主题:我们的平凡宇宙

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标准大爆炸论描述了我们的宇宙,从核物质密度的状态中爆发出来,以后一
直在膨胀。若我们把这个膨胀倒退回去,随着时间的后退,追踪宇宙的演化,那
么,约在150 亿年前,所有的一切皆必集于一个单一的、无限密实的点上,数学
上称之奇点。宇宙学家把这一创生瞬间搁在一边,而来考虑宇宙如何从超密态中
演化出来。
科学上的一个伟大成就,是对奇点后 1秒钟以来,所发生的一切作出描述,
这一瞬间前宇宙处于无限密实和高温状态,是现代物理学所无能为力的。此时的
密度和温度,已分别下降了;标准模型解释了25% 的原始氢,如何从大爆炸中转
变成氦,为何宇宙弥漫着温度在3K之下的微波辐射以及其他一些问题。但标准模
型无法解释创生本身——一个极密极热的宇宙,如何在 1秒的岁数上创生出来。
在探索这一奥秘中,理论家考虑到这种可能性:我们的宇宙,只不过是无数宇宙
中的一个。这一思想和黑暴胀概念相关。标准模型难以解释宇宙中的平滑性和均
匀性,而暴胀说却迎刃而解。暴胀开始于一个瞬间,当时整个宇宙只有一颗基本
粒的大小,由于短暂的量子起伏能无限扩大,从而出现了按指数性急剧膨胀的暴
胀,它为从无(真空)中生有(宇宙)提供了一条途径,这听上去像神话,但量子论
的测不准原理确实导致了这种结果。
该原理说,在微观世界,我们能精确地测定一粒子(如电子)的位置,但却以
测不准其动量为代价,反之亦然。这相当于说,我们了解一辆汽车的速度,可是
却无法确定它在那里?这并非荒谬?(幸亏这仅发生于粒子世界)量子说的奠基人海
森堡说,这个“测不准”并非测量技术的问题,这是一条自然法则。我们把诸如
位置动量这样的,显现量子行为的一对物理量,称为共轭变量,能量和时间组成
另一对共轭变量。
量子论精确地定义能量(E)和时间(T)之间的关系,据此,能量可在微小的真
空空间中出现,只要它能很快消失,以致没有时间来觉察这一过程。这就延伸出
一个重要的结论,因据爱氏的相对论,质量(m)和能量(E)是等价的。故测不准原
理认为,在微小空间中,能出现物质,只要它很快消失。例如,现在人们知道,
电子和正电子从真空中暴出存活极短的间隙而相互湮灭。此般粒子称为云粒子,
它们的存在,解释了带电粒子间的电磁力作用。若无云粒子,理论跟观察就不吻
合,在此意义上,云粒子可视为“真实”。
真空中的量子起伏是一个量子水平上的事件,它怎么能暴出含有如此大量物
质(质量)的宇宙呢 ?理论家说,引力场中含有能量,若以物质(也即能量)所表示
的能量为正,则引力能为负,宇宙总的引力能与其总的质量能必相等,故宇宙的
净能为零。因此,所有一切皆通过量子起伏,从零无中涌出也就不奇怪了。
既然我们的宇宙(一个质能论)当真从零无中涌出,并经暴胀生成完整的宇宙,
那么类似的过程也可在其他空间出现吗? 是的,应该是那样。从测不准原理的观
点来看,在这时间的长河上,浮着无限的质能论,我们这个理论,只是其中之一,
遗憾的是,理论与理论之间无法互通信息!
多宇宙论无疑是现代宇宙学的一个进展,它兴起于80年代后期。在这一领域
中近来出了一位新秀——维仑金,他从宇宙学的业余爱好者,变成了宇宙学家,
他的观点使得像霍金(被誉为爱因斯坦第二)、古斯(暴胀论创立者)这样的人物,
都为之刮目相看。他提出了平凡原理。
我们宇宙是众多中的一个,现在要问,它为何具有这些特征,这里指的是一
些基本自然常数:光速、电子电荷、夸克质量等,它们形成物理学的基础,也用
以界定我们的宇宙。要知道,这些常数对恒星的形成,生命的产生,都是十分关
键且敏感的,也就是说,这些常数的值稍有变化,恒星不会形成,更谈不上你、
我、他的存在了,但在这里还未包括令理论家深感头痛的宇宙常数。
宇宙常数来得也蹊跷,当爱氏把广义相对论方程应用于宇宙学时,使他陷入
困境,因为物质的引力吸引,势必造成宇宙的塌缩,于是他在方程中添上一个带
正号(因引力能为负)的宇宙常数(表示斥力),以使宇宙保持平衡而处于静态( 这
是当时科学界的共识 ),但1927年哈勃发现了宇宙在膨胀,根本不需要这个人为
的斥力了。故爱氏把宇宙常数称为“我一生中最大的错误。”
半个多世纪以后,现代宇宙学家为宇宙常数平了反,它不但不多余,且地位
重要,其值的大小甚至可决定我们宇宙是否存在;它的含义已不再像过去那样模
糊,而是我们宇宙真空能量密度的一种量度。
一些物理学家计算出的宇宙常数值是一个大的正值,这将引起很大的反引力,
使宇宙膨胀达到碎裂的程度;一个大的负值,将使宇宙有一个奇怪的曲率,当你
从窗口朝外看时,竟可看到房子的内部,显然跟实际不符。
物理学家已认识到,期望值与观察值之间有个很大的距离,这说明有某种尚
未知晓的原因,正在使该常数值下降;若有某种因素使此常数从一个可疑的高值,
降到十分接近于零,那么此常数必为零。因在他们看来,零与一个小数相比,则
零更具有本质的意义。但是维仑金的想法却不然,他认为一个小数更可取。
如何解决这个问题,维氏借用了宇宙学中的“人择原理”。
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一些宇宙学家认为,地球并非处在宇宙中的一个典型地方;我们生活在一个
具有特殊性质的行星上,它围绕着一个稳定的恒星;同样特殊地,我们并非在任
意的时刻,而是在宇宙为复杂物质(人类)演化的条件时期去观察宇宙;我们所以
在这里,是因宇宙具有某种动力学特性,我们所以在此,是因为控制着宇宙的物
理定律和基本力具有某种特性,沿着这条思路,鲍罗和泰伯拉提出了人择宇宙学
原理。简而言之,正是人类的存在,才能解释宇宙的各种特性,否则,它是不可
思议的。用人择原理的眼光来看,许多宇宙学难题似乎变得容易解释了,但大多
数科学家认为,这个原理似乎有倒果为因的味道,太牵强了。维氏对此也并不推
崇,他说,“大多数物理学家跟它尽量保持距离,我也如此。”但他又认为,在
以多宇宙论作背景时,人择原理有了新的意义,至少可避免那种没有把握的、在
理论上乱兜圈子。其实任何事物都不能绝对化,适当地运用人择原理,也不乏成
功的例子,著名物理学家霍伊尔的预言就是如此,长时期来,科学家对恒星中如
何产生碳12,深感不解,而霍伊尔预言,碳12必有一个能级 (过去认为不可能有
此能级 ),其理由是“由于我们的存在”,因为碳12是包括人类在内的生命物质
的重要组成。在他预言的指导下,人们果真探测到了这个能级。
维氏认为,人择原理帮助我们缩小了(接近于零的)宇宙常数的范围。在大批
可能的宇宙中,理应有少数的宇宙有机会使其常数值允许生命的滋生,而其他的
大多数却无此机遇:有的引力太强,自我夭折了;有的引力太小,物质无法成团
而耗散掉;有的宇宙电力太小,原子难以粘合成分子;有的电力太强,使物质成
团得太紧,以致难以形成恒星,如此等等。而人择原理使我们可放弃任何不支持
生命的宇宙,也就是说,任何不适于生命的宇宙常数,皆不予考虑。在这种情况
下,“人择原理的考虑,是十分恰当了。”
著名物理学家温伯格(诺贝尔奖获得者)应用人择原理去解释此常数,他证明
(数学上),一个大的常数,不论它的正负,都将排除我们的存在,因为这将产生
势不可当的反引力,物质根本无法成团,形成星系或恒星;若是一负值,引力将
中止宇宙的膨胀而走向塌缩,而我们今天都活着,故常数的值一定是一个小数。
温伯格研究大量宇宙中存在我们这种宇宙(有生命)的可能性,他运用人择原
理缩小机遇的范围,就是不去考察所有可能宇宙中出现的机遇,而只考察那些支
持生命的机遇。他的研究思路无疑是正确的,但他走得不够远,他没有考虑有的
宇宙要比另一些宇宙酿造更多的文明;某些宇宙虽支持生命的存在,可能条件很
苛刻;有的则条件很宽容,涌现出许多适于生命存在的太阳系。维仑金正是这样,
往前跨出一步。
维氏说,他从《自私的基因》一书中得到启发。成功的基因,是那些碰巧利
用自身有机组织的幸存机会的基因。这意味着,一种基因的存在,反映了基因所
体现的种种表观机遇的合理性,类似地,人择原理暗示我们,我们的存在,反映
了自然常数(给生命)所显现机遇的合理性。因此,任何随机选择的文明 (如我们
宇宙),来自那些文明高产宇宙的可能性,总要比来自低产宇宙(即对生命来说生
存条件较苛刻)的大得多。维氏进而认为,我们的文明,很可能存在于一个(生命
条件) 丰饶的宇宙之中,换言之,我们的文明是宇宙中许多种文明中的一个,我
们并非是中头彩,我们的文明并无特殊之处。他把这一思想称之“平凡原理”。
平凡原理给宇宙学带来什么好处? 按维氏的看法,它使人们明确了寻找宇宙
的何种性质,这些性质不仅是指向生命,而且是指向生命的大量存在。据维氏的
研究,在这些性质中,最重要的也是最简单的,即宇宙的尺寸。宇宙越大,生命
存在的机会越多,我们宇宙可能是众宇宙中最大之一,进而可断言,它会产生最
大的暴胀,同时支持丰富的生命。
据平凡原理,维氏还得出关于我们宇宙的一些条件(即特性),这些条件大体
上皆与能量分布的形式有关;这些条件也延伸出,在短暂的暴胀瞬间,可能有几
种不同的宇宙图案。例如,从宇宙很大的前提出发,那么暴胀将比过去理论家所
描述的更慢,暴胀期也将更长(当然仍在1秒之内),宇宙终将扮演更重要的角色,
以帮助物质成团。
维氏认识到,一个支持丰富生命的宇宙,其宇宙常数必是一个小数,且落在
一个狭小的范围中。他认为此常数应该接近于零,在0~0.9之间的某一数值。由
于常数值十分接近零,以致其效应很难测出。虽然有些物理学家认为,该常数应
为零,但按维氏的理论,若常数值被证明为零,那是不可靠的,且是荒谬的。
古斯说,“在过去5年中,这个领域的研究发展得很快,在下一个5年中,我
们有望解决这个问题。”他说,现在有不少宇宙模型,单一宇宙也好,永远暴胀
宇宙也罢,如果物理定律允许多宇宙论,“而且它们不是永远暴胀,那么平凡原
理看来具有实质意义。”
维仑金的平凡原理,就我们这些普通人来说,就那些对外星文明、UFO 感兴
趣的人来说,无疑是令人兴奋的。它在理论上表明,我们(人类)并非宇宙的独子,
肯定还有不少“同胞”。

百年树人
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