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第七部分 邁向已知世界之外的第一步 第4章一片尚未被探索的現實

正如你現在所知道的,我們整個可見宇宙是一個半徑為一百三十八光年的球體。在這麼巨大的尺度上,我們所注意到的第一個圖景是沐浴在氣體與暗物質,以及更本質的各種量子場之中的巨大纖維狀星系群。在那麼遠的地方我們無法直接看到它們,但它們能被感受到。它們是構成我們可見宇宙的物質。它們是希格斯場,希格斯場讓所有能夠擁有質量的東西擁有了質量。它們是暴脹場或者說暗能量,抵消了引力的作用,讓宇宙膨脹發生得越來越快。

還有引力本身,將所有一切都拉得與其他一切更近。

你就在外面,看著這一切,現在你開始放大。

現在你已經能夠看到星系,以及它們所包含的幾千億顆恆星。在它們的中心,質量巨大的黑洞噴射出你所能看到的最高能量的光線與質量。你看到了暗物質的存在。你看到這些暗物質防止了星系因自身的轉動而將自己撕得四分五裂。

繼續放大。

現在你已到達了恆星的尺度,那些巨大的火球包含著熾熱的等離子體,發射出光芒,我們人類就是依靠這種光芒來探索遙遠的宇宙。

接下來看到的是行星,這些球狀世界體積過於渺小,無法成為恆星。

比行星更小的是小行星、彗星以及我們星球上一百公里厚的大氣層之下所存在的各種生命。

然後是微生物、細胞、分子、原子、電子與光子、質子與中子、夸克與膠子。

再放大。

你已回到了量子場的世界。

在這裡,引力已被各種量子作用力所蓋過。

你接著放大,然後停了下來。

你還記得量子場的問題出在哪裡嗎?你還記得重正化——那個被量子理論物理學家用來消除糾纏他們的無窮大的戲法嗎?你還記得以看待量子場的方式看待引力所帶來的完全失敗嗎(因為那個在量子場的例子裡大獲成功的手法在這裡無論如何都無法消除無窮大,因此令時空在任何一點都發生崩塌)?我們現在需要找出一種方法來消除這個無窮大。在這一幕的背後,你將看到我在上一章結尾處提起的那扇通往一個巨大全新現實的窗戶。你現在很快就要穿過這扇窗戶了。但首先我們需要去除這些討厭的無窮大。

我們應該如何完成這個任務呢?讓我們來看看,對於時空我們到底瞭解些什麼。我們知道二十一世紀初對它的描述有著自己的極限。在非常大的世界裡,這個極限發生在大爆炸之前的某處,在暴脹期之外,宇宙處於普朗克時期的地方。就空間和時間來說,這個極限位於我們現在所在的一百三十八億光年之外。

在非常微小的世界裡面,同樣的極限依舊存在。發生在所有地方。

對著任何東西不停放大,或早或晚,你會到達普朗克尺度。

除非有什麼東西阻止你到達那裡。

因為霍金對於黑洞的研究,我們已經知道就算引力也無法逃脫量子效應,這種量子引力的確存在,雖然我們尚未瞭解在它統治的世界裡這到底意味著什麼。

在非常巨大的尺度與非常微小的尺度上,都存在著我們探索的極限,這個極限來自普朗克尺度。

在實驗室中,有任何實驗曾經到達過這種大小、能量或時間極限嗎?

沒有。至今一個都沒有。那個極限實在太微小、實在太高能、實在太高速了。直到今天,這不僅是理論上的極限,更糟糕的是,這同時還是實際上的極限,因為沒有人事實上能到達這個極限。

為什麼?

因為在這過程中會產生一個普朗克尺度微小的黑洞,我在本書上一部分的最後已經提到過。為了探索黑洞之外的現實,我們需要輸入更多能量,更多波長越來越窄的光,希望從中反射回來什麼東西進入我們的眼睛,向我們揭示它所隱藏的秘密,但這不會發生。黑洞將會吞噬這些光,讓自己變得更大,將量子引力隱藏得更深。換句話說,按現代知識和技術,普朗克尺度之外的世界是無法探測的。

那我們還有什麼可做的?

我們可以試圖變得更聰明一些。

比如,我們可以假設任何東西都無法阻止量子引力(或其他什麼新的物理學)在到達普朗克尺度之前一直發揮作用。

我們有最現代最強大的粒子加速器,對天空觀察能加以最好的利用,理論物理學家們頗有信心地說,從最宏大的尺度到最微小的尺度,他們已經瞭解了自然界。在那裡,所有的量子場都融合成一個,那是一個大統一場的尺度。到達這個尺度所需要的能量大概是普朗克能量的百分之一。顯然,這依然是一個很大的能量。它所對應的溫度大約是十萬億億億度。但它並不是普朗克極限。

現在,你大概依然記得能量與體積是相關的:波的能量越高,相鄰兩個波峰之間的距離就越短。因此,普朗克能量的百分之一的確對應於一個很微小的世界,只是普朗克長度的一百倍。

這就意味著我們現在有一個尚未被認識的現實世界,它的尺度是從一百個普朗克長度到一個普朗克長度之間。

從實驗上說,沒有人知道在那裡會有什麼發生。

當理論物理學家面對實驗空白時,我們不妨這樣想像一下他的感受:假如你的視力只有一米的分辨率,想像一下你看到的這個世界會是什麼樣子。

通常情況下,你能以相當高的分辨率觀察世界,你可以看到比人類頭髮絲還細很多的物體,但現在你卻無法分辨任何尺寸小於一米的物體。你在觀察周圍環境時將無法看到任何細節。你甚至無法看到身邊的嬰兒。直到孩子們長到一米高,他們才突然出現在你面前……

我並沒有說可能有某個嬰兒身高不足一百個普朗克長度,但我們的確無法知道自然會把什麼東西隱藏在那個尺度裡。而且我們的現實正根植於非常微小世界的某個地方。因為這是構建我們世界的本質所在,也是構建我們自己的本質所在。因為至今沒有實驗探索到這個尺度,很可能在到達普朗克尺度之前,那裡的時間與空間就開始與我們日常所感知的時間與空間產生不同。同樣可能的是,正因為如此,引力、物質和光的本質在那裡就已發生變化,甚至是非常巨大的變化。

比如,很可能它們都融合成一個概念。

到現在為止,你看到的大多是已知的知識。

然後,你看到了這些已知的知識所產生的問題。

你現在將要遠遠地超越這些已知。

我們將假設這些都是真實的,這樣你才能穿越這個旅程,但你要記住,接下來的這一切都還只是純理論。

這依然是我們這個時代一些最聰明的人通過幾十年的努力所帶給你的圖景。

  1. 二一五年六月,位於日內瓦附近的大型強子對撞機達到的能量刷新了所有的紀錄,讓我們的認知幾乎提高了一倍。但我們還得等上一兩年,才有可能確認是不是真的有突破。​​​​​