Brian Greene: 我們的宇宙如何巧妙地容許生命?

幾個月前， 兩個天文學家的團隊， 因為他們所作出的一個 被稱為天文觀測史上 最重要的觀察之一， 而獲得了諾貝爾物理學獎。 而今天，在簡短的描述他們的發現之後， 我將告訴你們一個可以解釋他們的發現， 但卻非常有爭議的理論架構。 那就是， 在超出地球， 超出銀河系和一切遙遠的星系以上， 我們可能會明白我們的宇宙 并不是唯一的宇宙， 而只是一個極度龐大的宇宙群， 我們所謂的多元宇宙， 其中的一個。

多元宇宙的想法有些奇怪。 我們大多數人在成長中都被教予 “宇宙”這個詞代表著所有的一切。 我說“我們大多數”是經過考慮的， 因為我的四歲的女兒從出生便開始聽我說這些想法， 而去年當我抱住她 然後我對她說： “索菲亞， 我愛你超過宇宙中所有的一切。” 然後她轉過來對我說， “爸爸， 是宇宙還是多元宇宙？” （笑聲）

但在這反常的教育以外， 設想和我們的世界 分離的領域還是很奇怪， 它們或許有著從根本上完全不同的特徵， 并各自可以被稱作宇宙。 但是，雖然 這個設想只是推測， 我的目標是說服你們 的確有理由來認真的考慮它， 因為它有可能就是真的。 我將把多元宇宙的故事分成三部份。 在第一部份， 我將描述那獲得諾貝爾獎的研究結果， 以及這些結果揭發的 一個意義深遠的謎團。 在第二部份， 我將為那個謎團提出一個解釋。 它基於一個叫做弦理論的方法， 並會將多元宇宙的概念 來引進這個故事中。 最終，在第三部份， 我將描述一個叫做“暴脹”的 宇宙論， 而它將把故事所有的片段聯繫在一起。

好的。 第一部份從1929年開始。 著名的天文學家愛德文.哈伯 發現遠處的星系 都在迅速的離我們遠去， 說明了空間本身正在伸展， 在擴張。 而這是突破性的。 當時普遍的認知是，在最大的範圍內， 宇宙是靜止的。 但即使如此， 有一件事情是所有人都確信的： 擴張必定在逐漸緩慢下來。 就像地球上的萬有引力 將往上拋的蘋果的速度慢下來， 每一個星系對對方的 萬有引力 必定也在將空間的擴張 緩慢下來。

現在讓我們快轉到90年代， 當我在一開始講到的 那兩個天文學家的團隊 受到了這個推理的啟迪， 來測量宇宙擴張 減慢的速度。 他們 對很多個遠處星系 做出的縝密的觀察 允許他們記錄下來 宇宙隨著時間過去，擴張速度的變化 而令人吃驚的事情發生了： 他們發現擴張并沒有緩緩減速。 相反，他們發現它正在加速， 越來越快。 這就像將一個蘋果拋上空中， 然後它往上的速度越來越快。 如果你看到一個蘋果那樣表現的話， 你會想知道這是爲什麽。 是什麽東西在推動著它？

同樣的，這些天文學家的結果 肯定應該獲得諾貝爾獎， 但它們也提起了一個相似的問題。 是什麽力量在將 所有的星系往外 以越來越快的速度推動？ 最好的答案 源於愛因斯坦的一個老想法。 你看，我們都習慣於萬有引力 只做一件事情， 那就是將事物拉到一起。 但在愛因斯坦的萬有引力理論， 它的廣義相對論中， 萬有引力也可以將事物推開。

這是如何做到的？根據愛因斯坦的計算， 如果空間被一種 無形的能量均勻的佔據， 就像一個均勻的，無形的迷霧， 那麼這個迷霧產生的引力 將會是相斥的， 而相斥的引力 恰恰可以提我們解釋這些觀察結果。 因為空間中一種無形的能量 產生的相斥的引力 - 我們現在叫它暗能量， 但我在這裡將它變成煙霧般的白色讓你能看到 - 它的相斥的引力 會導致每一個星系互相推動， 將擴張速度變快， 而不是變慢。 而這個解釋 代表著很大的進展。

但我答應了你在第一部份 有一個謎團。 謎題是如此的: 當這些天文學家計算出 空間中需要 多少暗能量 才能導致現在的宇宙擴張加速， 看看他們所發現的。 這個數字很小。 以相應的單位时表示， 它令人吃驚地小。 而謎團便是如何解釋這個古怪的數字。 我們想讓這個數字 從物理定律中自然的浮現， 但目前為止沒有人知道如何做。

現在你可能在想， 這是你應該關心的嗎？ 或許解釋這個數字 只是一個技術上的問題， 一個專家對之有興趣的技術細節， 但對其他人來說沒有任何意義。 它的確是一個技術細節， 但有些細節真的狠重要。 有些細節可以為 探索未知的現實提供一扇窗。 而這個特殊的數字很有可能就是這扇窗， 因為到目前為止，唯一一個可以解釋它的方法 包括了其他宇宙的存在的可能 - 一個從弦理論中自然而然浮現的理念， 而從這裡我開始講第二部份： 弦理論。

請將神秘的暗能量 暫時放在腦後， 因為我將告訴你 關於弦理論的三個關鍵的事情。 首先，弦理論是什麽？ 它是一個可以完成愛因斯坦的夢想， 一個統一的物理理論的方法， 一個可以形容 宇宙中所有運行的力的 全面的思想架構。 而弦理論的中心思想 很直接明瞭。 它說，如果你近乎無限仔細的考察 任何一個物質， 一開始你會發現分子， 然後你會發現原子和次原子微粒。 但弦理論說，如果你能夠在探查的更細微一些， 比任何我們現在擁有的科技可以做到的都細微， 你會發現在這些微粒中還有東西 -- 一個很小的，振動的能量絲， 一個很小的，振動的弦。 而就像一個小提琴的琴弦一樣， 它們可以以不同的頻率振動， 產生不同的音調。 這些小的基礎的弦們， 當它們以不同的頻率振動的時候， 它們會產生不同的微粒， 比如電子，夸克，中微子，光子， 以及所有的其他的微粒 都會被統一在一個體系之下， 因為他們都由振動的弦構成。 這是一個非常扣人心弦的構想， 一種星雲交響曲， 我們所看到周圍的 這個世界上的富饒的一切， 都在這些細小的弦的 演奏中形成。

但這個優美的統一理論 有著一個代價， 因為多年的研究 表明了弦理論的數學不怎麼貫通。 它有著內在的矛盾， 除非我們考慮 一個我們完全不熟悉的東西 -- 額外的空間維度。 我們每個人都知道常見的三個空間維度。 而你也可以將它們想成 高度，寬度，和長度。 但弦理論說，在極度小的比例上， 存在著額外的維度， 縮小到了我們還無法 測試到的地步。 但雖然那些維度被隱藏著， 它們對於我們可以觀察的東西有著一定的影響， 因為這些額外的維度的形狀 決定了弦們如何振動。 而在弦理論中， 振動決定一切。 所以微粒質量，力的力度， 以及最重要的，暗能量的數量 都會由這些額外的維度的 形狀決定。 而如果我們知道了這些額外維度的形狀， 我們應該可以計算這些特徵， 計算暗能量的數量。

我們的挑戰是， 我們并不知道 這些額外維度的形狀。 我們只知道 一些數學允許的 候選形狀。 當這些想法第一次被發展出來的時候， 候選的形狀只有五個左右， 所以你會覺得 將它們一個一個的分析 來決定是否有一個可以產生 我們觀察到的物理特徵。 但隨著研究人員不斷的找到其他的候選形狀 數量不斷的在增加。 它的數字從五個增長到幾百個甚至幾千個 -- 一個雖然龐大，但仍然可以處理和分析的數字， 因為不管如何， 研究博士生們總需要些事情做。 但這個清單繼續增長 到了百萬甚至今天的數十億。直到今天， 候選形狀的清單 百億從猛增到了萬億。

現在該怎麼辦？ 有一些研究人員失去了信心， 覺得因為額外維度有著如此之多的候選形狀， 每一個又可能產生不同的物理特徵， 弦理論永遠也不可能做出 確定的，可測試的預測。 但其他人決定從問題的源頭開始， 回到一個多元宇宙的可能。 想法是這樣的。 或許這些形狀的每一個都是與其他的形狀平等的。 每一個都是真實的， 這意味著 有著很多的宇宙， 每一個都有著不同形狀的額外維度。 這一個重大的提論 對於這個謎題有著深遠的影響： 關於著那得了諾貝爾獎的暗能量的數量。

因為 如果有著其他的宇宙， 以及如果那些宇宙每一個的額外維度 都有一個不同的形狀 那麼每一個宇宙的物理特徵就會不同， 而特別的， 每一個宇宙的暗能量的數量 就會不一樣。 這意味著解釋 我們測量的暗能量的古怪數量 會有著一個完全不同的意義。 在這種情況下， 物理定律不會能解釋暗能量的一個數字， 因為不止有一個數字， 反而有很多。 這意味著 我們一路以來都問錯了問題。 對的問題應該是， 爲什麽我們人類會在 一個有著特定的數量的暗能量的宇宙， 而不再外面存在的無數的 其他可能之中？

而這個問題我們可以嘗試解決。 因為在那些有著 比我們更多的暗能量的宇宙中， 每當物質試圖凝聚成星系的時候， 暗能量所產生的相斥力量會強大到 將凝聚的物質爆開， 以致星系無法形成。 而在那些有著比我們少的暗能量的宇宙中， 他們的崩塌的速度會快到 使星系無法形成。 而沒有星系的話，恒星和行星也不會形成， 也不可能會有 像我們這樣的生命 存在於那些宇宙當中。

所以我們所在的宇宙有一個 特定數量的暗能量 僅僅因為我們的宇宙有著可以讓 我們這種生命發展的條件。 就是這樣。 秘密被揭開了。 多元宇宙也找到了。 有些人對這種解釋很不滿意。 我們都習慣于物理 為我們觀察到的東西給予確定的解釋。 但其實 如果一個你觀察到的特性 可以或者的確 在不同的現實中有著 很多不同的數值， 那麼只想著給予其中一個數值 一種解釋 未免誤入歧途了。

一個早期的例子 來自于偉大的天文學家約翰內斯。開普勒。 他癡迷于試圖瞭解 一個不同的數字 -- 爲什麽太陽離地球有九千三百萬英里？ 他花了幾十年來解釋這個數字， 但他從未成功，而我們知道爲什麽。 開普勒問了 一個錯的問題。

我們現在知道宇宙中有很多行星 和他們的恒星有著完全不同的距離。 所以希望物理定律 能解釋一個特別的數字，九千三百萬英里， 也是誤入了歧途。 反而，正確的問題應該是， 爲什麽我們人類存在在一個離恒星 剛好這麼遠的一個距離上的行星中， 而不在任何其他一個可能中？ 再一次，這個問題我們可以回答。 那些離像太陽一樣的恒星太近的行星 會熱的 讓我們這種生命無法生存。 而那些離恒星太遠的行星 又冷到 讓我們這種生命無法形成。 所以我們才會在一個 離恒星有著特定的距離的行星上， 僅僅因為它製造出 對於我們這種生命必須的環境。 而對於行星和距離來說， 這明顯是一個對的邏輯。 我的意思是， 當說到宇宙和它所包含的暗能量， 這也有可能是對的邏輯。

當然，最重要的不同點在於 我們知道外面有著其他的星球， 但到目前為止我們只能猜測 有其他宇宙的可能性。 所以讓它合理化的話， 我們需要一個 可以產生其他宇宙的機制。 而這帶我們來到了第三也是最後一部份。 因為這個機制被研究大爆炸的 宇宙學家發現了。 你看，當我們講大爆炸的時候， 我們經常會想到 一種類似于星雲爆裂 而造成空間不停的擴張的 產生宇宙的方法。

但這裡面哪有一個小小的秘密。 大爆炸理論沒有包括一個非常重要的東西， 那就是爆炸的時候。 它告訴我們宇宙是如何在爆炸以後產生的， 但不告訴我們 什麽東西產生了爆炸。 而這個缺口終於被一個 升級了的大爆炸理論填補了。 它叫暴脹宇宙論。 它識別了一種特別的能量， 可以自然產生爆炸時的 快速空間膨脹。 那個能量基於一種叫做量子場的東西， 但對於我們而言唯一重要的細節就是 這種能量的效率高到 不可能一次性 將它全部用完， 而這意味著在暴脹理論中， 產生了我們的宇宙的大爆炸 很有可能不是一個一次性的事件。 反之，這個能量不僅僅造成了我們的大爆炸， 也會造成無數個其他的大爆炸， 每一個都會產生一個不同的宇宙， 而我們的宇宙只是一個巨大的星雲泡沫中的 一個泡泡。

而現在，當我們將它和弦理論融合一起的時候， 我們被領到一個特定的畫面。 每一個宇宙都有額外的維度。 這些額外的維度有著很多不同的形狀。 不同的形狀產生不同的物理特性。 而我們發現我們存在於這一個宇宙而不在另外一個 僅僅因為這是唯一一個宇宙 有著可以讓我們這種生命形成的物理特性， 比如說暗能量的數量。 這是一個很有說服力但又非常有爭議的 宇宙的畫面， 而最先進的觀察和理論正在指引我們 嚴肅的去考慮它。

當然，一個剩下的很大的問題便是 我們是否能證明 其他宇宙的存在？ 讓我描述一種 這有一天可能發生的方式。 暴脹理論 已經有了很強大的觀測結果支持。 因為這個理論預測了 大爆炸會強烈到 當空間快速的膨脹的時候， 在微型世界中細小的量子暴動 也會被拉扯到整個宏觀世界， 而產生一種特殊的印記 -- 一種在空間中有著稍微熱些的地方 和稍微冷些的地方的規律， 而強大的望遠鏡可以觀察到它。 更進一步，如果其他的宇宙的確存在， 那理論預測這些宇宙有些時候 會和對方相撞， 而如果我們的宇宙和另外一個相撞， 撞擊的能量 會在空間中產生一種額外的 細微的溫差規律， 而我們有一天可能可以 觀察到它。 而無論這個理論是如何的奇異， 有一天它有可能會被 觀察證實 其他宇宙的存在。

讓我以由這些 想法產生的一個在遙遠的未來有著 驚人的後果 來結尾。 你看，我們學到了 我們的宇宙并不是靜止的， 空間正在擴張， 而擴張的速度也在加快， 還有其他的宇宙的確有可能存在。 這些都是由小心的調查 由遙遠的星系傳來的 微弱的星光。 但因為擴張的速度在加快， 在很遙遠的未來， 那些星系便會加速遠離到 我們再也無法看到它們 -- 不是因為技術上的限制， 而是因為物理定律。 那些星系發射的光線， 就算以最快的速度，光速來移動， 也不能比超越我們之間的 不停的在加大的距離。 所以當未來的天文學家 往太空深處查看的時候， 除了無盡的靜止的漆黑， 什麽也看不到。 而他們會認為 宇宙是靜止和不變的， 而其中只有一個他們居住的 中心的樂土 -- 一個我們確定的知道是錯誤的 宇宙觀。

或許這些未來的天文學家會有從前一個紀元 留下的記錄， 像我們的一樣， 陳述著一個有無數的星雲點綴的 不停的擴張的宇宙。 但這些未來的天文學家們 會否相信這些古老的知識？ 又或者他們會相信 他們自己的先進的觀察帶來的 那個漆黑，寧靜并空虛的宇宙？ 我覺得會是後者。 這意味著我們正活在一個 有著特殊的榮幸的紀元， 當宇宙最深奧的真相 仍然存在在人類探索精神 能夠到達的地方。 但這並不永遠如此。 因為當今天的天文學家 用強大的望遠鏡對準夜空時， 他們發現了一些分明的帶著信息的光子 -- 一種經歷了上億年的 宇宙電報。 而從亙古傳來的信息很清楚。 有些時候自然用不可違背的 物理定律來 守護她的秘密。 有些時候現實真正的面貌就在 地平線的遠端。

謝謝。

（掌聲）

Chris Anderson: Brian，謝謝。 你剛剛所講的思想範圍 使人有些頭暈但興奮。 你覺得 現在的天文學 在歷史中佔有什麽樣的位置？ 在你的意見來說，我們是否正在經歷著一個特別的歷史片段？

BG：這有些難說。 當我們瞭解到未來的天文學家 有可能沒有足夠的信息來瞭解一切， 一個自然的問題便是，我們有可能已經在這樣的一個位置， 而一些深奧的，重要的宇宙特性 已經逃出了我們可以理解的範圍， 僅僅因為天文學的發展。 所以從這個觀點來看， 可能我們已經處於無法回答 我們問的問題的局面。

但換個角度來說，我們現在可以理解 宇宙到底有多老。 我們可以理解 十四億年前留下的宇宙微波背景輻射 所傳達的信息 -- 甚至於，今天我們可以計算以及預測它的樣貌 并與觀察符合。 天啊！這太棒了。 所以換個角度來說的話，我們到達今天已經很不可思議， 但誰知道我們將來會遇到什麽樣的障礙。

CA：你會停留幾天。 或許可以繼續討論這些話題。 謝謝你。謝謝你，Brian。（BG：我的榮幸。）

（掌聲）