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我们的宇宙是唯一的宇宙吗?

脑洞大开 爱 好奇 1204浏览 0评论 来自:译言网

录制时间:2012年2月

浏览次数:217万

翻译:Zhixue Su

校对:Yuguo Zhang

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几个月前,诺贝尔物理学奖授予两队天文学家,他们因发现了认为是有史以来最重要的天文学观察而获奖。现在,在简短描述过他们的发现后,我将告诉你一个具有争议性的框架来解读他们的发现,即这种框架可能超过了我们的星球,涉及到银河系和其他遥远的星系,我们可能会发现我们的宇宙并不是唯一的宇宙,相反是庞大复杂宇宙的一部分,我们称之为多元宇宙。

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现在,多元宇宙的想法有点奇怪。我的意思是,我们大多数人开始相信“宇宙”这个单词意味着一切。我要说的是我们大多数人在很早就被灌以这种思想,就如我4岁的女儿从出生开始就听我说这些观点。去年我抱着她说,“索非亚,我爱你胜过宇宙中的一切。”她转向我对我对我说,“爸爸,宇宙还是多元宇宙?”

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但是如果没有这一不同寻常的教育例子,去想象其他领域与我们宇宙一元论的观点相分离这是件很奇怪的事,而且其中大部分都有与我们不同所处宇宙不同的特征,而这些宇宙确切的说应该称为他们自己的宇宙。可是,尽管这个想法是推测的,我想说服你我们有理由认真对待它,因为它可能是正确的。我将要分三个部分讲述多元宇宙的故事。第一部分,我会描述这些获得诺贝尔奖的结果并揭示这些结果隐含的一个深刻的秘密。第二部分,我会为我的这个秘密提供一个解决方法。它是基于一个叫“弦理论”的方法。那就是多元宇宙引入这个故事的出处。最后,第三部分,我会描述一个叫暴涨的宇宙理论,这一理论会把故事中所有的片段拼成一个整体。

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好的,第一部分开始于1929年,那时伟大的天文学家爱德温•哈勃 意识到,遥远的星系正离我们远去,建立了空间本身的属性,一直以来这一属性在不断延伸,膨胀。现在我们要谈到富有革命性的问题。普遍的说法是在很大尺度上宇宙是静止的。但是即使是这样,有一件事我们每一个人都很确定的是:这种膨胀一定在变慢。就像万有引力减缓了苹果向上空抛的速度,在其他天体中每一个星系对其他星系的引力是膨胀的空间减缓。

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现在让我们快速回到二十世纪90年代,我之前所提到的两组天文学家,在一开始受这一推理的启发去测量膨胀放慢的速率。这些天文学家通过对大量遥远的星系细致的观察,使得他们得以绘出膨胀率随时间变化的图表。但很惊讶的事是:他们发现膨胀没有减缓,反而在加速,运行越来越快。这就像是向上抛一个苹果,上升的越来越快。现在如果你看到这一现象,你就会想要知道为什么。是什么推动着它?

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同样,天文学家的研究结果很值得获得诺贝尔奖,但是他们却提出了一个类似的问题。是什么样的冲力使得所有星系不断加速去远离其他星系?那么最有希望的答案来自于爱因斯坦曾经的一个观点。就如你所了解的,我们都习惯地心作为一种引力起到一个作用,就是把所有东西吸在一起。但是在爱因斯坦的引力理论中,他的广义相对论,认为引力可以将物体分开。

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如何分呢?根据爱因斯坦的数学理论,如果空间是被一种不可见的能量布满,就像是一种整齐,无形的雾,那么通过雾产生的引力将是有斥力的,有斥力的引力恰好是我们观察中要解释的。由于在空间中不可见能量的斥力—-我们现在称之为暗能量,但是在这里我用白色烟雾表示这样的话及可以看到它—就是这暗能量的斥力造成每一个星系远离其他星系,使得膨胀加速,而不是慢下来。这一解释代表了研究的一个巨大进步。

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我答应过你这是第一部分的一个谜团。这就是答案。当天文学家注意到需要有多少这种暗物质注入空间 才能促成宇宙加速,看看他们发现的。这个数字不大。用相关单位来表现出来,则更小。这一谜团就是用来解释这一奇特的数字。我们想要让这一串数字摆脱物理学的定律,但是到目前为止没有一个人找到这样做的方法。

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现在你可能好奇,你应该在乎它们吗?也许解释这个数字只是一个技术问题,一个专家感兴趣的技术细节,和其他任何人都没有相关性。它确实是一个技术细节,但是有的细节确实与我们有关系。一些细节,给未知的现实领域提供窗口,这个特殊的数字可能正在做的就是这一工作,作为目前为止唯一取得进展的方法去解释这一数字调用其他宇宙的可能性—这个想法很可能从弦理论演化而来, 带我进入第二部分:弦理论。

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所以先将暗能量的神秘性放在脑后,因为我要给你讲述一下关于弦理论的三件关键的事情。首先,是什么呢?那是实现爱因斯坦物理统一理论的梦想的一个方法,单单一个总体的框架就能描述宇宙所有在起作用的力量。弦理论的中心思想是相当简单的。弦理论中说,如果你非常细致地检查任何一样物质,起初你会发现分子,然后发现原子和亚原子粒子。但是这一理论说如果你可以探测到小的,比我们现在技术能发现的更小的粒子,那么在这些粒子中就会发现一些其他的东西—一个小小的微型能量震动纤维, 一个小小微型震动弦。就像是在一个小提琴上的弦,它们可以以不同形式震动产生不同的音符。这些小的基本的弦,当以不同的形式震动时,产生不同种颗粒—所以,电子,夸克,中微子,光子, 所有其他的粒子 会合并成一个单一的框架, 它们都来自于震动的弦。 这是一幅引人注目的图画,一首宇宙的交响乐,在这里我们可以看到我们周围的世界的丰富性,而这一切源于这些小小的弦演奏出来的音乐。

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但是这种看似优美的统一是有代价的,因为多年的研究表明弦理论的数学也并不是行得通的。它的内部是不统一的,除非我们考虑到一些完全不熟悉的事——额外的空间尺度。那就是我们都熟知的正常的三维空间。你可以 把这三维空间理解为高度、宽度和深度。但是弦理论认为,在及其小的尺度中,还有附加的维度缩成一个小尺度,因为太小了以至于我们无法探测它。但是即使这些尺度隐藏起来,它对我们所观察到的事物还有影响,因为额外尺度的形状约束弦震动的方式。在弦理论中,震动决定一切。所以,粒子的质量,力量的强度, 最重要的是,暗能量的总量会由额外尺度的形状来决定。所以我们要是知道额外尺度的形状的话,我们应该可以计算出这些特征,计算出暗能量的总量。

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而挑战是我们不知道额外尺度的形状。我们所知道的是通过数学算出的 一些候选形状罢了。现在,当这些想法第一次有了发展的时候,仅仅只有五个不同的候选形状,所以你可以想象的过来,逐一分析它们来决定哪一个符合我们所观察的物理特征。但是过了一段时间,研究人员发现一些其他的候选形状在逐步增加。从最初的五个增长到上百个甚至上千个。——数量很大,但是还可以掌控的,将它们收集起来去分析这所有的工作就交给毕业生去做了。但是这些数目源源不断的增长到上百万甚至上亿,直到今天仍继续着。候选形状也从大约10个一路飙升到500.

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那么,我们该做些什么呢?有些研究人员失去信心, 总结说额外尺度有这么多的候选形状, 每一个都会产生不同的物理特征, 弦理论永远不会做出 确定的,可检验的预测。但是从将我们带到宇宙的可能性的角度想。就有想法了。也许这些性状之间是互相平等的。 每一个都很真实,某种意义上说就是有很多的宇宙, 每个对额外尺度都有不同的形状。 这种激进的建议对这个谜团有着深刻的影响: 诺贝尔得奖结果揭示了暗能量的总量。

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因为如你所看到的, 如果有其他的宇宙, 如果这些宇宙中每一个都有不同的额外尺度的形状, 那么每个宇宙的物理特征将会不同, 特别是, 每个宇宙的暗能量的量将会不同。 也就意味着, 解释我们现在测量到的暗能量总量的神秘性, 将会是 一个完全不同的特征。 在这种背景下, 物理定律不能解释暗能量的一个数, 因为不仅仅是一个数的问题,有很多数。 也就意味着, 我们一直问错了问题。 该问的正确问题是, 为什么我们人类发现自己处在一个我们测量的有特定数量的宇宙, 而不是其他外围宇宙的可能性呢?

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在这个问题上我们可以取得进展。 因为那些宇宙有着比我们所处的宇宙更多的暗能量, 当物质要聚成星系时, 暗能量的排斥力太强, 以至于把物质快吹散, 星系就无法形成。而在这些暗能量较少的宇宙中, 它们崩溃后非常快地返回, 也形成不了星系。 没有星系,就没有星星,没有行星, 所以在别的宇宙中没有像我们这样的生命形式存在。

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我们发现我们处在于 一个经测量的有特定数量的暗能量的宇宙中, 只因为我们的宇宙有合适的条件提供我们生命的存在。 那么就有下面的情况了。 谜团破解了, 多元宇宙也发现了。 有些人对这个解释并不满意。 我们习惯于物理学 对我们所观察的特征的有一个明确的解释。 但问题是, 如果你观察的特征确实可以承担现实广阔领域中的各种各种的价值, 那么对于一种特定值只有一种解释就会产生误导。

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一个早期的例子 来自于伟大的天文学家约翰 开普勒, 他很着迷于研究 不同的数字– 为什么太阳离地球9千3百万英里。 他花了几十年的时间试图解释这个数字, 但从未成功,我们知道为什么。 开普勒问了错误的问题。

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现在我们知道有许多行星远离它们的宿主星的距离是不一样的。 只是希望物理定律 能解释一个特殊的数字,9千3百万英里,这是一个错误的方向 。相反正确的问题应该是, 为什么我们人类发现我们在一个行星上的距离是特定的, 而不是别的可能呢? 同样,这个问题我们能回答。 那些行星更接近于一颗星就像太阳 一样热, 以至像我们这样的生命无法存在。 而那些离这个星太远的行星, 因为太冷, 同样也没法有我们这样的生命。 所以,我们发现我们在这颗行星的特定距离,只是因为它的条件符合我们生命的存在。 讲到行星和它们的距离时, 这显然是合理的推理。 关键是, 讲到宇宙和他们所含的暗能量时, 它也可能是合适的推理。

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当然,一个关键的不同是我们知道在我们宇宙之外还有很多别的行星,但到目前为止,我只是推测可能会有其他的宇宙。 所以把这可能性要结合在一起的话, 我们需要一个机械装置, 这一装置实际上可以生成其它宇宙。 这就产生了最后一部分,也就是第三部分。因为宇宙学家们在试图了解大爆炸时发现了这个机械装置。 当我们说起大爆炸时, 你也知道我们通常有一个宇宙爆炸的图画, 这个爆炸创造了我们的宇宙,且使空间想外扩展。

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但是有一个小秘密。 大爆炸留下了一些相当重要的东西, 爆炸。 它告诉我们在爆炸后宇宙如何演化, 但没有让我们透视爆炸本身的力量。 最终,这个缺陷被一个增强版的大爆炸理论填补上了。这一理论称为暴胀宇宙学, 找到了一种特殊的燃料, 这一燃料会自然产生空间的外部冲力。 燃料基于一种叫做量子场的东西, 但与我们相关的唯一细节是这种燃料被证明是很有效的, 实际上它几乎不可能完全耗尽, 在暴胀理论中这就意味着, 大爆炸出现在我们宇宙 很可能不止一次。 相反,燃料不仅仅产生了我们的大爆炸, 而且它也也产生了数不清的其它的大爆炸, 每个形成它自己的宇宙,而这一宇宙是由我们的宇宙变成的, 燃料也是大宇宙泡泡浴里的一个泡泡。

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现在,当我们把这与弦理论相融合,就出现了我们被引导的图片。这些宇宙中的每一个都有额外维度。额外维度呈现一个宽范围的不同的形状。不同的形状产生不同的物理特征。我们发现我们自己在一个宇宙中而不是另一个,单单因为只有在我们的宇宙中,譬如暗能量的总量 ,物理特征恰好适合我们生命形式的存在。 这是引人注目的但更广阔宇宙是极具有争议性的图片,这一宇宙需要尖端的观察与理论让我们去更严肃地思考。

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当然,一个一直以来遗留下来的大问题是, 我们能否确认 其他宇宙的存在? 让我来描述将来有一天可能会发生的方式。通胀理论已经有了有力的观测支撑点。 因为这个理论预言大爆炸将会很强烈使空间快速扩张,微小的量子从微观世界延伸到宏观世界,在整个宇宙产生一种独特的指纹, 一种既有微热又有微冷的斑点模式 ,现已经被功能强大的望远镜观察到了。 看的长远点,如果有其他的宇宙, 这个理论预测这些宇宙可能会经常互相碰撞。 如果我们的宇宙被别的宇宙撞上了, 碰撞会在空间里产生额外的微妙的温度变化, 这种温度变化我们有一天可能会探测到。 正如这张独具异域风情的照片,有一天也许会基于观测,建立其它宇宙的存在。

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最后,我对于在遥远的将来将会发生的这些震撼人心的想法来收场。 你看,我们知道我们的宇宙不是静态的, 空间在不断扩张, 扩张在加速, 我们可以从遥远的星系来仔细监测在我们周围微弱的星光,可能发现会有别的宇宙。但是因为这种扩张太快, 在遥远的未来, 这些星系会离我们很远很远 以至我们再也看不到它们– 不是因为技术的限制, 而是因为物理定律。 这些星系发出的光, 即使以很快的速度行走,甚至是光速行走, 也克服不了 我们之间曾经扩展的鸿沟。所以在将来天文学家遥望深空除了永无止境安静漆黑的沉寂什么也看不到。 他们就会下结论说宇宙是静态的不变的, 由一个中央绿洲的居民居住的着– 这幅宇宙的图画我们确信是错的。

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或许这些未来的天文学家会有早期时代传下来的纪录,就像我们的,证明有一个充满星系的膨胀宇宙。 但这些未来的天文学家会相信这古老的知识吗? 或者他们会相信他们自己最高水准的观测显示的这个黑色静态空旷的宇宙吗? 我怀疑后者。 这意味着我们正经历 一个非常特权的时代, 这时对于宇宙某些深奥的真理还在人类探索精神所能及的范畴。 看来也许并不总是这样。因为当今的天文学家们, 透过强大的望远镜,从天空中已经捕捉到微量可提供信息的光子– 在转化过程中宇宙电报要走 10亿年的路程,经历了不同的年代信息是清晰的。 有时,自然以坚不可摧的物理定律来守护着她的秘密。 有时整理在地平线外呼唤着。

20:15

非常感谢。

20:17

(掌声)

20:21

Chris Anderson:布赖恩,谢谢你。 你刚刚谈到的这些想法的跨度令人眼花缭乱,兴奋不已,难以置信。 以一种历史的观点看, 你认为现在的宇宙学走到了哪一步? 依你看,我们是在历史中的不寻常的一个时期吗?

20:37

BG:这个很难说。 当我们知道未来的天文学家没有足够的信息去把事情弄明白,很自然的问题是,也许我们已经处在一个位置,达到某种深度,随着宇宙学的演化方式变化,宇宙的一些重要特征已经超出我们的理解能力。 所以从那个角度来看, 也许我们永远在问问题,永远无法全面解答它们。

21:02

另一方面,现在我们了解了宇宙的年龄。 我们就知道如何理解137.2亿年前来自微波辐射的数据– 我们今天可以计算并预测它将来会是什么样子, 并如何与它匹配。不会吧!这太惊人了! 所以,一方面来看,我们获得的太不可思议了,但谁知道将来会发生什么难题呢?

21:27

CA:接下来你要在这呆几天。也许这些内容可以继续讨论。谢谢,谢谢,布莱恩。(BG:荣幸之至)

21:34

(掌声)

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