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你了解科学越深,就越会怀疑一些公认的东西。它到底是不是千真万确的?就像一开始人们怀疑地心说,后来开始怀疑空间和时间到底是不是一成不变的。再后来甚至怀疑宇宙是不是只有一个。
在我所知道的怀疑者当中,最激进的人应该是物理学家李·斯莫林了。他怀疑的是我们观察到的这些物理定律,它们是被一开始就写好的吗?会不会物理定律也是在随着时间变化呢?
对,时间这个东西,是李·斯莫林所有学说中最重要的因素。咱们在上一集中讲到,传统的牛顿范式把时间这个因素剔除到了物理学之外。一个公式在时间的正向和反向两个方向都是等价的,时间似乎只是我们人类的一种体验,而不是真实存在的东西。
可是当我们把对局部宇宙的理解推演到整个宇宙的时候,当我们要去追问宇宙为什么遵循这些定律,为什么取这些常数的时候,牛顿范式就遇到了很大的问题。于是,时间的真实性又被带回到了物理学的舞台。自然规律本身,也应该被视为世界随着时间演化的一部分。
在这场科学革命思维的浪潮里,李·斯莫林就是其中的领军人物之一。咱们用两句话来总结他的假说:第一,时间是真实的,不是人类的主观体验;第二,时间不仅会影响宇宙万物,甚至会影响宇宙万物遵循的法则,也就是物理定律。
我个人并不是特别建议你去读李·斯莫林的书,因为这种大物理学家写的书,真的挺难懂的。而且读的过程中,你必须要用尽力气,不断挑战自己的常识。一旦稍微松懈,就会产生一种想法:“哎,你这不是在胡扯吗?”然后呢,很快你就跟不上他的论述了。
那这期节目呢,我尝试给你讲述他的观点。在这呢,还是要先打个预防针。如果你实在觉得他的观点太过于激进,难以接受,那你就当是听一家之言。他只是给这个越来越难以被人类理解的物理学的世界一个暂时没有被推翻的解释,这个解释是众多物理学家给出的解释的其中之一而已。
听到最后呢,或许你会和我有一样的感觉,似乎物理定律在过去的100多亿年里保持不变这样的想法,反倒是人类一个很自大的假设。谁给你保证它们就不能变了呢?
那下面我们就开始。一个好的宇宙学理论需要可以解释宇宙中所有定律的由来,还有就是那些初始条件是怎么来的。接下来我们会聊到两个理论,其中一个理论,它的物理定律是随着时间演变的,另一个理论的物理定律是独立于时间的。
让我们来比较一下这两个理论的解释能力和给出预言的能力。定律随着时间而变化的这个理论呢,叫做宇宙自然选择假说。这个名字很好记,因为后面我们会用大量的比喻,用生物学里的自然选择来帮助你理解这个宇宙自然选择假说。这个假说就是我们今天的主人公李·斯莫林在1992年提出来的。
在过去的这些年间,这个理论给出了很多的预测,目前这些预测还没有被观测所证伪。这是我们说的定律随着时间而变的理论。另一个是定律独立于时间的理论,这个我们比较熟悉了,它是永恒暴涨理论。这个永恒暴涨理论是多重宇宙学说的一个版本,也是被很多科学家所接受的版本。
我们之前的节目专门讲过暴涨理论,这个版本是由物理学家亚历山大·维兰金和安德烈·林德在20世纪80年代提出来的。它的一个推论,就是我们熟悉的多重宇宙,或者说平行宇宙。
好,我们提出了两个假设,两个理论。涉及自然规律随着时间演化的理论有它的优势,这个优势就在于它不需要借助人择原理去连接我们的宇宙和其他的宇宙。人择原理这个概念你可能听说过,它的意思是说,有些宇宙的自然规律和初始条件很适合生命的存在,那我们当然只能生活在这类宇宙当中。之所以宇宙是这样的,因为只有它是这样才能诞生出人类。
提出这个问题,这个说的就是人择原理。那么我们就先来说说这个宇宙自然选择假说。它的一条基本假设是这样的:宇宙会在黑洞的内部繁衍出新的宇宙。我们的宇宙也是从黑洞中诞生的,它是其他宇宙的后代。同理,我们宇宙中的每一个黑洞,也正在孕育新的宇宙。
在这个框架下,我们就可以开始使用自然选择机制了。我们看到的宇宙呈现出今天这个样子是非常复杂的,这有点像地球上的生物演化。在自然选择的机制下,生命从一开始非常简单统一的形式,逐渐演化出复杂的生物圈。
当然,注意,这个只是一个比喻,帮助你理解。想要用自然选择机制来解释宇宙系统的复杂性,就需要满足下面几个条件。
第一个条件,我们要有一片参数空间,这个空间里面的参数要因为种群中的不同个体而异。这里说的不同个体指的就是不同的宇宙。那么在生物学中,基因就是这样的一个参数;在物理学中,标准模型的常数就是这样的参数。这些常数包括各种基本粒子的质量,还有各种基本相互作用的强度。它们之间的不同组合形成了一种自然规律的位形空间,我们称这样的空间为理论景观,这个是科学界的叫法。
那么白话来说呢,你可以把这个空间或者说这个景观想象成一个不同参数组成的坐标系,不同参数值的宇宙分布在这个想象中的坐标系里面。这是第一个条件。
第二个条件呢,是我们要有一套繁衍和变异的机制。在这套宇宙学理论中,奇点代表着时间的起始和终结,也就是一个宇宙的起始和终结。宇宙中有亿万个黑洞,它们可能有很多个后代。那就正如基因在复制时的突变和随机重组,让后代的基因和父母的基因有所不同。我们也可以做出类似的假设,每当一个新的宇宙诞生的时候,它的物理定律中的参数会发生一次小小的随机的改变。我们可以根据这个宇宙的参数值在理论景观中标注这个点。
那么最终在整个景观中,我们就会得到一个庞大且不断增长的点的集合,它代表了这些定律参数在多重宇宙之间的变化。这是第二个条件。
第三个条件是要有适应度的差异。还是拿生物学来打比方,生物学中个体的适应程度会影响它繁衍的成功率,也就是能够继续繁衍的后代的个数。同样不同宇宙的适应度度量着黑洞后代的个数,这个数字严重依赖于黑洞的参数。因为制造黑洞是一件很难的事,很多参数可以让宇宙中根本就不存在黑洞,这就代表这样的宇宙就绝种了。也就是说这个宇宙它可以存在,但是它不能再孕育后代的宇宙了。只有一些特别的参数可以让宇宙拥有很多个黑洞,在参数空间中,这些宇宙所占的空间是很小的。
第四个条件是要有典型性。在进化了很多代之后,我们看到的这个宇宙,是整个宇宙种群中典型的一员。它的一部分的属性,或者说绝大多数的属性,也是其他宇宙可以拥有的属性,这个就是典型性的意思。这就好比人类和其他哺乳动物,有绝大多数的基因是重叠的。这也就是说,宇宙成为我们今天看到的样子,它并不完全是随机的。即便我们换一个宇宙,那么也很可能得到一个和今天的宇宙差不多的宇宙,这一点很重要,我们后面还会说。
好,以上就是要用自然选择机制来解释宇宙系统的复杂性所需要满足的四个条件。这个宇宙的自然选择机制可以从很少的假设中得出很强的结论,这一点正是这套方法论的力量所在。
自然选择机制的一个基本结论是,在许多世代以后,大多数宇宙的参数都会处于参数空间中的高孕育率的区域。还记得吗,刚才我们说参数空间就是不同参数的宇宙。每一个参数在这个空间里点一个点,点着点着,这里面就密密麻麻的有很多个不同参数的宇宙了。
因为这些宇宙最终都会消亡,也会繁衍出后代,而那些存在时间很短或者说不能孕育出后代的宇宙,它们所拥有的参数所在的空间被点上点的几率就越来越低。所以就会出现我们刚才说的,大多数宇宙的参数都会处于参数空间中的这个高孕育率的区域。
如果我们随机改几个参数,那么它最终形成的黑洞可能就会减少很多。这就像我们随机修改一个生物的基因,那么有很大的概率它会生存不下去,或者说没有办法繁衍后代。这个预言可以通过一些间接的方法得到检验,比如说,宇宙学家已经知道改变标准模型的参数,很可能会导致宇宙没有办法产生寿命足够长的恒星,进而没有办法制造碳元素和氧元素。
大质量的恒星形成黑洞的过程,发生在冷却了的气体云当中,而碳和氧是冷却气体云的必要元素。改变其他一些标准模型参数,可能会导致宇宙中不存在超新星,这一点也很关键,因为超新星的坍缩,不仅可以直接产生黑洞,它坍缩过程中释放的能量还会进入到星际空间中,驱使气体云坍缩,而形成更多的大质量的恒星。
那现在我们已经知道,想要宇宙少一些黑洞,我们至少有8种方法来微调标准模型的各种参数。我们的宇宙中遍布着长寿的恒星,随着时间的推移,它们让这个宇宙充满了碳、氧气和其他化学元素,这也就间接产生了生命能够诞生的必要条件。宇宙自然选择假说对这些提供了一个很好的解释。
它解释了质子、中子、电子,还有电子中微子的质量,以及四种基本相互作用力的强度。另外很重要的是,它还给出了不少可以被验证的预言。通过观测结果和这些预言相比较,就可以判断这个理论是不是真的。换句话说,一旦出现反面的观测结果,就证明这个理论是错的。
其中一个预言是中子星的质量存在一个上限。那么这个预言是怎么通过公式推演出来的,咱们就不说了,直接说结果。超新星爆发之后,它的核心要么会坍缩成中子星,要么会坍缩成黑洞。那到底坍缩成哪一个,就取决于核心的质量。只有当核心的质量低于某一个临界质量的时候,它才会形成中子星。
所以呢,如果宇宙自然选择确实存在,这个上限就会尽可能的低。这是因为上限越低,形成黑洞的可能性就越高,因为它不是形成中子星,就是形成黑洞嘛。前面我们说了,自然选择机制的一个基本结论就是,在许多世代之后,大多数的宇宙,它们的参数都会处于这个空间中的高孕育率的区域。
所以呢,一切提高宇宙可以孕育出新宇宙成功率的参数,换句话说,也就是宇宙中生成新的黑洞的参数,都会更容易被我们所遇到。好,那这个临界质量又被什么所影响呢?它取决于中子星的构成,它有下面几种可能性。
一种可能性是中子星纯粹是由中子构成的,那么在这种情况下,临界质量就会比较高,中子星就更容易形成。那么相应的呢,黑洞就更不容易形成。通过计算可以知道,这个临界质量大概是太阳质量的2.5-2.9倍。而另外一种可能性是中子星由k介子构成,那么在这种情况下,临界质量比纯中子星的情况要低,也就是生成黑洞的可能性要高一些。
尽管具体低多少,取决于理论模型的细节,但是大多数模型都认为,这个临界质量大概是太阳质量的1.6倍到2倍。好,那如果宇宙自然选择假说是正确的,我们就会预期,大自然会尽可能多的让k介子处于中子星的核心,这样才会有一个相对较低的临界质量。
事实证明,只要将k介子的质量调整得足够低,就可以实现这一点。而想要让k介子的质量变低,同时又不影响恒星的生成速率,因为它也会影响黑洞的生成速率嘛,这时候我们又需要调整奇夸克的质量。
好,那么一顿操作之后呢,我们就要去观测了。我们知道,一个科学假设必须可以被观测证伪。如果人们观测到了2.5倍,甚至高于3倍太阳质量的中子星,越多的观测到这样的结果,那么宇宙自然选择假说就越可能被推翻。
另外,别忘了,我们可是在谈论时间。如果时间不是真实的,宇宙自然选择就无从谈起。这个假说仅仅需要相对的适者生存。我们宇宙的竞争对手,是那些在参数上和这个宇宙略有差别的其他宇宙。在这个条件下,我们不需要假设我们宇宙的参数对应全局最大的概率,其他的宇宙完全可能拥有不同的参数选择,从而让他们拥有更高的生育率。
我们可以有许多不同种类的宇宙,多重宇宙具有种群的多样性。随着时间的推移,不同种群的宇宙也会不断的混合,通过不断试错来达到更高的生育率。注意,这里说的混合,不是说两个宇宙之间合并,而是说它们的参数的混合,正如我们生物界的基因混合一样。
没有一个种群可以永远的站在生物圈的顶端。正如生命史的不同阶段代表的生物总是不一样的,它们由那些相对的适应者混合而来。好,我们说了半天宇宙自然选择假说了,先把它放一边看一看,与之相对的永恒暴涨理论。
那这个话题如果展开来说,是非常庞大的一个理论体系。你可以在我们的节目下面搜一搜暴涨,或者搜一搜大爆炸,都可以找到我们相关的节目。那么简单来说,它的意思是在早期的宇宙中,构成粒子和力的量子场处于一个特殊的状态。在这个状态下,宇宙可以产生大量的暗能量,暗能量让宇宙以指数级快速膨胀,这就是暴涨。
通常当一个宇宙泡泡形成的时候,它的暴涨就会停止。那么什么叫做泡泡呢?就是一定的空间范围里,它膨胀的速度变慢,可是它四周的空间呢,还是在快速的膨胀。这个慢下来的区域就形成了一个泡泡。在这个泡泡之外的什么东西里面,那个东西我们就暂时称它为媒质吧。这个媒质中会产生更多的泡泡,这些泡泡会变成更多的宇宙,正如我们的宇宙是一样的。
这个理论的提出者就发现,在某些条件下,处于暴涨状态的媒质永远不会消失,也就是以上的过程会永远的进行下去。这就会让无数多的宇宙泡泡诞生。如果这些事确实发生,那么我们的宇宙,就只是无穷多的宇宙泡中的沧海一粟。
在最简单的宇宙暴涨模型中,每个宇宙泡中的自然规律都是随机产生的,但是这些自然规律是在一个统一的理论景观里面随机取出来的。就好像在一个固定中奖率和总奖金不变的池子里面抽奖。也就是说在某种程度上,宇宙的分布,也就是含有不同定律或者性质的宇宙的出现的概率,这样的分布达到了一种平衡态,并且会永远维持这个平衡态。
那么在这个假设里面是不包含时间的,或者说不需要时间的。它和前面说的宇宙自然选择图景是完全不同的。那么既然每个宇宙泡中的自然规律都是随机产生的,所以要想允许生命存在,自然规律必须要经过精确的挑选。
于是呢,适合生命存在的宇宙就会极其稀少。也就是说,我们的宇宙是所有宇宙泡中的异类中的异类。也正是因为这个原因,想要解释我们这个宇宙观测的结果,宇宙学家势必要有求于人择原理。人择原理会帮助他们从一大堆毫无生机的宇宙之中挑选出那极小的一部分适合我们居住的宇宙。
值得注意的是,适合生命存在的宇宙和高产黑洞的宇宙之间,其实有很多共同的特点。这两者背后的理论,也就是人择原理,还有宇宙自然选择演化的这个假说,都可以解释标准模型参数表现出来的精细的调控结果。
但是,两个理论提供的解释是截然不同的。在宇宙自然选择假说中,我们的宇宙是一个演化出来的很典型的宇宙。它的特征让它具有高度的适应性,其他很多的宇宙也共享这些特征。这就好比在生物学里面,人类的出现虽然是一个奇迹,但也是一点点演化出来的,而且很多类似的动物也符合大自然的选择。
而在永恒暴涨模型中,与我们这个宇宙相似的宇宙是极为稀少的。这就好像一群粒子随机组合,正好组合出一个人类一样稀有。同时,如果你想让另外一坨粒子再随机组出一个人类来,那这个概率就更是低中低了。
那么这两个理论解释的不同,就导致了理论在预言能力上的不同。宇宙自然选择假说已经给出了一些可以被验证或者可以被证伪的预言。而对于那些通过人择原理来解释宇宙规律或者初始条件的理论来说,在一个随机挑选的宇宙中给出预言,这在逻辑上就是非常难的。
我们可以做一个思想实验,任选一个你想解释的宇宙属性。这个宇宙属性,要么是允许智慧生命存在的必要属性,要么呢,是不重要的属性。这里说的不重要是对生命来说。那么如果是前者,我们存在这个事实本身,就已经解释了这条属性的原因,这个就是人择原理的意思嘛。
那一小撮允许智慧生命存在的宇宙,都必须具有这个属性。而那些对智慧生命来说不重要的属性,对于每个宇宙泡来说,自然规律的选择,它又都是随机的。那么后一类这些属性,也就随机分布于各个宇宙之中。于是呢,人择原理又不会对我们观测到的这些属性做出任何的预言,反正它们都是随机挑选的嘛。
那么对生命来说很重要的属性的代表就是电子的质量。很多证据表明,如果电子的质量和目前的观测值有些许的不同,生命存在的条件就会遭到大幅度的破坏。那么和生命没有关系的那一类属性,代表是顶夸克的质量。它的值可以大幅度的变化,我们宇宙的生存条件不会受到什么影响。
所以人择原理拒绝解释电子质量为什么是这样的,因为只有这样的电子质量才能诞生生命。同时它也没有办法解释顶夸克的质量,因为这个质量是在无穷多的宇宙泡泡中随机挑出来的。
不过公平的说,永恒暴涨理论还是做出了一个重要的预言。它预言宇宙泡的空间曲率略小于0,这个现在也被叫做宇宙学常数。不过如果你想要测量它,还是会遇到很多的问题。首先,这个略小于0的曲率其实非常接近于0。不管它是正是负,我们总是会很难区分0和一个极小的数字。
那么即便验证了,我们宇宙的空间曲率稍微小于0,这个观测本身,也没有证明多重宇宙的存在。我们的宇宙,就是爱因斯坦方程在负曲率条件下一个非常简单的解,这并不需要多重宇宙的解释。没有任何观测可以验证其他宇宙的属性。
永恒暴涨模型需要构筑在一组可能的理论集合之上,数量庞大的弦理论正好为它提供了选择。托洛明戈在1986年就写了一篇文章指出,存在许多不同版本的弦理论。到了2003年左右,这个假说化成了一场非常难以忽视的大危机,因为人们发现,大概有10的500次方种不同的弦理论可以给出符合我们要求的宇宙学常数。
后来到了2005年,物理学家华盛顿·泰勒就发现,不是10的500次方,而是存在无穷多个版本的弦理论可以给出我们需要的那个略小于0的宇宙学常数。在人择宇宙当中,当你要处理理论上就不可以观测的对象的时候,比如说其他宇宙,那么你总可以摆弄一些假设的条件。你无法验证到底存不存在无穷多个其他宇宙,你也不知道各种属性在这些宇宙中是怎样分布的。
你可以论证某一个和我们宇宙不相同的宇宙到底有没有生命,但是我们没有办法通过观测来验证你的这个理论是真的还是假的。那么宇宙自然选择假说就和人择理论非常的不同,这一点在解释宇宙学常数的时候体现得非常明显。
目前,人们测量了这个重要的物理学常数,发现它是一个非常小的正数,是10的-120次方。当然因为这个数字太小了,所以可能存在误差。前面我们说永恒暴涨理论给出来的预测呢,是这个数应该是一个很小的负数,而我们观察的结果是一个非常小的正数。在这个数量级下,很可能稍微一点点偏差就会由正变成负。
所以它到底是正还是负,不是我们要讨论的重点。我们的重点在下面。如果我们保持其他所有的宇宙参数都不变,只把这一个参数逐渐调大,就会很快到达一个临界值。超过这个临界值再往上变大,宇宙就会膨胀得太快,以至于没有办法形成星系,那当然也就不能形成生命,也不能形成黑洞了。
那么问题来了,宇宙学常数它为什么这么小呢?让我们先从人择原理的视角来解释这个事。在他的视角下一共有四条。第一条,生命要存在,星系必不可少,否则呢,就没有恒星。没有恒星意味着星际之间就没有碳元素,也就没有足够的能量,而这两者都是行星表面诞生复杂结构和生命的必要条件。
第二,根据我们的观察,宇宙中处处都存在星系。第三,要形成这些星系,宇宙学常数必须非常小。第四,因此人择原理预言了宇宙学常数必须比临界值小。
好,以上的四步推演,你看出哪里有问题了吗?问题在于,步骤一是正确的,但是它在整个的论证中起不到作用。对于求证宇宙学常数为什么这么小这件事来说,步骤一是正确的废话,所以我们可以把它拿掉。真正的论证直接从步骤二开始,也就是我们观测到宇宙中处处都是星系,这一点是得到实验确认的。而生命是不是要依赖星系和这个常数没有关系。
那么,当我们删除步骤一,剩下的结论就变成了这样一句话:我们观测到宇宙中充满了星系,所以这个观测结果意味着宇宙学常数必须比临界值小。那么这个是他提出的一个预测。接下来我们就可以去观测来验证这个预测了。
如果观测到的宇宙学常数比这个临界值大,那我们该怎么调整我们的解释呢?注意,这里说的我们的解释,说的就是这个人择原理。首先呢,我们不会改变步骤一,也就是星系的存在是生命存在的必要条件,因为它和整个论证没有关系,所以我们不会改变它。
同时呢,我们也不会改变步骤二,也就是我们观测到宇宙中到处都是星系,因为它是我们观测到的事实。于是,我们只能改变步骤三,也就是我们算错了那个临界值。物理学家史蒂文·温伯格为宇宙学常数为什么这么小提供了一个解释。他说假设我们的宇宙是多重宇宙中的一员,同时假设宇宙学常数在多重宇宙中是随机分布的,取值总是介于0和1之间。
那么既然我们必须生活在星系中,所以我们必须生活在一个宇宙学常数比临界值小的宇宙中。在所以我们会面临这样一个场景:我们将一堆介于0和那个临界值之间的宇宙学常数放到一顶帽子里,再从这个帽子里随机抓取一个宇宙学常数。你猜我们会抓到一个什么数字呢?
因为暴涨理论和人择原理提出的平行宇宙数量实在是太多了,可以说是无限个,所以我们抓到的这个宇宙学常数,它不会比临界值小太多,因为过小的值的存在可能性就很小了。我们应该预期自己抓到的宇宙学常数和那个临界值大致是处于同一个数量级的。这是因为从概率上讲,同一数量级的取值会比过小的值多很多。
我们有理由相信,如果我们生活的宇宙真的是随机抽取的,那应该抽到概率更大的结果才对。根据以上的理由,温伯格预言宇宙学常数会比临界值低,但低不过一个数量级。不过,10年后,人们测到了那个宇宙学常数,它是临界值的5%,也就是1/20,这个比预期就要低不少了。
换句话说,如果我们从帽子里随机取出20个数,只有一次能取到这个观测值。当然,你也不能说这就完全不可能,因为在真实的世界里,很多概率低于1/20的事情也在不断发生。所以就有不少的宇宙学家认为,温伯格的预言算是成功的。我们应该接受自己生活在一个随机抽取的宇宙中。
不过这个结论存在一个问题。前面我们说宇宙学常数在临界值之上,意味着宇宙没有办法形成星系。这个论证的大前提是,我们只改变宇宙学常数,而同时我们保持其他物理学的参数不变。但是这些常数其实是会互相影响,发生变化的。
比如说宇宙的密度涨落尺度决定了早期宇宙中物质分布的均匀程度。当我们将这个常数连同宇宙学常数一起变大的时候,星系可以在宇宙学常数远大于临界值的情况下形成,因为密度涨落尺度变大,也就是早期宇宙这个不均匀的程度变大,它会补偿宇宙学常数变大的效应。
当然,对于宇宙学常数来说,它还是有一个临界值,但是这个临界值随着密度涨落尺寸的增加也会不断的增加。于是呢,我们可以再来一遍此前的论证,也就是让宇宙学常数连同密度涨落尺度这个数一起在不同的宇宙之间变化。
针对每一个宇宙,现在你要从帽子里同时取出两个数字。你将第一个数字赋予宇宙学常数,再把第二个数字赋予密度涨落尺度这个常数。这两个数字的取值范围会保证星系形成的概率。那么经过计算,在这个约束下,它们的取值完全随机,最终我们就会发现这两个随机数字与它们的观测值相符的概率大概是在1/100,000上下。这还只是两个参数,随着你加进来的参数越来越多,这个概率就会越来越低。
那么如果一个人还是继续相信人择原理,相信我们就是很幸运的活在这个宇宙里,那似乎有点太幸运了。我们没有办法观测到其他宇宙,所以也就没有办法确定哪些参数会在多重宇宙中变化。如果假定只有宇宙学常数这一个数可以在不同的宇宙之间变化,那么温伯格的论证就算是成功的。
如果我们假定有很多的常数会在不同的宇宙中变化,换句话说就是我们从那个帽子里面要抽很多很多个小球出来,每一个小球都必须是精准的,满足我们要求的那个数字。那么温伯格的论证就不太让人满意了。
当然,人择原理呢,它有一个特别不讲理的地方,就是无论这个概率有多低,哪怕只有10的1万次方分之一,但没有关系,我们就是幸运的中了大彩票。在普通人来看呢,你非要这么说也不是不可以,但对于很多科学家来说,尤其是对于李·斯莫林这样的科学家来说,这样的超级幸运不足以说服他们。
好,那就让我们回到李·斯莫林的宇宙自然选择假说。他对于同样观测到的事实,也就是宇宙学常数为什么取值这么小,可以做出一个更好的解释。回想一下前面我们说,在简单的暴涨模型里,密度涨落的大小,这个密度涨落,说的就是早期宇宙是不是很均匀。它越不均匀,就是密度的涨落越大。
那么这个密度涨落的大小和宇宙的大小是存在很强的负关联的,也就是密度涨落越小,宇宙的尺度就越大。那么如果其他的参数都不变,我们就可以假定宇宙的尺度越大,就越可能产生更多的黑洞。于是密度涨落尺度应该尽可能的接近星系形成的条件,所要求的下限就是它越低越好。
这个要求也就意味着宇宙学常数的临界值会变小。所以宇宙自然假说的模型就会预言宇宙学常数和密度涨落尺度都应该是很小的值。这个预言不是任意的,它和实际的观测是完全相符的。
好,解释完毕。你看,相比人择原理,这个宇宙定律随时间演化的解释来的更加简单。刚才的这几句解释你可能会没有听懂,没关系,我们还是用生物的演化来打比喻。
我们看到人类之所以是现在这个样子,他不是直接一堆粒子随机出来的,而是说他的祖先,他祖先的祖先都是逐渐适应环境。那么他所有的参数都在进化中逼近了当下的最优解。其实这就是人择原理和宇宙自然选择假说之间的不同。
人择原理说的就是每个宇宙都是纯随机的,而宇宙自然选择假说说的正相反:我们今天看到宇宙的所有的参数,是因为它更加有可能产生出黑洞。而因为它更有可能产生出黑洞,它就更有可能孕育出更多的宇宙后代。我们看到的所有参数,就是在一代又一代的自然选择中逐渐变成这个数值的。
而一旦我们接受了这样的解释,也就要顺便相信宇宙的规律是可以随着时间演化的。好,说到这,不知道这个逻辑是不是你已经理解了。注意,我们讨论的关键并不在于物理定律随时间演化的理论在观测结果上比物理定律独立于时间的理论做得更好,这不是我们讨论的关键。
我们讨论的关键在于,物理定律随时间演化的理论可以给出更清晰的预言,而基于人择原理的理论,总是可以遵从人的意志,而随意的调整预言。这里我们还要再次强调,能给出清晰的预言,也就意味着,一旦观测与这个预测不相符,那这个理论就会马上被推翻。
所以呢,我们刚才说的自然规律随着时间演化的这个理论假说和那个自然规律不随着时间演化的理论相比,它不是更强,而是更脆弱。也就是说它更容易被证伪,但这样的脆弱性在科学界其实是受欢迎的。
如果一个观点强到不能被证伪,比如说宇宙是上帝造的,无论你观察到什么结果,都能用“这是上帝的安排”来解释,那这个理论就强到完全不可以被证伪了,那它干脆就不属于科学的范畴了。其实多重宇宙和人择原理就有点这个意思,只要你一问这个定律为什么是这样,或者我们的宇宙为什么取了这个数值,它就回答反正数值是无穷多的,我们只是随机到了一个,这就没法聊了。
它也就永远不可能被证伪。而宇宙自然选择假说就是要去尝试解释我们的宇宙为什么选择了这些物理定律,选择了这些参数。那么到此你可能会觉得追问这些问题它有什么意义呢?但你要知道,越是底层的问题,对科学家的吸引力就越大。
因为一旦解决了更底层的问题,就有可能穿透学科去解释其他领域的问题。比如说认同时间的真实性,认同物理定律可能随着时间变化,就有可能帮我们解决另一个物理学的未解之谜,也就是如何诠释量子力学。
理解量子力学,无疑是我们理解世界的一个重大的挑战。自从它被提出以来,物理学家为了理解量子力学构造了各种稀奇古怪的场景:什么既死又活的猫,什么粒子间超光速的信息传递,什么无穷多的平行宇宙,还有什么观测者不看就不存在的世界等等。这些充满了想象力的观点,都是为了解密亚原子世界的规律。
所有这些都在强调一个事实:量子力学没有办法解决单个实验的结果,它只能对多次实验结果做出统计式的预测。那这一点我只能在这点到为止。如果你想了解更多,也可以在我们的节目里搜索量子力学,我讲过很多。
任何一个微观世界的实验,都没有办法精确的预测本次实验的结果。量子力学没有办法告诉我们这次实验会得到什么结果,它只能给我们出现某种可能结果的概率。当然,尽管如此,量子力学仍然是非常有用的。在整理大量经验数据的过程中,量子力学为物理学提供了一个框架,一种语言。
所以即便它确实没有办法解释亚原子世界中到底发生了什么,它还是为我们提供了一套预测实验结果的算法。只不过这个算法,它只能基于大量结果的统计。你越是仔细想这个问题,就会觉得越是奇怪,真的存在这样一个总能进行成功预测,但本质上是不靠谱的理论吗?
有没有可能如爱因斯坦所说,目前量子理论的框架其实是不完备的呢?或许,我们没有办法理解量子力学的原因,就在于它其实并不是真理。量子力学,似乎更可能是一个更深层理论的近似,就像我们在上一期所说,牛顿理论其实是相对论在低速环境下的一种近似一样。
在某种程度上,与其说量子力学是个理论,不如说它是实验者解码微观系统的一套方法。人们也提出了很多的理论和假说,以便于更深的了解量子力学。而在李·斯莫林看来,接受时间的真实性,有可能为我们打开一条理解量子物理的新途径。它有可能帮助我们穿透量子力学的迷雾,来解决这些谜题。
你看,在牛顿范式里,我们习惯性认为自然规律都是决定论式的,也就是物理定律与时间无关。如果有一个实验我们做过很多次,而且每次都得到相同的结果,我们就会相信在未来任何时间进行这个实验,一定也会给出相同的结果。通常我们会说,这是因为物体的运动是由不随时间而变的物理定律所决定的。
因此,不含时间的自然规律是严禁任何新鲜事物的出现的。而李·斯莫林提出了一个非常不同的观点,他认为自然规律是随时间演化的。这就好比我们的习惯会随着时间演化一样。哎,高能预警一下,反直觉的部分要来了。
他说一切事物都有形成习惯的趋势,比如说原子、分子或者分子群等等。我们能够想象的那些对象,它们都有比较大的概率重复之前的习惯,而不是另起炉灶。这种趋势本身形成了一种规律,随着时间的发展,这个遵循习惯的趋势不断的加强。
但之所以我们是用习惯,而不是用定律来形容它,就是说如果我们回溯到很远的过去,这个趋势就会变得越来越不明显。这就有点像大陆法系和英美法系的判法的区别。我们大陆法系呢,是根据一系列的法律条文,相对严格的照着这些条文去判,而英美法系更多的是按照先例,也就是原来这类的案子是怎么判的,来判现在这个案子。
这里面,李·斯莫林就把他的假设叫做先例原则。他说如果自然确实按照先例原则运行,而不是按照永恒不变的定律去运行,那么当先例追溯到很远的过去的时候,我们就没有办法预测那个时候系统的行为。同样面对未来,如果我们临时的造了一个系统,那我们就没有办法准确的预测观测结果。只有当我们大量复制同一个系统的时候,先例原则才会逐渐的发挥效应。
哎,这样的解释你听起来是不是很熟悉?这不就是量子世界呈现给我们的样子吗?单个原子的单次实验,你很难预测准确的结果,而如果你大量重复实验,或者说一次性的大量的测量多个原子,规律就会在统计学上体现出来了。
咱们还是拿生物界来举例。在当下这个时间点,如果你去观察整个人类这个种群,那么大体上他们都是类似的样子。往前回溯20年、100年,样子也没有非常大的变化。但如果你回溯到50万年前,人类的样子就有可能发生很大的变化。
同样,如果你面向未来,一个刚刚出生的婴儿,具体是什么样子是很难预测的。但如果你统计成千上万个新生儿,他们的身高、体重等等数值,又会遵循统计规律,是可以被预测的。这也就是宇宙自然选择假说的核心论点:宇宙的定律,或者我们说规律、原则、习惯等等,都是可以随着时间演化的。
在经典力学中,所有粒子都遵循固定的物理定律运动,所以经典力学排除了新鲜事物存在的可能性。但是量子力学不同,量子系统对环境的影响体现出真正的随机性。即便你知道一个量子系统所有的历史,你仍然没有办法可靠的预言它的未来,没有办法知道在下一次测量这个系统属性的时候,会测出什么样的数值。
自然界的未来大体上会重现过去,但同时自然界在微观中也允许出现新的规律的变化。量子系统的表现似乎在告诉我们,自然界可以随机的挑选实验结果。从某种意义上来说,确实是这样。人们已经知道,量子系统确实拥有一些自由的元素。
物理学家西蒙·库克就提出了一个叫做自由意志定理的理论。这个理论说起来比较复杂,用大白话解释一下就是一个科学家,他是一个人,这个人决定了下一次他要测量原子的哪个属性这件事。对于这个人来说是自由的,而原子给出的反馈是和这个人要测量哪个属性这件事是相关的。你选择了不同的属性,原子就会给出不同的反馈,这个是量子学的一个重要特点。
所以呢,原子对于测量的响应也是自由的。当我们说实验者拥有选择哪种测量的自由,我们其实是在说,他们的选择不会取决于之前的历史。我们没有办法通过实验者过去所有的经历和整个人类世界的历史来推断出这个人下一秒会决定测量原子的哪个属性。
如果我们是在屋子外面的观察者,把原子和那个测量它的科学家一起观察,无论过去的信息有多么多,这些信息也不能帮助我们预测出测量的结果。在经典力学中是没有这样的自由的,因为它所描述的世界是决定论式的。我们完全可以基于过去的知识预测出这个世界的全部未来。
而我们今天的主人公李·斯莫林认为,允许物理定律本身随着时间发生基因突变一样的小变化,或许可以解决这样随机性的问题。当然,我们聊到这,你可能会觉得,为了解决量子力学的问题,我们对永恒不变的物理定律都产生了质疑,这未免也太扯了吧。
但是李·斯莫林认为,这样的观点在量子力学的所有解释中,其实算是比较保守的一种了。一旦谈及量子理论,你总要接受一些奇怪的概念,比如多重宇宙学就认为,每一次一个科学家测量一个原子,就要分裂出一整个宇宙,这岂不是更大动干戈了吗?
那么需要说明的是,李·斯莫林在论述中,他不断的强调,这个理论给出了很多预测,一旦观测到某些现象违背这个预测,那么它的理论就会被推翻。它允许这样的情况存在。换句话说,这个理论有可能是行不通的,他做好了这个思想准备。
但对于他和他周围很多科学家来说,这个理论并不仅仅是一个形而上学的假设,而是可以激发展新的物理学观点,也真的可以推动扎实的科研项目。那么对于跟你讲这个故事的我而言,李·斯莫林的宇宙自然选择假说确实是有点难以接受。
不过我认真思考了一下,这会不会是因为我已经被宇宙定律不变、多重宇宙等等理论影响了太久,以至于把它们当做天经地义的事实了呢?如果我们仔细想一下,整个宇宙的历史有100多亿年,而人类的现代科学史才不到100年。我们在这100年间观察到了一些现象,然后基于这些观察总结出了一些规律,做出了一些推测,然后就相信整个宇宙在过去100多亿年里一直遵从着我们在这100多年观察到的这一点规律。
这会不会有点太自大了呢?这就好像一个外星人来到地球附近,随机采集到了地球上的一粒沙子,然后就推断出整个地球都是由沙子组成的。听到这里,你是怎么想的?我还挺想知道的,希望你能留言告诉我。
对于不从事科学工作的我来说,至少李·斯莫林的论述让我重新思考这个问题,也算是一种智力上的启发吧。