实验室的黑板上充满了抽象的方程。几百万年到几十亿年以后的文明是不是能在技术上开发出已知的进入另一个宇宙的物理定律呢?

剑桥大学的宇宙学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawkin)曾俏皮地说:“虫洞,如果存在的话,会是快速空间旅行的理想通道。你可以穿过虫洞到星系的另一侧,然后赶回来吃午餐。”

如果“虫洞”和“空间入口”尺寸太小,无法让大批的人离开我们的宇宙,那么还有另一个选择:将高级智能文明的总信息量缩减到分子级别,让它们通过通道,然后在另一端重新自我装配。用这种方式,整个文明可以将它的种子通过空间通道,然后重建它的光辉。超空间不是理论物理学家手中的玩物,在宇宙面临死亡时,它是拯救智能生命的最终途径。

但是要完全理解这些内容的含义,我们必须首先了解宇宙学家和物理学家是怎样经过千辛万苦才得到这些令人吃惊的结论的。在《平行宇宙》这本书中,我们将审阅宇宙学的历史,几个世纪以来在这个领域所产生的矛盾,最后阐述与所有实验数据相符合的膨胀理论,以及我们不得不接受的多重宇宙的概念。