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第六部分 意料之外的謎團 第1章宇宙

當你仔細想想時,就會發現我們所屬的宇宙有一些特別之處。它的名字(宇宙的英語單詞是universe),其中uni和verse分別代表「一」和「成為」的意思,所以它的名字基本上可被理解為「成為一個」,含蓄地表達出它所帶來的一個大問題。

任何一個在我們宇宙中進行的實驗都能多次重複。你想在地球上確認牛頓的引力定律?射一支箭吧。你不能確信自己做對了?再射一支。一遍遍重複吧。只要有耐心,你就能發現只要有了它的初始位置、角度和速度,你就能預言箭會落在何處。這就是彈道學的根本。它的確管用。要不是這樣,弓與箭早就不存在了,英國就會變成法國。

因此,有了規則和初始條件,你就能夠——並且已經被證明了——預言箭落下的地方,並且保衛國家。

但對於作為一個整體的宇宙來說,好像難了一點點。

就算你已經有了能夠解釋一切並普遍適用的規則,又能怎麼用它?我們怎麼能夠預測我們的宇宙是如何演化成今天這個樣子的?你需要一個初始條件,但是你沒有。

不過你可以試圖比自然更聰明。從今天開始,沿著時間回溯,你或許能夠找到發生在很久以前的初始事件。這就是科學家們已經在做的,也是你在本書第五部分中所經歷的。他們到達了普朗克牆,與你一樣。這是一個相當不錯的開端,因為它對應於空間及時間成為我們現在所熟悉概念的開始。

但那些仍然不足以去除那個讓人沮喪的事實:與你的射箭實驗不同,你只有一個宇宙,你無法使用不同的初始條件去另建一個,驗證它的結果是否符合你的理論。至少,不能在實驗室裡那麼做。

但如果我們這個宇宙並不是唯一的呢?如果我們只是另一種多宇宙中的一部分,不同於你在第二部分結尾時所看到的那種呢?我們的現實有沒有可能只是無數種可能性中的一種,每一種可能性都有著不同的開端,甚至不同的規則,因此有著非常不同的現在?

你很快就會面對這種多宇宙的想法,因為你在本書這一部分的探索將會遇見各種謎團,而多宇宙是現代理論物理學家們想出來試圖解決這些謎團的一部分答案。

事實上,本書的這一部分會與前面幾個部分有所不同。在第一和第二部分,你在非常大的尺度上旅行,學習引力。在第三和第四部分,你看到了在以高速運動及很小尺度上觀察我們的宇宙所表現出來的樣貌。簡短地說,直到現在,你探索了關於時間與空間的相對性,以及量子物理學。但直到現在,你還從未將引力與量子理論混合在一起。這就是你將要在這裡完成的體驗。

要達成這個目標,你需要鍛煉一下你的思維,就像你通過拉伸鍛煉你的身體一樣。

將引力與量子物理學混合起來,意味著你將極大的與極小的世界相混合。因此,你需要準備好,你的大腦將學會從非常小的世界跳到非常大的世界,然後再跳回微小世界,反反覆覆。

在這個過程中,你會看到你至今為止所見過的理論在哪裡出了錯。

當這結束之後,你會與你的機器人導遊到一個引力與量子效應同時存在的地方去。

現在,就讓我們一起去看看現代科學的謎團吧。

你可以認為物理學中有三種謎團。

第一種來自理論內在本身;它們是理論性的。第二種根植於觀察與實驗,它們在通常情況下——但也並非一直如此——是推動研究發展的力量。第三種謎團出現在沒有人能夠再理解任何東西的時候。黑洞與時空誕生前的物理學就同時屬於這三種謎團。它們既是橋樑,又是障礙,存在於我們與現代研究的聖盃之間:一個能夠統一量子世界和愛因斯坦想出來的時空特性的理論。這就是為什麼這兩個問題令科學家們興奮的原因。

這也是為什麼那台計算機迫不及待地想帶你去黑洞的原因。

但為什麼是黑洞?為什麼不是宇宙源頭本身?

因為在黑洞與宇宙源頭這兩個例子中都牽涉到巨大的能量被禁錮在很小的空間中,而且這兩個例子中都有將非常大的尺度縮小到非常小的尺度的情形,引力和量子效應都不能忽略。

從某種意義上說,黑洞與我們宇宙的起源看上去非常相似。

我們顯然無法從外面觀察宇宙。在實驗上,就算我們有了統治所有一切的規則,不管能不能從外面看,我們也無法驗證不同的初始條件會不會給我們整個宇宙帶來不同的演化模式。我們無法在實驗室中實現大爆炸,也無法看見新的宇宙出現在夜空裡供我們分析。

這就是為什麼黑洞變得有用。

首先,有許多黑洞。在宇宙中隨便選一個星系,很可能在星系中心就有一個超級黑洞。除此之外,還有許多小一些的黑洞,質量只幾倍於我們的恆星,分佈在宇宙的各個地方。到二一五年為止,我們所探測到的最大黑洞質量是太陽的二百三十億倍。它位於大約一百二十億光年之外,當這些今天被我們捕捉到的光離開那裡時,它還是一個相當年輕的星系。而在大小尺度的另一個極端,理論上最小的黑洞可以是任何大小,小到所謂「普朗克尺度」,在這個尺度上,引力效應與量子效應同時出現。普朗克尺度用數字表示,大約相當於一毫米的十億億億億分之十六,這個數字如此之小,實際上就意味著任何大小的黑洞都可能存在。

回到我們剛才討論的要點,黑洞和宇宙的最早時期有著共同的重要特性。它們都有一個極限,在這個極限之外,引力只有在考慮了量子效應之後才能適用。這個極限就是普朗克牆,就是你在本書上一部分的最後階段逆著時間旅行到達並越過大爆炸之後所遇到的那道牆——在宇宙誕生時,這道牆遮住了所有。對於黑洞,它通常隱藏在視線之外,在那扇只能單向通過的門——地平線——之後:你將在這一部分的最後階段穿越那個地平線。

那個旅程將是帶你進入本書第七部分的關鍵,在那裡,你將開始你的終極之旅:你將穿越最被廣為接受的現代理論中所描述的宇宙,試圖統一空間、時間和量子場,解釋所有一切。但是這些被稱為「弦理論」的理論非常瘋狂,引入了多宇宙、平行宇宙、多維空間和更多概念,讓你開始相信科學家們都已經發了瘋,失去理智。

如果不是看在他們解決這些謎團的份上,他們真的是瘋了。

不管怎麼說,你都已經讀到這一頁了,你或許會發現這難以置信,二十世紀的物理學遠遠沒有完成瞭解所有一切的任務,它留給我們的宇宙圖像的大部分地方都是深奧且黑暗的未知。這並不應該讓你失望。這些未知是明天科學(模糊的)窗口:你我私下說說,在過去不到一個世紀的時間裡,看到人類對所有事物的知識的突飛猛進,看到今天在理論物理學家們的腦袋中還不停地冒出來奇奇怪怪的想法,你就幾乎能夠確信更多革命性的想法尚未出現。其中一些說不定已經成熟,正等待著盛開,只是缺乏恰當的實驗驗證,有一天,它們將用奇怪魔幻的新現實來重塑我們對世界的認知。

現在,這就是將要發生在你身上的事。

首先,你將再瞧一眼那充滿我們整個宇宙的量子場,你會看到儘管有著那麼多我已經告訴你的東西,但它們還是絕對沒有道理。然後,你會再次回顧這些量子場所產生的粒子,在量子引力的範疇裡你會看到它們還是不合理。然後,你會遇見一隻貓,它既是死的,卻又活著,你會——如果你還繼續跟著我的話——不再能夠理解任何事情。

在你成功地經受了這些考驗之後,你將聽到從我們宇宙中不斷分叉出來的平行宇宙,就像樹上的分枝一樣。

與我們的常識對這個世界的認知相比,量子世界的認知就如天方夜譚,在你充分認識到這一點之後,你會進入略微熟悉的領域,期待最終能夠在分隔開微小世界與巨大世界的鴻溝上建起橋樑,你會再次面對大場面,重新審視愛因斯坦的廣義相對論、我們宇宙中的星系以及宇宙膨脹,希望發現它們的重新定義能夠令人放心。有趣的是,結果是否定的。你會看到我們宇宙中占比居多的東西既不能被望遠鏡探測到,而且還未被瞭解。不管怎麼看,大尺度上的宇宙依然充滿了謎團,與微觀世界一樣。

不管你是不是願意,最後你都得接受這個事實,儘管愛因斯坦的時空彎曲理論曾經非常強大,將來也永遠如此,但它還是不夠完整,甚至預言了它自身的崩塌,因此不可能是那種能夠解釋所有一切的理論。我們的宇宙中有一些地方它無法適用。這意味著如果我們想要解釋一切,就需要尋找一個更宏大的理論。

它在哪裡崩塌的呢?

你大概已經猜到了:在黑洞裡和大爆炸之前,通向普朗克牆路上的某處。

到目前為止,你已經遊歷了人類為描述我們周圍世界所構建的最好模型。實際上,你對我們宇宙的瞭解已經和就讀於地球上最好的大學的優秀研究生一樣多。顯然,這只是理論和想法,技術細節除外。不過這已足以讓你在任何晚餐聚會上熠熠生輝了。

現在到了讓你更進一步的時候,去看看有哪些東西不對頭,這樣你不僅能維持自己的光輝形象,還能讓你的朋友們抓破頭皮都無法想像。