宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第35章
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。更重要的是，暴胀就是一种产生局部有序度的方法，它能将无序赶出我们的视界之外，这样它们就看不到了。我们并不知道宇宙在整体上是否处于低熵有序的状态。我们只知道可见宇宙的这一部分如何，因此不能推断出整个宇宙的初始状态都是高度有序的，或者说现在整个宇宙都处于一种极不可能出现的状态之中。
最近，玻尔兹曼的解释又在宇宙学研究中再次出现。他的人择涨落意味着，为了能够产生文明和像我们这样的智慧生物，偏离平衡状态的涨落就得足够大，而这种几率是极低的，因而宇宙中一定充满了更小、有序度更低、无躯骸且转瞬即逝的智慧生物。在这个解释中，这样的生物比我们更可能出现，并且在一个无限的宇宙中应该已经随机出现了无穷多次了。
这些生物被称为“玻尔兹曼式大脑”。由此我们要面对这样一个悖论：在宇宙中，随机产生玻尔兹曼式大脑及其黄粱一梦的虚假记忆的几率，比起产生数十亿像我们一样拥有自我意识以及错综复杂真实记忆的生命的几率要大得多。＇63＇然而，正如我们在这一章所说的，尽管宇宙可能是无限的，并在某种意义上处于无限的随机过程之中，但这并不是事情的全部。存在物理规律主宰着事物变化的方式，还存在物理机制驱动了宇宙的快速膨胀，使得我们只能看到无限多重宇宙的某一个小角落，并且可能是个有点不一般的角落。这些进展，不论它们是多么纯理论，它们都清楚地揭示了一点，即我们的存在以及其他智慧生物的存在，都是我们在思考宇宙和检验理论时所必须考虑的因素。观测者对宇宙学理论很重要，对宇宙也很重要。
第11章
非主流的宇宙
理论啊理论，多得数不胜数，像一阵秋风经过，落木萧萧而下，像暴风掀开了巨大的造纸厂，碎屑纷纷而上，又像黑压压的尘云，挟裹在思想的飓风里。在这场席卷一切的干旱中喘着粗气，我差点忘了，每一粒尘埃之中都会带有一些真理的种子，大部分最后都干枯死亡了，但也有一些会活下去，产生更多的种子，变得至关重要。
——奥拉夫·斯德普尔顿（1886～1950，英国科幻小说家）＇1＇
黏合拓扑的宇宙
雷丁是个很有意思的地方，甚至连最推崇雷丁的人都喜欢提到它离别的地方很近。“从伦敦市中心坐火车到这里只要25分钟”，值班经理热情洋溢地说。“做大巴去希斯罗机场只要45分钟！”购物中心的咖啡店女服务员说。
——英国航空《商业生活》杂志＇2＇
如果宇宙能从“无”中产生而不违反物理定律的话，也许用这些定律就可以描述宇宙的创生了。相信宇宙存在开端的宇宙学家都习惯认为，物理定律在那个时刻失效了。物理定律是和空间、时间和实体的宇宙一起冒出来的。我们所有关于“其他”宇宙和多重宇宙的讨论则对这一观点提出了质疑。渐渐地，我们发现我们的宇宙只不过是自然法则的一个产物，也许只是多重宇宙的一部分：永恒历史中的一小段局部事件。尽管这种想法有点贬低了环绕我们四周的广袤宇宙，但它同时又抬高了自然法则的地位。自然法则似乎容许更多宇宙的存在。整个20世纪中，宇宙学家都在研究从爱因斯坦方程组中得到的各式各样的宇宙模型，可是他们又希望会有某种特别的原理，或是初始状态，可以让他们从中挑出一个最真实的宇宙模型来。现在，出人意料地，我们发现在多重宇宙中可以存在很多可能的宇宙，甚至是所有可能的宇宙。
从无中最有可能产生哪种类型的宇宙呢？所有遵守爱因斯坦方程组的宇宙的能量和电荷似乎都是零。这两个物理量和另外一个物理量在所有物理过程中都保持守恒，是最重要的三个物理量。能量和电荷都可以到处流动、重新分布，但如果你分别计算它们的总和，把正值和负值加在一起，最后的结果一定是不变的。物体之间的差异还体现在第三个重要的守恒量，也就是角动量上。这个量度量了物体的旋转程度，而我们已经知道爱因斯坦方程组虽然要求能量和电荷是零，但并没有要求角动量也是零。哥德尔发现可能存在旋转的宇宙，但是我们还没有找到任何与宇宙总的旋转程度有关的证据。而且我们也没有指望能找到这样的证据，因为如果宇宙发生过暴胀，那么暴胀就会将任何初始的旋转减弱到无法观测的水平。＇3＇
1973年，美国粒子物理学家爱德华·特赖恩＇4＇设想了这样一种情况（帕斯库尔·约尔丹和乔治·伽莫夫以前也考虑过＇5＇）。他提出，宇宙也许不过是量子真空中的一个虚拟涨落。量子真空会受到海森堡不确定性原理的限制。这个原理认为，我们无法同时知道自然界中任何事件的位置和动量的精确信息，也无法同时知道时间和能量的精确信息。在这个图景中，特赖恩认为我们的宇宙可能“只不过是间或发生的那些事中的一员”。不确定性原理关于能量–时间的表述是，一个涨落持续的时间和能量的乘积大于一个物理常数（Δt×ΔE＞h）。＇6＇“这说明一个能量为零的涨落——比如我们的宇宙——可以拥有无穷长的寿命。”涨落最有可能的寿命实际上是 10…43秒。微小的、转瞬即逝的涨落如果要变得像宇宙一样广袤，一样持久，那么就必须有暴胀作用在涨落之上。特赖恩没能解释为什么我们的宇宙存在了如此之久，因为八年之后才会出现暴胀理论。他所能做的就是利用长寿的大型真空涨落的稀缺性来解释这个矛盾，这种解释也是一种人择原理，因为非常稀有的涨落是观测者出现的必要条件：
然而，这种情况的逻辑是，观测者总是发现自己生活在一个能够产生生命的宇宙中，而且这样的宇宙一定非常宽广。我们不可能看到一个寿命低于1010年的宇宙，不然智人就无法演化出来了。
如果要进一步完善这个想法，我们就得考虑宇宙诞生时最可能拥有什么样的性质。假设宇宙的大小是有限的。这样的宇宙还有很多，尺寸各不相同，我们已经知道为什么自己必然生活在其中一个大尺寸的宇宙中，尽管宇宙初始的尺寸可能很小，而且经历了暴胀。另一个我们必须考虑的问题是，满足这些条件的宇宙拥有什么样的拓扑性质呢？
我们已经知道，爱因斯坦方程组能够描述平坦的或者弯曲的宇宙空间。宇宙中的物质分布决定了空间的局部形状，但这并不能告诉你空间整体形状的全部信息。有一个全局的性质还没有被爱因斯坦方程组确定下来，我们必须假设这种性质拥有某种简单的（或者更复杂）的形式。这种性质叫做宇宙的“拓扑”。1922 年，亚历山大·弗里德曼在发现第一个曲率为正和曲率为负的膨胀宇宙解时，就立刻意识到了拓扑性质的重要性。
拓扑性质和几何性质有所不同。在第 2章中，我们讲过弯曲的表面遵循的是非欧几何。让我们把这个想法稍微扩展一下。为了确定一个曲面的曲率，我们在上面标记三个不同的点，A点、B点和 C点。将三个点分别用曲面上存在的最短路径连起来，A到B，B到C，C到A。在一个平面上，我们就得到了一个三角形，内角和是180度。在一个球面上，三角形的边由弯曲的弧线组成，内角和大于 180度，于是这个表面就是正曲率的。在马鞍的表面，三角形的边向内弯曲，内角和就小于180度，于是这个表面就是负曲率的。现在，我们考虑一个平面，其中三角形的内角和等于 180度。将三角形画在一张纸上。把纸卷起来，形成一个圆柱体，让三角形露在外面。仔细观察圆柱体表面的三角形，你会发现它的三条边仍然是直线，内角和仍然是180度。
奇怪吧，圆柱体表面的几何竟然不是弯曲的。能区别柱面和平面的性质就是它们的总体拓扑性质。用这种方法改变拓扑，就可能产生戏剧性的效果。对于宇宙来说，如果它拥有平坦的欧几里得几何，沿着各个维度无限延伸，那么它的体积就是无限的。但如果它卷成一个圆柱并头尾相接，形成一个三维的环状甜甜圈，虽然其中的空间处处都是平坦的，但此时的体积却是有限大的（图11。1）。这就是为什么正曲率空间的体积是有限大的原因。但弗里德曼非常谨慎，没有说平坦的和负曲率的空间体积就是无限大的。他以圆柱体为例，指出将空间的每个维度都黏合起来，就能造出一个体积有限但空间可以是平坦的甚至是负曲率的宇宙。弗里德曼深知这种数学上的精妙之处，但当时的许多天文学家对此并不了解。尽管爱因斯坦的理论拥有这样一种美妙的性质，即宇宙中物质和能量的分布决定了各个地方的空间几何和时间的流逝速率，可是这个理论并没有确定空间的拓扑。＇7＇
如果除了简单的环状甜甜圈之外还有各种形式的黏合拓扑（wrap…around topologies），而我们宇宙的拓扑又属于其中之一的话，那么即使宇宙实际的大小有限，我们在测量曲率和膨胀速率时，似乎也会认为宇宙是“开放的”，体积无限大，并且会永远膨胀。20世纪70年代，一些宇宙学家研究了这种可能性。1971年，乔治·伊利斯当时在剑桥分类研究了宇宙各种可能的拓扑＇8＇，结果发现其中一些拓扑会产生与物理学相悖的古怪结论（例如，有些拓扑要求空间两头“黏合”之前要先打个结，于是一个右手①的基本粒子穿过之后就会变成左手的粒子），不过，仍有大量拓扑能够避免其中所有此类的问题。＇9＇
图11。1 二维空间组成的宇宙也可以像环状甜甜圈的表面一样
① 右手和左手指的是粒子的手征性。例如，伸出右手，四指握拳，指向粒子自旋的方向；拇指伸直，指向粒子运动的方向，那么该粒子的手征性就是右手的。反之，就是左手的。在通常的理论中，某些粒子的手征性是不变的，因此，这种允许手征性可以变化的拓扑就非常古怪。——译者注
如果我们的宇宙呈现为其中一种黏合拓扑，那么天文学家可能会观测什么样的现象呢？1974年，两个苏联科学家德米特里·索科洛夫和维克多·谢瓦茨曼研究了这个问题。＇10＇他们首先考虑了黏合拓扑会对明亮星系的镜像产生什么样的影响（图11。2）。这就像生活在一个充满镜子的大厅里。每个方向上都存在多个镜像，一个比一个暗淡，因为光绕着宇宙转了一圈又一圈之后才到达我们的眼睛。如果身处一个充满镜子的房间中，你就会在各个方向上看到无数个自己的镜像，一个比一个远，一个比一个小，一个比一个暗。
图11。2 将平面黏合成了一个圆柱的拓扑。不像平面宇宙，圆柱形宇宙的观测者可以看到不远处发出的绕宇宙转了好几圈的光子，这些光子都是很久以前发出的
检验自己是否生活在一个黏合拓扑的宇宙中的最简单方法是，选择一个明亮的星系团（巨大的后发座星系团是个不错的选择，它距离我们3。21亿万光年，包含了超过1000个星系），然后在天空中寻找它的镜像。这些镜像互不相同，因为光线沿着不同的路径传过来，镜像也就描绘了星系团不同时期的模样。当然，如果真的存在镜像，第一个镜像应该很明显。
如果宇宙正在利用黏合拓扑制造出体积无穷大的幻觉，那么以上想法就能够对宇宙的实际尺寸的最小值施加一个限制。根据索科洛夫和谢瓦茨曼的分析，以及后来理查德·果特在1980年的复算＇11＇，整个宇宙的尺寸下限在4～6亿秒差距之间。＇12＇当时，暴胀宇宙模型还没有出现，主流观点认为，“宇宙”只有一个，要么是有限的，要么是无限的。
1984年，莫斯科的泽尔多维奇和安德烈·斯塔罗宾基回到了从“无”（或者至少从量子真空）中产生宇宙的问题，并假设这时产生的宇宙拥有不同种可能的黏合拓扑。＇13＇当时，人们认为只有有限的宇宙才能以这种方式产生＇14＇，所以这些不寻常的拓扑是否比标准的拓扑更容易产生就是个很有意思的问题。他们发现，如果一个简单的平坦宇宙具有有限的尺寸和黏合拓扑，只要三个维度的尺寸都差不多大的话，这种宇宙就有可能像量子涨落一样产生。如果三个维度的尺寸各不相同，宇宙就必须从密度无穷大的奇点中诞生。
仅仅从爱因斯坦方程组出发，并不能确定宇宙的拓扑应该是哪一种。宇宙学家习惯采用最简单的拓扑，但是人们可以争辩说，奇特的黏合拓扑的种类要比简单的拓扑多得多，所以如果我们从魔术师的帽子中随机抽取宇宙的类型，那么更可能得到的结果应该是黏合拓扑的宇宙。还有人争辩说，有限的宇宙更加自然，�
