宇宙以外的视界

劳拉·梅尔西尼·霍顿

每年夏天，我父母都会在亚得里亚海滨古镇夫罗勒租一个假日公寓，美美地度过两周时间。我最喜欢的夜间活动，就是一个人静静地呆坐在沙滩上，看着海浪在无声的地平线上徘徊，继而有节奏地拍打着海岸。夜幕降临时，我会一直静静地等待，看那海天交接处变得越来越模糊，最后界限消失得无影无踪。虽然每个人都知道，对铁幕（冷战时期西方对苏联控制下的中欧、东欧诸国共产主义统治的称谓——译注）之后的我们来说，地平线之外的世界是遥不可触的禁区，但是静坐在无边的夜色里，我可以自由地畅想：亚得里亚海那边的孩子，是否也如我一样，正在欣赏我们共有的天际美景？最后，父亲总会走过来，静静坐在我身边的沙滩上，彼此无语，似乎都在与天做无声的交谈。过不了多久，父亲便开口说天色已晚，该回去了。海天的温柔魔咒就此被打破。

20年后的2009年，我和十几位科学家坐在剑桥大学的卡夫里宇宙学研究所的房间里观看普朗克卫星的发射，周围沉闷的嗡嗡声使得气氛紧张而兴奋，偶尔几句交谈也被发射现场的停顿打断。当倒计时开始时，房间异常安静，而卫星发射成功的那一刻，整间屋子又被欢呼声和掌声所包围。

普朗克开始探测来自宇宙诞生之初的微弱光波，即宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射是我们回望宇宙诞生之初的模样的精确依据，也是我们得以解释这些古老问题的关键：我们从何而来，是如何到来的？

2013年3月，普朗克发射4年后，普朗克团队发布了史上最详细的宇宙微波背景辐射图，其细节让世人为之震惊：宇宙微波背景辐射的亮度分布不均，这是我们这个宇宙自身不可能产生的现象。通过观测，人们发现了一个指向广袤深邃的宇宙深处的隐藏密码，而我们的宇宙只是其中微不足道的一员。自此，人类探索的空间陡然变大，到达了多重宇宙的领域。美国航空航天局声称，存在其他宇宙这一论述并非新鲜事。从史前到现在，存在其他宇宙的可能性曾激起了哲学家、作家和科学家的无尽想象。但在大多数年代里，这一想法从未被认真对待过。从哲学上来说，这只会带来不必要的麻烦，将宇宙起源的神秘性推向一个新的层面，而这个层面在实在性原则上尚无法观测。而且，一项理论是否科学的标准是这项理论是否可被证伪（波普尔），因此，很多科学家并未把多重宇宙当作“真正”的科学来对待。在美学上，多重宇宙也没有多大吸引力。科学家认为，大自然是简单而经济的，一个宇宙就足够了，为什么还要不厌其烦地再多几个出来？然而，随着科学认识的不断深入，人们越来越清晰地认识到，那些我们相信并珍爱的自然理论——量子力学、宇宙膨胀理论和弦理论——都不可避免地预测了多重宇宙的存在。今天，在摒弃了过去的惰性与偏见后，人们终于将多重宇宙纳入严肃科学的领域加以认真研究。

如果你觉得似曾听过这一论述，那么我可以明确告诉你，你的确听到过。从原子论者到斯多葛派学者和三世纪的基督徒，从卢克莱修到笛卡尔，从托勒密到伽利略和康德，拥有特殊起源的单个宇宙和随机产生的多重宇宙之间的争论持续了几个世纪。16世纪，哥白尼不顾来自教会和其他科学家的顽强抵抗，将地球移出了宇宙的中心。多重宇宙可能是对哥白尼论述的终极延续：整个宇宙可能都不是那么重要，我们的宇宙只是无限多的宇宙中的一员。

多重宇宙论述领域也有自己的“哥白尼”：50多年前，休·埃弗雷特就敢于在博士论文中公开将量子力学应用到整个宇宙，从而开辟了多重宇宙理论这一新理论。他认为，既然宇宙在最初时刻非常小，那它一定遵循量子力学。根据波粒二象性，他把“婴儿期”的宇宙视为一个像量子波包的粒子。他发现了一大堆数学解，即一大堆的量子宇宙。考虑到我们的观测范围局限在单个宇宙中，他认为，我们宇宙的量子起源意味着无数其他宇宙的可能性。

埃弗雷特所知的所有物理定律都不能把这一大堆数学解限制成唯一解，所以他得出这样的结论：多重宇宙的存在是量子力学的必然推论。他的论证极具震撼力，甚至引起了量子力学之父尼尔斯·玻尔的注意，但玻尔竭力反对这一解释。埃弗雷特的物理学生涯止步于博士研究阶段，人们对多重宇宙的研究也陷入困境，40多年来停滞不前。

大约10年前，弦景观的发现使人们对多重宇宙理论的抵制态度有所改变。弦理论以十一维时空为基础，是现有理论中最可能成为自然根本理论的。很显然，我们的宇宙看起来只有四维：高度、宽度、长度和时间。而弦理论的目标之一，就是想办法摆脱另外七个维度，将它们卷曲、隐藏。弦理论成功做到了这一点。

许多方法都可以将七个维度卷曲，然后将其能量丢进其余四个维度中。21世纪初，科学家使用各种可能的数学方法来实现这一目标，从而发现了四维宇宙起源的多种可能。这些可能起源的能线图即被称为弦景观，其中的任一能谷都有可能通过大爆炸来孕育一个新的宇宙。在对该理论进行了十多年的反复验证和使用之后，多重宇宙理论终于得以再次昂首挺胸。

很快，弦景观的发现就被称为“弦理论的灾难”。这一“万有理论”之首居然无法预测世界上只有一个宇宙，并且这一宇宙的特性与我们的宇宙相同，这怎么可能？人择原理认为，宇宙之所以是现在这个样子，是因为我们在此观测它，这一原理被认为是解决危机的关键。在对潜在误区及前人设想进行了一番探究之后，我得出这样一个结论：在承认宇宙还有其他许多起源的可能性之前，讨论“为什么单单我们的宇宙存在人类”这个问题毫无意义。否则，“我们为什么起源于这个宇宙”，与其答案“我们只能起源于这个宇宙”没有任何分别。

我认为，我们应该考虑一系列的初始宇宙，再把每一个初始宇宙视为一个波包——就像穿越弦景观的能谷的粒子一样。然后我们就能提出这样一个问题：这些初始宇宙将如何依据量子力学进行演化？这种方法可以避免假设，还能将埃弗雷特的多重宇宙嵌入弦景观理论。从某种程度上讲，这不失为一种常见的解决方法。将量子力学运用于所有初始宇宙状态，与物理学家计算电子如何沿电线向下移动类似。电线中原子链似的能量场类似于弦景观中的能谷链，电子的波函数和初始宇宙的波包也是相似的。

弦景观中的能量分布极不均匀，穿越弦景观的宇宙波包会被困于能量座中。如果弦景观拥有一连串高度有序的周期性低能量区域，就不会有宇宙的出现了。波包不会受困于一个单独的能谷之中，相反，它们会被引导穿过弦景观，就像导电良好的导体中的电子一样。

我们知道，宇宙的初始状态能量极高，有1025电子伏。既然原始波包在一个能量不均的弦景观中游荡，为什么它不选择能量稍低的能量座呢？答案很简单，由于弦景观中的波包是按照量子力学演化的，只有高能的初始状态才能产生大爆炸并且变成“真正的”大型宇宙。初始状态从弦景观中获得能量，从而加速扩张，而量子涨落则抑制其生长速度，并使初始状态坍塌成一个点。正是这两股力量之间的平衡控制着宇宙初始状态的演化。

在当时，人们认为这些研究结果太过激进，但它们同样振奋人心，因为每一个观点都是从量子等式中得来的，而非猜想和假设。有史以来第一次，我们找到了一种理论，来解释为什么只有像我们宇宙这样的高能宇宙被选中承载生命。该理论同时也将20世纪的两大科学体系——弦理论和量子力学——统一到多重宇宙理论中。现在，问题变成了：我们将怎样寻找多重宇宙？

仍然记得那日清晨，我忽然意识到答案就在眼前。那是2005年的初秋，我被失望和挫败折磨了几个星期。每天都带着乐观醒来，感觉自己马上就能解决那个问题了。但是，每次当我散步于夜色中，久经沉思之后，总会发现方法上的一些逻辑缺陷，然后确信这一问题是无法解决的。那天，我坐在星巴克里茫然地盯着窗外，一个想法就这样突然冒了出来。

在最初时刻，我们的宇宙与其他宇宙藕断丝连，甚至纠缠不清。随着我们宇宙的快速生长，它最终摆脱了量子特性，与其他幸存的宇宙永远分道扬镳。这一过程被称为脱散。但是量子力学中有一个深层原则，即幺正性原则，它规定一个系统（包括一个量子波状的宇宙）的信息是永不遗失的。这一原则确保我们宇宙与其他宇宙的纠缠痕迹会以某种形式被保留下来，藏匿在如今的天空中。

2006年，我与托莫·高桥和理查德·霍尔曼合作发表了一系列题为《弦景观的化身》的论文。根据以往的观测经验，我们对其他宇宙留下的痕迹做出了具体的预测。更重要的是，我们还证明了我们的宇宙在早期与其他宇宙之间的纠缠是造成宇宙微波背景辐射强度差异的一个独立因素，同时也是造成我们宇宙周围的物质分布不均的一个独立因素。另外，我们还计算出了当初纠缠的强度，并且说明这一纠缠的影响是可以被大规模观测到的。

当年发表作品时，我们并不奢望这些预测能在我们的有生之年得到证实。令人惊讶的是，不到7年，九个预测中就有八个与测试数据相符。2013年3月，普朗克卫星传来的数据成功地对七个预测进行了检测。大型强子对撞机证实了当能量达到1万亿电子伏时，并不存在超对称破坏，这与我们的第九个预测相符。目前，只有对暗流的预测仍存在争议，两个普朗克团队的研究结论存在差异。总体来讲，这九个预测对理论进行了极为严格的检测，因为它们来自同一理论框架，任何一个预测都不可能独立于其他八个预测而得出某一组特殊数据——数据必须能证实所有预测，否则理论就站不住脚。

早先对宇宙微波背景的两次测绘也观测到了异常，它们的观测结果和普朗克卫星的观测结果接近，却没有普朗克这么确信。不过，普朗克观测到的异常也可能是被夸大了的。如果真是这样，我们就得从头再来了。但如果这些异常能得到证实，再加上我们第一次瞥见了多重宇宙，那么我们真可谓成就一番壮举了：我们不但找到了其他宇宙存在的证据，还对弦理论进行了有史以来的第一次检验。往大了说，多重宇宙的存在将促使我们重新审视那些我们一直以来呵护有加的宇宙观，继而发展出一种新的现实本体论：所有的宇宙都以同样的根本时空构造为基础吗？大爆炸之前有时间概念吗？能否观测到与我们的宇宙没有牵扯的宇宙？是什么决定了自然法则？那将是一个令人激动的时刻。

2013年，我回到了夫罗勒，那个我最爱的地方，还带着我3岁的女儿。来到这里，她看起来是那么激动，完全无忧无虑，四下里欢快地扬着沙粒，泼着水花。我不禁想，仅仅一代人的时间，我们就取得了如此的进步，多么了不起啊。以往安静的她咯咯地欢笑着，笑声如此具有感染力。对亚得里亚海对面的事物她并不感兴趣，因为她早已了解。她去过那儿了。海的那边以及更远的远方，她都去过了。而我在她这个年纪时，这一点想都不敢想。但是，他们这代人跟我们这代人不同，不愿被禁锢，可以天马行空地想象、勇敢无畏地探索。当地平线在夜色中变得模糊，海与天交融一体时，我的思绪再次飘向那些被打破的界限。