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利維坦按：如果拿地球來舉例的話，我們不論從南極走到北極，還是沿著赤道環行一周，都會發現地球是有限無界的——也就是說，你始終不可能找到地球的邊界，但你并不能因此就認為地球是無限的。如果按照霍金的觀點，宇宙也類似地球是有限無界的，只不過比地球多了幾維。多幾維怎么理解？試著想象一下魚在水中，對于它來說，水面之上的空間就是另外一個維度了。 今天這篇文章，圍繞著一個核心問題展開：我們人類對于宇宙的認知能力是否是沒有局限的？對此，作者給出了否定的答案。 延伸閱讀：《“科學幻想”癥：一位科學記者的質疑》（點紅字直接取閱） 文/Lawrence M. Krauss 插畫/Jackie Ferrentino 譯/lwl 校對/boomchacha 原文/nautil.us/issue/40/learning/how-much-more-can-we-learn-about-the-universe 人類的認知能力是無限的嗎？ 根據推測，大爆炸剛發生后的超光速暴漲過程產生了引力波。 作為一名宇宙學家，我在講座之后最常聽到的問題包括：宇宙外邊是什么？我們的宇宙會膨脹到什么樣，會永遠膨脹下去嗎？這都是些很尋常的問題，但還有一個更加深刻的問題困擾著我們——追根溯源，我們想要知道的是：人類的認知有沒有邊界？科學有沒有不可突破的局限？ 當然，問題的答案是，現在回答還為時尚早。除非真正遇到屏障，否則我們永遠無法知道人類的認知否有終點。然而，當下并沒有任何跡象能夠表明我們將會面臨難以突破的瓶頸。也許，在探索宇宙的漫漫征途上，我們會遇到激流險灘，但人類定能排除萬難，駛達知識的彼岸。有些人對我說：“我們永遠不能知道宇宙何時誕生”，“我們永遠不能知道大爆炸前發生了什么”。這些人著實剛愎自用，他們怎能預知未來，斷言人類在未來不會知曉某些事物呢？那些言論簡直就是無稽之談，迄今為止，科學史上沒有顯露出瓶頸的絲毫端倪。就拿我所從事的領域來說吧，我們對宇宙的知識在不斷增長，甚至50年前都沒有人能夠預見。 即使在最明朗的天氣里我們也無法看見永恒：理論上來講，我們最遠只能看見453億光年遠的地方。盡管這表明我們認知有直接的極限，但這也無法阻擋我們探索自然界的奧秘的雄心壯志。圖源：NASA/Bill Ingalls 誠然，這并不意味著自然對我們所能觀察到的事物范疇，觀察事物的途徑沒有任何影響。比如說，海森堡不確定性原理①對我們所能觀察到的粒子在任意時間的位置做出了限制；光速限定了我們能看到、移動的最大距離。但是這些限制最多只能給出人類無法觀測、而非最終無法知曉的事物。不確定性原理并沒有妨礙我們探索量子力學，了解原子的性質，發現所謂的虛粒子（我們不能直接探測到，但確實存在的一種粒子）②。 宇宙的膨脹確實暗含著起源，因為如果我們反推回去，那么在遙遠過去的某個時間點上，我們能觀測到的宇宙中的任何事物都共同存在于一個奇點中。在那一瞬間，也就是現在被稱之為大爆炸的時候，我們所知的物理學定律都不適用了，因為描述引力的廣義相對論無法解釋描述微觀物理的量子力學。但是大部分科學家都認為，從根本來說，這并非認知的邊界，因為我們希望通過改進廣義相對論，使其與量子理論相互兼容。弦理論（String theory）就是個廣為人知的例子。
鑒于這樣一個理論，我們也許就能夠回答，大爆炸之前到底發生了什么（如果存在的話）。最簡單的回答往往也是最不令人滿意的。狹義與廣義相對論將時間與空間統一為一個實體：時空。如果空間是在大爆炸時產生，那么時間可能也是如此。在這樣的情況下，就沒有時間上所謂“之前”的概念（因為在誕生之前，時間并不存在）。那么，先前的問題便不值得回答了。但這并不是唯一的解答，而且我們需要等到一個量子引力理論以及實驗證實之后，才能對我們的回答有一定的把握。 接下來，從空間的角度來說，我們是否能夠知道，宇宙的邊界是什么，外邊又是什么？我們不妨再次大膽猜測。正如我在新書《從無到有的宇宙》（A Universe from Nothing）中詳細討論的一樣，看似最有可能的是：如果時空自然產生，那么它的總能量可能為零，因為物質的能量恰好與引力場的能量相互抵消。簡而言之，如果事物總計為零，那么它能夠從無到有。現在，我們能夠查證的唯一總能量為零的宇宙，是閉宇宙③。這樣的宇宙有限無界。就像我們可以在球體表面一直行走而不會遇到任何邊界一樣，我們的宇宙可能也是如此。如果我們在一個方向上看得足夠遠，就能夠看到我們的后方。 實際上，我們無法這么做，可能因為我們可見的地方僅僅是宇宙的一小部分。這個原因與被稱之為“暴脹”（inflation，宇宙暴脹，簡稱暴脹，是早期宇宙的一種空間膨脹呈加速度狀態的過程）的概念有關。大多數在微觀尺寸上自發出現的宇宙會瞬間重新坍縮，而不會持續存在數億年。但是，在某些宇宙中，虛空會被賦予能量，并且這種能量，至少在短時間內，能夠使宇宙以指數形式膨脹。我們認為這樣的暴脹時間出現在大爆炸擴張的初期，并且防止宇宙立即再次坍縮。在這個過程中，宇宙膨脹到難以想象，以至于在任何意義上，似乎是平坦并且無限的——比方說，盡管位于一個叫做地球的巨大球體上，堪薩斯州的玉米地一樣看起來廣袤無垠。即使我們的宇宙可能是封閉的，這就是為什么我們在觀察宇宙時依然無法看到我們后方的原因。從理論上來講，如果暴脹沒有在我們可見的宇宙中重新開始，并且沒有存在于其他我們不可見的區域中，只要我們等得足夠久，就能看見所有事物。 考慮到我們還未觀測到，以及永遠無法觀測到的區域可能正在暴脹——事實上，近期的理論表明，這種情況極有可能發生。如果我們認為“我們的宇宙”指的是我們曾經能夠，或是終有一天能夠進行交流的地方，那么，在我們的宇宙之外，暴脹通常還會創造出的別的宇宙。暴脹可能在我們所處的空間中很短暫，但別的地方則永遠在指數膨脹，偶有像我們的宇宙一樣的孤立區域從中分離出來，既脫耦（decoupling）。正如同當溫度低于冰點時，在快速流動的水面上能夠形成冰塊一樣。每一個這樣的宇宙都存在一個開端，限定于暴脹在它的空間體積中結束的時間。也就是說，我們宇宙的開端并不一定標志著時間的起始。這進一步否定了大爆炸即認知的天花板這種言論。 碰撞中的星系：這種宇宙的暴亂終有一天不復存在，遙遠未來的人類可能永遠不會意識到我們的宇宙曾經是多么活躍。圖源：NASA 考慮到每個宇宙從背景空間中脫耦的過程不同，其中的物理學定律可能也不相同。我們稱這樣可能的宇宙集合為“多元宇宙”。多元宇宙的概念在科學界頗具吸引力，不僅可以解釋如暴脹之類的現象，還主張多個含有獨特物理定律的宇宙的存在。如此說來，看似莫名其妙的基本參數，其實是在宇宙誕生時隨機產生的。 就算還有別的宇宙存在，我們也永遠無法直接探測到。因為這些宇宙不但處于距離我們非常遙遠的地方，而且以超光速后退。那么，多元宇宙理論僅僅是形而上學嗎？無法驗證其存在，是否代表著我們的認知有根本上的極限？答案是：非也，非也。盡管可能永遠不能直接觀測到別的宇宙，我們依然能夠通過以經驗為主的方式檢驗理論。比如說，通過觀測暴脹產生的引力波，理論上能夠檢驗宇宙創生時暴脹過程的詳細資料。這些波與最近被LIGO④探測到的引力波類似，只是起源于大爆炸的初期，既暴脹時期。就像我們在各種各樣的實驗中找尋遺留在大爆炸余暉——宇宙微波背景輻射中的信號一樣，如果能夠直接探測到這些引力波，我們就可以研究暴脹的奧秘，確定永久性的暴脹是否是這種物理現象的結果。因此，盡管無法直接探測到別的宇宙是否必然存在，我們可以間接證明這一點。 簡而言之，只要我們足夠聰明，理解最深奧的形而上學問題也不是個事兒。我們之前或許認為，我們永遠不可能從經驗上探求這些問題，比如宇宙存在的可能性。目前，依靠著推理以及實驗觀測，我們還沒有發現任何的認知局限。 無限的宇宙引人入勝，并且激勵著我們不斷進行探索。但是我們能夠自信地說，我們的認知也是沒有局限的嗎？這個嘛，不可以。 暴脹確實給我們的認知設定了根本的限制——特別是對過去的認識。暴脹在本質上重置了宇宙，有可能摧毀了在此之前關于動態過程的一切信息。在暴脹過程中，空間快速膨脹，在極大程度上降低了單位區域內物質的密度。所以，暴脹可能抹去了諸如磁單極子的蹤跡（理論上表明，磁單極子是一種在宇宙早期應該大量產生的粒子）。這是暴脹的獨特功績之一：解釋了理論上存在、卻至今未觀測到磁單極子的原因。但在化解矛盾中，暴脹又抹去了我們的過去。 更糟糕的是，暴脹仍在抹去別的信息。我們現在顯然處在另一次暴脹過程中。我們與其他星系的間距正在擴大，這表明宇宙正在加速膨脹，而非減速。這就好像占主導的引力勢能存在于物質或輻射內，而不是在虛空里。我們現在對這種能量的起源一無所知。每種潛在的解釋都對認知的發展，甚至是我們自身的存在加以了限制。 如果宇宙經歷某種相變⑤ （phase transition）——宇宙版的蒸汽凝結為液態水的現象，那么這種虛空的能量可能會突然消失。如果這種情況真的發生了，不但力的基本性質會變，而且宇宙中所有我們能夠看見的結構，從原子到人類，都有可能會變得不穩定，甚至消失。 但是即使膨脹仍在繼續，未來的景象也相當沉悶。在大約兩萬億年后，宇宙內的其他事物會從我們的視野里消失。兩萬億年對人類來說是個天文數字，但對宇宙來說則不然。在這樣遙遠的未來后，生活在群星中的觀察者會認為他們周圍只有無盡的虛空，身處孤單的星系，沒有宇宙加速膨脹，更別提大爆炸的跡象了。正如我們失去了磁單極子的蹤跡，他們也無從得知我們已知的歷史（雖然某些現象當下無法觀測到，但未來的他們，或許可以。所以我們也不應有優越感）。 不管怎么說，我們都應享受短暫的人生，盡力探索浩瀚的宇宙。路漫漫其修遠兮，汝當上下而求索！ 注釋： ①在量子力學里，不確定性原理（uncertainty principle，又譯作“測不準原理”）表明，粒子的位置與動量不可同時被確定，位置的不確定性越小，則動量的不確定性越大，反之亦然。（摘自維基百科） ②虛粒子（virtual particle），意即虛構粒子、假想粒子，是在量子場論的數學計算中建立的一種解釋性概念，指代用來描述亞原子過程例如撞擊過程中粒子的數學項。但是，虛粒子并不直接出現在計算過程的那些可觀測的輸入輸出量中，那些輸入輸出量只代表實粒子。虛粒子項代表那些所謂離質量殼（off mass shell）的粒子。例如，它們沿時間反演、能量不守恒、以超光速移動，每條看起來都和物理基本原理相悖。虛粒子發生在那些大致可被實輸出量相消的組合項中，因此才產生了前述那些不實的沖突。虛粒子的虛「事件」通常看起來是一個緊接著另一個發生，例如在一次撞擊的時長中，所以他們顯得短命。如果在計算中略去那些被詮釋為代表虛粒子的數學項，計算結果將變成近似值，有可能較大地偏離完整計算得到的正確而且精確的結果。（摘自維基百科） ③閉宇宙（closed universe），如果宇宙內的物質多到足以抗衡大爆炸造成的膨脹，宇宙最終會坍縮回去。（譯自《牛津英語詞典》） ④激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，縮寫：LIGO）是探測引力波的一個大規模物理實驗和天文觀測臺。2016年2月11日，LIGO團隊于華盛頓舉行的一場記者會上，共同宣布人類對于引力波的首個直接探測結果。所探測到的引力波來源于距離地球13億光年處的兩個大約30倍太陽質量的黑洞融合。（摘自維基百科） ⑤ 相變是指物質在外部參數（如：溫度、壓力、磁場等等）連續變化之下，從一種相（態）忽然變成另一種相，最常見的是冰變成水和水變成蒸氣。然而，除了物體的三相變化（固態、液態、氣態），自然界還存在許許多多的相變現象，例如日常生活中另一種較常見的相變是加熱一塊磁鐵，磁鐵的鐵磁性忽然消失。（摘自維基百科） 最后，可以看看利維坦之前推送過的1977年的著名短片《十的次方》，短片中運用比例的概念，并把廣袤無垠的宇宙比作是碳原子的微觀世界： （建議Wifi環境下瀏覽）每隔10秒，我們看到的畫面就會比10秒前遠10倍……接著，鏡頭又快速拉近，每隔2秒，拉近10倍 “利維坦”（微信號liweitan2014），神經基礎研究、腦科學、哲學……亂七八糟的什么都有。反清新，反心靈雞湯，反一般二逼文藝，反基礎，反本質。 |
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