爱因斯坦曾惊叹上帝在创造宇宙万物时是否也有选择的余地:他最希望的答案的是没有选择——
爱因斯坦及以后的几代物理学家都希望,在自己辛勤耕耘结束时,会有一种解答——即所谓的“万物理论”——可用来解释为什么万物生灵是现在的模样,而非别的什么模样;为什么会有宇宙大爆炸,为什么会有时空维度的数量和基本粒子的质量。
20年来,物理学家们一直把希望寄托于弦理论。这是一种极为复杂的数学模型,它把自然界描绘成由蜿蜒曲折的弦和膜所构成,而不是由细小的粒子或波所构成。
弦理论曾一度被看作是一个偶然掉进20世纪的21世纪的物理学片段。它已成为科学界最时髦领域(或最热门话题)之一,在畅销书中倍受推崇,如最近由哥伦比亚理论家布赖恩 · 格林(Brian Greene)所著的《幽雅的宇由》,以及今秋陆续播放的一部关于《新星》的小型电视系列片。
从原理上讲,弦能够把自然界的各种力,包括万有引力统一在同一个数学框架中。但自然界的“弦质性”只有在达到小规模星系规模的粒子加速器中才能产生的能量和温度条件下会证明其自身的存在。
结果,物理学家们受到自身数学想象力的限制,只好从上帝的粒子加速器——即宇宙大爆炸——中筛选宇宙数据来寻找线索。
希望是:当能说的都说了,能做的都做了之后,弦理论的复杂方程式最后将只剩下一种解答,即一种对应于唯一可能宇宙的解答。可是,弦理论方面的最近进展似乎背道而驰,使得物理学离希望的唯一解答更加遥远。弦理论方程式的答案似乎不止一个,而是多得成千上万,不计其数。每个答案都描述一个逻辑上可能的宇宙,以至于无法判断到底哪一个解答描述了我们所在的宇宙。
在一系列的概念突破和技术中,斯坦福大学的一批理论家表示,弦理论可能描述一个其膨胀速度在加速——许多专家认为这是不可能的——的宇宙。
斯坦福大学的伦纳德 · 萨斯坎德(Leonard Susskind)博士说,理论家们面对着形形色色的众多时空,每一个时空都有其不同的特性。对于人类的存在,他说:“我们生活在我们能够生存的地方。”这一成就非同小可,因为宇宙学家现在推论认为,一些令人迷惑不解的、迄今尚未确认的“暗能量”正在比以往任何时候更加猛烈地把空间“扳”开。根据天文观察资料,宇宙的70%是由这种能量构成的。
根据斯坦福大学的沙米特 · 卡库鲁(Shamit Kachru)、雷纳塔 · 卡洛什(Renata Kallosh)和安德烈 · 林德(Andrei Linde),以及孟买塔塔基础研究所的桑迪普p · 特里维迪(Sandip P. Trivedi)博士新的计算表明,暗能量不可能永远维持下去,它将在遥远将来的某个时候消失。
但是,这些计算也证实,弦理论可能拥有海量的答案,每一个答案代表一个不同的宇宙,它们的物理规律稍有不同。这些宇宙中任何一个特定宇宙的具体特性——描述基本力和基本粒子的规律——有可能是随机的。
结果,弦理论家和宇宙学家面前呈现出萨斯坎德所谓的“宇宙景观"。萨斯坎德声称,与爱因斯坦的愿望相反,上帝和物理学家们也许都不在这些可能性中间进行选择,他们宁愿选择生命。“在宇宙景观中,只有很小一部分宇宙侥幸拥有适合于生命的特性综合。
我们发现自己处于这些宇宙之中,应该是不足为奇的。”
萨斯坎德承认,许多抱有爱因斯坦式预言梦想的同事对上帝用物理学法则掷骰子的想法感到惊讶不已。他们当中有加利福尼亚圣巴巴拉卡弗利理论物理学研究所所长大卫 · 格罗斯(David Gross)博士,他说:“就科学的最终目标而言,我是一个完全的爱因斯坦论者。”
但是,宾夕法尼亚大学的宇宙学家马克斯 · 特格马克(Max Tegmark)说:“我认为这一宏大的梦想基本上没有生命力。”
特格马克与巴黎近郊的高级科学研究所的迈克尔 · 道格拉斯(Michael Douglas)把弦宇宙的过多现象称为“艾丽丝的餐馆"问题。
他说:“你可以在艾丽丝的餐馆得到你想要的任何东西。这是一种某某事物、极多事物或乌有事物的理论吗?那就是我们在试图确立的东西。”
早期的希望:不是粒子而是弦
自从现代形式的弦理论于1984年成功地崭露头角以来,弦是否能提供对宇宙的唯一解答这个问题一直困扰着物理学家。同年,加利福尼亚理工学院的约翰 · 施瓦兹(John Schwarz)和英国剑桥大学的迈克尔 · 格林(Michael Green)提出,把基本粒子看作是微小的弦而不是微小的点,可以消除那些追求把万有引力与亚原子物理学相结合的理论中的令人头疼的数学异常问题。
甚至连爱因斯坦也未能把那些完全不同的、数学上矛盾的领域统一起来。但1984年的计算重新激起了物理学家们打开所谓的万物理论的希望。
哈佛大学物理学教授安德鲁 · 斯特罗明格(Andrew Strominger)说:“曾经有过这种狂热、放纵,我们后来为此付出了代价。”在1985年,斯特罗明格、普林斯顿高级研究所的爱德华 · 威顿(Edward Witten)、加利福尼亚大学的加里 · T· 霍罗威茨(Gary T. Horowitz)博士以及现任职于得克萨斯大学的菲利普 · 坎德拉斯(Philip Candelas)博士发表了一篇经典的论文,提出构建与描述我们四维宇宙中粒子和力的所谓标准模型相一致的弦理论是可能的。
有一个问题是,弦理论要求十维时空,而我们看起来是生活在四维时空中。斯特罗明格记得,当他发现一篇由现任职于哈佛大学和香港中文大学的数学家丘成桐(Shing-Tung Yau)博士写的论文时,他是多么地激动。这篇论文证明了已从宾夕法尼亚大学退休的尤金尼奥 · 卡拉比(Eugenio Calabi)博士的推测,即维度可能以显微状态下不可见的方式被弯曲了,就如地毯中的毛圈那样。
这篇论文描述的仅仅是这种折叠可能发生的一种方式而已。但是丘博士很快告诉物理学家们,存在成千上万个现在称为卡拉比-丘(Calabi-Yau)空间的事物,每一个这样的空间代表着弦方程式的一个不同解答。斯特罗明格博士说,到了他们的论文完成的时候,“弦理论的唯一性肯定已经遭到质疑。”
那仅仅只是开始。对于成千上万种把维度卷曲成卡拉比-丘时空的每一种方式而言,有数以百计的细微变化形式,如同毛圈的大小以及电场和磁场从中穿越的方式那样。当这些不同变化形式被考虑在内后,解答的数量和可能宇宙的数量将轻松地超过10100种。
挑战:不适合生命或物理学的宇宙?
如此众多的可能性使得那些想要通过比较弦理论对真实世界的种种预言来检验弦理论的科学家们裹足不前。当5年前天文学家发现宇宙的膨胀明显在加速的时候,一个揭露真相的正确答案线索——同时也是一个巨大的挑战——就露出了端倪。但是直到最近,许多理论家仍不相信弦能够产生哪怕是一例加速的宇宙。
原因是,这一行为的最主要解释是宇宙斥力,称为宇宙恒量,一个产生于空洞空间本身的特性。
宇宙恒量是由爱因斯坦于1917年作为用于稳定宇宙的一个捏造因素而创造的。后来,天文学家探明了宇宙并非静止不动,而是在不断扩张着,爱因斯坦也就放弃了这个说法。
如果爱因斯坦的捏造因素压根儿就是真实的,那么宇宙将随着空间的不断扩大,宇宙斥力的不断增强而继续扩张,并且越来越快。
弦理论家们并不知道如何对付宇宙恒量。根据量子力学,即支配亚原子物理学的超自然法则,空洞的空间应该充斥着时存时亡的能量和粒子,它们的整体效应可能产生一个像爱因斯坦宇宙恒量那样的排斥力。但是,计算结果还表明,该排斥力应该是天文学家已测量到的力的大约1060倍;如果果真如此,那么这个力早就在原子、星系或人类可能形成之前的第一个毫秒时间里就把宇宙给吹散了。
位于圣克鲁斯的加利福尼亚大学的托马斯 · 班克斯(Thomas Banks)、得克萨斯大学的威利 · 菲什勒(Willy Fischler)、萨斯坎德和威顿博士等在内的一些物理学家指出,除此之外,一个永久性加速的宇宙会表现出深刻的概念性问题。
如此的一个宇宙会慢慢地清空自身的能量和信息,因为大多数星系最终会飞速离去,以至于人类无法看到它们。可观察到的宇宙实际上会缩小,仿佛被一个黑洞所包围。生命将变得不复可能,阐明物理学的通常方法也将不再适用。
卡库鲁指出,此类争议的结果是,人们广泛推测,一个被永久加速的宇宙——即一个拥有宇宙恒量的宇宙——与弦理论是不相容的。
他补充说,他和他的同事们被促使在可能存在的无数弦宇宙中寻找宇宙恒量,这在一定程度上与这样的主张相悖。
障碍:一个突破,一个无望的突破
去年冬天,卡库鲁及其同事们成功地利用弦理论构建加速的宇宙,不过扭曲得相当厉害。
在每一种情况下,加速仅仅是暂时性的。它也许能持续一段极为漫长的时间,但宇宙恒量这种暗能量最终仍将烟消云散,适时地消亡以避开弦理论家们一直担心的种种永久性加速问题。到那时,宇宙只能苟延残生。
该项工作在先前工作的基础上分别由卡库鲁与圣巴巴拉研究所的约瑟夫 · 波尔钦斯基(Joseph Polchinski)和加利福尼亚大学的史蒂文 · 吉丁斯(Steven Giddings)与拉斐尔 · 布索(Raphael Bousso)博士共同进行的。
林德解释说,暗能量衰退的部分原因是这些解答描述了我们在自己周围所观察到的四维宇宙——三维空间加一维时间——其他六维被紧密卷起,以至于它们不能提供密闭空间。但是,要持续约束其他的维度需要耗费能量。
卷曲的圈圈迟早会像缠绕的橡皮筋那样伸展开,穿过一系列只要越来越少的能量来维持的宇宙恒量设置,直至最后其他维度扩张,宇宙恒量消失为止。
天文学家们一致认为,宇宙恒量的衰退将是命中注定的。到那时刻,泡沫般的十维空间将以光速向外无限延展,重新安排物理学和原子与行星的前景,更不用说生物了。
运气:有争议的观点再次登场
宇宙无疑是适于居住的,但为什么一直是一个令人头疼的和两极分化的问题呢?《如吾所识之生命》一书似乎要求对若干原子参数和天文参数变出一个近乎奇迹的戏法来。
宇宙是专为我们设计的?还是我们碰上了好运气?
在寻找答案的过程中,一些理论家借用所谓的人择原理,该原理认为我们的宇宙必定具备适合于生命的法则。不然的话,我们就不会在这里看到它。现在巴黎天文台工作的布兰登 · 卡特(Brandon Carter)博士于1974年提出,宇宙在外观上的“微调"只不过是我们自己在此作为观察者而存在的一种人为结果。
该原理与新近的宇宙大爆炸理论非常贴合,大爆炸理论认为,通过望远镜看到的宇宙不过只是一连串无穷无尽互相萌生的泡沫宇宙的其中之一。
如果只存在一个宇宙,那么宇宙适合于我们这一事实就显得难以置信般的幸运了。但是,如果有许多宇宙可供选择,那么我们的存在就不那么希奇了。
萨斯坎德说,也许是弦理论宇宙的多样性给了元宇宙一个为生命提供栖息的机会。
他喜欢把它描绘成一条山脉,即“宇宙景观”,在这一景观中,山峰的高度代表着该宇宙设置的能量即宇宙恒量。宇宙就像绕着山峰转的水,总是往低处流。那儿有它可以停下来休息的峡谷、盆地和原野。但它能够伸展开,像一个浪头涌过山头倾泻而下,从一个峡谷奔流到另一个峡谷,从一种宇宙设置的维度与疆域奔流到另一种设置的维度与疆域。
无论宇宙以什么形式开始,它都将分蘖出别的形式。如果它保持奔流不息,那么它终将来到一个宇宙恒量幸运组合的峡谷,即有地方让星系和有机化学存;在的峡谷。萨斯坎德解释说,如果一小部分宇宙能够维持生命,那么就会有一个良机让生命在某个地方滋生出来。“无论我们喜欢与否,”新的发现为人择原理以及它可能如何起作用的数学框架提供了进一步的凭证。
但是,这样的“人择思维”对于许多物理学家来说是失败的。格罗斯说:“我们看到这种事情作为对难题的反应时而发生,有些问题是无法解决的这个观念对于较年轻一代来说是令人气馁的,并指出没有人甚至知道弦理论的最终形式会是什么样。”
萨斯坎德承认他一度曾站在问题的另一边。他说:“我自己也让这种理论搞得晕头转向。当你不得不放弃你最喜爱的理论将做些什么的梦想时——寻求唯一答案的证明——那真是难以接受。”
未来:仍旧恭听有序争辩
斯特罗明格对关于人择原理辩论表现出弦理论的“要么全有要么全无的心理”时说:“解决某些问题是不够的,必须解决每一个问题。”
理论家们长期以来一直希望,这些答案(除了一个以外)全都能通过一些数学上的矛盾或无法复制宇宙的某个重要特征——如宇宙恒量——消去自身。拉特格斯的道格拉斯已经向这种希望提出了挑战,说弦理论可能有如此多的解答,以致于物理测量无法将它们加以区分。
的确,他在最近的论文中指出,弦理论没有无穷尽的解答这一点尚未得到证实。迄今为止,任何事情似乎都是可能的。
道格拉斯没有到无数种解答|中去筛选一个适合于我们宇宙的解答,而是开发了一些统计方法,用以对全套弦理论解答进行整体|分析,以便找到在这些解答被挨个检验时不会显露出来的模式。
其结果可能有助于确定这个“可能性大观园”中有哪些特征更加普通些,哪些较为罕见些,以及有多少种解答实在是太多了。
道格拉斯在一次采访中说:“我自己的哲学是,应该尽我们的最大努力去倾听弦理论在设法告诉我们的东西。它比我们更聪明。”
卡库鲁认为,“确凿证据”确认的弦理论可能从把它与今天的宇宙进行比较中加以发现这样的期望可以说是一厢情愿。他说,弦理论的全部光环只有在比地球上的粒子加速器所能产生的能量强数万亿倍时才会显露出来。
他说,也许理论家们应该在宇宙大爆炸中寻找确凿证据。
当问及确凿证据可能是什么时,卡库鲁博士笑笑说:“要是我知道的话,那么我现在就在那个领域里工作了。”
[The New York Times,2003年9月2日]