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第七部分 邁向已知世界之外的第一步 第3章宇宙無疆

暴脹期發生在大爆炸之前。

在永久暴脹理論裡,無窮多個宇宙曾經、正在並且將要形成,從過去到未來,一直如此,我們所在的宇宙只是碰巧成為我們的宇宙。現在,就讓我們只考慮一個宇宙,只有一個「開端」(不管這個開端所指的到底是什麼意思),只考慮一個暴脹期。

讓我們回溯時間,從大爆炸開始。

那就是大爆炸:彭!

在此之前是暴脹。從後往前看,它是一種急劇的塌縮。

接下來,我們撞到了一個難題。

普朗克牆,或者普朗克時期,空間與時間不再具有意義的時刻與位置。

普朗克牆位於最後臨界散射面大約三十八萬年前的位置,如果我們能夠這樣猜測的話,我們把這個時間稱為一個普朗克時間,在此之後我們可以定義為時間的零起點。但我們沒法那麼猜,我們沒辦法從我們自己的宇宙中到達時間的零起點。我們沒法討論一個時間尚未存在時的時間或地點。

對於普朗克時期「之前」與「之外」的討論是沒有意義的。我們真的需要量子引力學的幫助,我們需要用那些我們尚未知曉的新概念將時間與空間以某種量子取代。這是一個艱難的任務,類似於尋找我們自身現實存在的初始條件。雖然困難,但不是不可能。史蒂芬·霍金在大約三十年前試圖著手解決的就是這個問題。他是這麼做的第一人。下面就是他所做的工作。

設想一個宇宙,處於非常年輕的狀態,非常微小的你身處其中。在這個宇宙中,時間與空間剛剛開始具有意義。它還非常微小,比普朗克尺度大一些,但沒大多少。你就在這個宇宙之中,你也非常微小。

你幾乎什麼都看不到。

任何發生在比普朗克長度還要小的尺度範圍內的事物都處於時間和空間之外,因此也隱藏在你的視線之外。

你就在那裡,微小再微小,身處一個無比年輕的宇宙,並且兩眼一抹黑……但是等等……這是不是有點像以前你曾經遇到過的情境?

當你造訪量子世界時,你不是切換到了瑜伽模式,閉上雙眼,目的是不與任何東西產生互動,然後瞭解到了隱藏在你視力之外的事物嗎?在探測原子的內部,猜想那裡發生什麼情況時,你確實必須進入你的瑜伽模式。

為了理解你所發現的東西,你懂得了在量子世界,無論是大自然還是自然界裡的一隻貓,只要不去加以觀察,就同時存在著所有的量子可能性。

但這次,情況更不同。

隱藏起來或者不可見的不是貓或某個粒子,而是我們整個宇宙的過去,它被一道牆所隱藏,這道牆標記了我們所理解的時間與空間的誕生。這道牆——普朗克牆,現在將你緊緊包圍,在它之外,你無法去感知。

按照量子規則,普朗克牆因此隱藏著所有量子可能性的重疊。

什麼的可能性?你可能會疑惑。

對,關於過去的可能性。

這個年輕的宇宙整個兒被隱藏在普朗克牆之外無法被看到,因此這個宇宙本身就必須遵循量子世界的一條基本原則:只要沒有人觀察,所有的可能性都會——也的確——發生。

霍金將這個規則運用到處於非常早期的宇宙上。

但他無法以我們所熟悉並日常利用時間的方式來使用時間。沒有人能夠在普朗克尺度之外使用時間。所以,他將時間轉化為另一種東西,一種更能操控的概念,稱為「假想時間」。利用這個概念,他又考慮了宇宙所有可能的各種歷史,所有我們無法從宇宙內部觀察到的宇宙歷史。

他是在二十世紀八十年代想到這個方法的。

他想出了一種應對量子黑洞的辦法。他知道那些黑洞是灰色的,它們輻射出粒子。他知道量子引力一定存在。而他的思維現在已經超越到了大爆炸之後。

霍金與他的同事,來自美國加州大學聖塔芭芭拉分校的美國理論物理學家詹姆斯·哈妥(James Hartle)一起,寫下一個方程式,永遠改變了宇宙在人類頭腦中的圖像,至少我確信如此。

霍金與哈妥假設,引導我們現在這個宇宙出現之前的所有宇宙都是從「無」(真正的空,數學上的「無」)中形成的,這一切都發生在某個有限的假想時間之前。

他們考慮了具有那個性質的所有宇宙。

他們觀察它們。

有好多。

然後他們將量子世界的基本原則置於這些宇宙之上:並非挑出其中的一個讓它隨後演化出我們現在的現實,而是將它們全部放入模型。寫在紙上,這意味著他們用「加號」將這些宇宙加到一起,他們認為這些宇宙之和就是我們所在的宇宙被外部看到的樣子——如果有人能夠從外面,也就是在普朗克牆之外看的話。他們的數學方程式今天被稱為哈妥-霍金宇宙波函數,它的初始條件,就是那個認為所有應該被考慮到的可能宇宙就是那些無中生有出現的所有宇宙的假設,被稱為「無邊界猜想」。

作為一個年輕的宇宙,我們的宇宙,及其所有可能狀態,在他們的眼中,沒有開端。

然後它演變成了我們的宇宙,在有限的假想時間之後,當時間和空間開始有了意義之時。

這究竟意味著什麼在這裡並不重要。

瘋狂的是他們做到了。

他們寫出了整個宇宙在數學上的初始條件。他們從數學上解決了我們的宇宙如何從一無所有中出現。

現在讓我小心謹慎地潑一些涼水:這並不代表故事的結束。不幸的是,在哈妥與霍金所創建的數學框架中進行任何計算幾乎都十分困難(如果不說不可能的話)。

儘管如此,憑借寫出這些方程式,他們已然成為人類歷史上給出數學方程式以描述我們宇宙的現實存在的起源及隨後演化的第一人。

人類歷史上一個了不起的里程碑。

人類在試圖揭示自然規律的道路上已經走了幾千年。

我們對於這些規律的認知從那時到現在已經有了很大的變化和提高。

一百年前,愛因斯坦提出了思考引力的一個新視角,我們知道不僅在我們腳下挖掘地球的考古工作能告訴我們歷史,觀察星空也一樣能找出我們宇宙的過去。幾乎就在同樣的時期,許多科學家開始發現那些不可思議的量子理論統治著我們的微觀世界。

然後,三十年前,藉著自己發現的黑洞蒸發理論的鼓舞,霍金和哈妥又大膽地猜想並提出了描述所有一切起源的數學方程式。

或許,未來會證明他們的洞見有著深層的錯誤,當然,對於所有超前於實驗的理論,實驗最終都會給出它的局限,但這並不重要。重要的是,關於我們宇宙起源的問題進入了一個全新的時代,在這個時代中,這個問題至少能夠通過數學物理的方式來探討研究。

然而,霍金關於利用不同的(假想的)時間來考慮所有可能宇宙的想法並非憑空產生。它來自二十世紀一些最聰明的頭腦之中,例如保羅·狄拉克和理查德·費曼,是他們提出了開創性的想法,並在此之上建立了我們整個現代量子場理論。

這個場景下的可見宇宙依然是一個半徑大約為一百三十八億光年的球體。它也是我們可以觀測到的最大範圍。而且,再一次,仔細想來非常有趣,當我們收集來自外太空的光線與信號,當這些光來自越來越遠、越來越大的空間之外時,我們所看到的不僅是很久以前,更是宇宙很小體積的時候。

我們的祖先們並不知道這些。

你馬上也會看到,相反的一面也同樣正確。

你現在將要再次出發去非常小的世界,但這次你將比以前走得更遠。在那裡,你將發現一扇通往全新現實的窗戶,那是一個比你能夠想像的大得多的現實世界。比那些永久暴脹所產生的泡泡外的泡泡外的泡泡還大。

在宏大之中,你找到了微小。

在微小之中,現在你將找到宏大。

但你要去哪裡尋找?

  1. 如果你已經忘記,但願意再聽一遍的話,普朗克時間不是很長:一百億億億億億分之一秒。​​​​​