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错误的旅行指南实用。强化到MAX时,导航仪是72%几率,而时空黑洞只有62%,所以导航仪好一些,不过导航仪只能通过抽取得到,时空黑洞是龙女强化满级系统送的,龙女卡目前只能通过开启魔方得到。
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骰子大战黑洞怎么搭配
齿轮+适应+成长+召唤+小丑。
1、透过复制、召唤及快速合成达到整个版面都是齿轮。
2、不用交换是因为非齿轮骰都可以直接被合掉。
3、拼满版连结伤害最大化,但由于有成长,可能会卡骰(成长成高星召唤)。
黑洞将会变成什么
黑洞会缩小
史蒂芬·霍金于1971年提出有微型黑洞存在。他认为,在宇宙的初始时刻,远在恒
星和星系形成之前,“宇宙浴盆”的压力和能量是如此之大,足以迫使一些物质小团块
收缩成为不同尺度和质量的黑洞(见第15章)。特别是,可以由此形成微型黑洞,其质
量相当于一座山,而尺度如同一个基本粒子。这些黑洞与现在宇宙中形成的黑洞不同,
后者要求大量物质的引力坍缩。
霍金接着考虑这些小黑洞与周围介质的相互作用。这里所涉及的尺度是微观的,物
质和能量就必须由量子力学来描述。前面已经说过,现在还没有一个令人满意的量子引
力理论,不过,引力场,包括时空本身,直到普朗克长度才真正表现出不连续性,而这
个长度比基本粒子或微型黑洞的半径要小得多。因此,微型黑洞与周围物质和能量的相
互作用就可以按一个折衷方案来计算:时空连续体仍保持为“经典的”,并且可以由广
义相对论来描述,只是其中容纳的物质和辐射才是量子化的。
霍金在1974年按这个方案行事,得到的结果完全出乎意料,以至于他以为自己算错
了。他又检查了好几遍,终于被迫接受这样的结论:微型黑洞必定会蒸发,即向外发射
粒子。
初看起来这是令人困窘的,这种行为是与黑洞禁止任何物质逃离视界这一“经典”
概念公然对抗的。当然,一个“激发态”黑洞可以由缓慢地减少其角动量或电荷而失去
一部分能量,但是粒子的发射仍然在视界之外。一个“退激发”的史瓦西黑洞必须保持
其与面积和摘相联系的不可约质量能量,按照经典热力学第二定律面积和摘只能随时间
增长,而现在霍金的计算表明,微型黑洞,不论是激发与否,都必须允许粒子逃离,即
蒸发掉自己的质量和能量。怎么解决这个矛盾呢?
事后来认识一个重大的理论发现常常是容易的,因为它一下子使尚未理解的现象之
间的关系得到了解释。在这个意义上,黑洞的量子蒸发来得正是时候,它证明黑洞的热
力学图像是完全正确的,而这个图像的“经典”式描述,严格说来是不自治的,且看道
理何在。
按照热力学定律,所有具有一定温度并沉浸在一种较冷介质(例如空气)中的物体,
必定会发出辐射而损失能量。物体的摘减小而周围介质的墙增加。在这个交换中总结,
即单个摘的总和,必定增加,这是第二定律所规定的。
关于黑洞,热力学是怎么说的呢?它有妨,由其表面积给出;有温度,由其表面引
力给出。假设把黑洞放在一个浴器里,如果黑洞的温度比浴器的低,它将吸收能量并增
加自己的摘;但是如果黑洞的温度高,我们就不得不承认黑洞应当把能量和摘交给浴器,
而这与“经典”的黑洞热力学第二定律是矛盾的。
霍金的发现消除了这个不一致。由于量子力学的特定性质(这将在下面介绍),黑
洞即使是在最低能量态也能发射粒子或辐射。由于丧失能量,黑洞的摘,亦即其面积减
小,而周围环境的嫡则由于获得能量而增大,并且环境滴的增大量大于黑洞滴的减小量,
于是总的摘仍然增大,热力学第二定律为黑洞加环境的整体系统所遵守。
隧道
经典观点认为没有任何东西能逃离黑洞,视界是一个“单向膜”,只许进而不许出。
从黑洞内部看来,视界就像是一堵无限高的墙,越过它需要有无限大的能量。
但是量子力学提供了穿过任何一堵墙的可能性,哪怕是没有足够的能量。这种现象
被称为隧道效应,是测不准原理的直接结果,而测不准原理则是量子力学的基石,就像
等效原理之于广义相对论。
按照量子力学,对微观世界的描述有着某种“模糊性”。例如,如果我们要测量一
个孤立电子的位置,它就必须是有确定位置并且是可见的,要成为可见,它就必须被照
明。一个电子是如此之小,用来照明它的光子会给它一个小冲力并改变其运动速度,因
此,对电子位置的高精度测量就会导致对其速度测量的一定程度的不准确性。反过来也
是如此,如果电子速度的测量精确到1厘米/秒,其位置的测量就不可能精确到1厘米以
内。
更普遍地说,所有测量都会干扰微观系统。测不准原理是维勒’海森堡(Werner
Heisenberg)于1927年建立的。当然,当所涉及的质量大得多时,量子不确定性就会减
小。质子的质量大约是电子的2000倍,因此如果它的速度测量精度为1厘米/秒,其位
置测量精度就能达到约5微米。这个精度虽有提高,仍然是很差的,因为质子的直径还
要小上10亿倍。对宏观物体来说,由于其质量比起基本粒子来是如此巨大,因而位置和
动量的测不准性都完全消失,宏观世界是“决定论的”(与目前人们的信念相反,这并
不意味着其演化能被预测。许多非常复杂但仍完全是经典的即所谓“非线性”的物理现
象.虽然是由决定论方程支配,却朝着完全不可预测的状态演化。这就是一个星期以上
的天气预报总是那么不可靠的缘故,不论使用的计算机威力有多大)。
测不准原理也可以运用于其他置于化的物理量,例如能量,在一个很短的时间间隔
里能量会有一定的涨落。经典地讲,从黑洞逃离是被禁止的,但是测不准原理允许粒子
在一定时间间隔里从黑洞借助一定量的能量。如果黑洞是微型的,即尺度与基本粒子相
当,能量的“跃迁”可能足以使粒子运动一段大于视界半径的距离,其结果就是粒子逃
出,黑洞损失能量。粒子并没有真的跳过视界“墙”,而是从一个由测不准原理短暂地
打通的“隧道”穿过。
真空极化
黑洞蒸发还可以由所谓真空极化来作出一种等价的解释。
在量子力学里,真空并不意味着没有任何场、粒子或能量。量子真空是一种能量为
最低的状态,它只是被称作“真空”而已,实际上能量严格为零的状态是不可能存在的。
时间和能量的测不准原理解释了为什么真空不空。由于质量与能量的等价性,真空
中的能量涨落就可以导致基本粒子生成。1928年,泡尔·狄拉克(Paul Dirac)发现,
每一种基本粒子都有一种对应的反粒子,二者质量相同,其他性质呈“镜像”对称。电
子带负电荷,其反粒子,即正电子,质量相同而电荷相反。光子没有质量,它的反粒子
也就是它自己。一个粒子与其反粒子相遇,就会相互湮灭,将质量转化为能量。因此,
一个粒子和它的反粒子就表示相当于它静质量2倍的能量,反过来,一定量的能量也可
以被看作是一对正二反粒子。于是,由于能量涨落而躁动的量子真空,就成了所谓“狄
拉克海”,其中遍布着自发出现而又很快湮灭的正二叵粒子对。
一对正一负电子在10“’秒内自发地产生和消失。质量更大的粒子对也可以在真空
中出现,但是按照测不准原理,它们只能存在短得多的时间。真空中产生的质子、区质
子对平均存活的时间比电子一正电子对要短2000倍。
在不存在任何力的量子真空里,粒子对不断地产生和消灭,所以平均说来就没有任
何粒子或反粒子真正产生或是消灭。这些粒子也不能被直接观测,所以被称为虚粒子。
现在设想有一个力场,例如电场,作用在真空上。当一对正、负电子在真空中出现时,
它们就会被电场沿相反方向分离。如果电场足够地强,它们就会分离得足够地远,以至
于不能再相互碰撞和湮灭。这时的粒子就成为实粒子,这时的真空就被称为是极化的。
粒子由于真空极化而自发地产生,这不是一个理论幻想,而是已由实验证实的现象。
考虑量子真空中的一个氢原子,它由一个带负电的电子和一个带正电的质子组成。在它
周围,虚粒子对在不断地产生和消失,但是由质子和电子所产生的电场会使近邻区域的
真空极化,于是带有相反电荷的粒子就会分离,在一个很短的瞬间形成一股很小的电流。
这种电流会使电子在轨道上颤动,因而使氢原子发出的辐射频率出现微小的移动。这就
是所谓“兰姆(Lain)移动”,1947年被实验探测到。
但是,真空是不容易被极化的,需要有很高的能量密度才能使虚粒子对分离和实粒
子出现。而能量的形式则并不重要,可以是电能:当电容器极板间的电压超过一定限度
时,真空极化,而电容器被击穿;也可以是热能:一块金属被稍稍加热就能发射光子
(其反粒子就是自己),但要热到矿2开氏度才发射正一负电子对。
由于所有形式的能量都等价于质量,就可以合理地预期引力能也会被自发地转变成
粒子。这正是霍金的发现的深刻意义。量子真空会被微型黑洞周围的强引力场所极化
(图55)。在狄拉克海里,虚粒子对在不断地产生和消失,一个粒子和它的反粒子会分
离一段很短的时间,于是就有四种可能性:两个伙伴重新相遇并相互湮灭(过程1);
反粒子被黑洞捕获而正粒子在外部世界显形(过程H);正粒子被捕获而反粒子逃出
(过程m);双双落入黑洞(过程W)。霍金计算了这些过程发生的几率,发现过程11最
为常见。于是,能量的帐就是这样算的:由于有倾向地捕获反粒子,黑洞自发地损失能
量,也就是损失质量。在外部观测者看来,黑洞在蒸发,即发出粒子气流。
黑洞与黑体
迄今已经考查了所有从黑洞提取能量的机制。黑洞的转动能和电能可以由经典的和
量子的两种过程来取出。特别是,前面讲过的带电和转动黑洞由于超辐射过程的退激化,
在微型黑洞的情况可以由真空极化来重新解释。黑洞总是喜欢从周围的虚粒子中捕获那
些与自己的电荷或角动量反号的粒子,因此,即使一个真空中的微型黑洞在最初形成时
有非零电荷和角动量,它总是倾向于自发地使自己中性化和减慢转动,从而尽快地达到
史瓦西状态。可是,史瓦西黑洞也失去了其经典的“不可约性”,“死”质量会自动地
蒸发。那么,黑洞辐射的精确特征是什么样的呢?
有趣的是,黑洞的辐射很像另一种有相同“颜色”的东西,就是黑体。黑体是一种
理想的辐射源,处在由一定温度表征的完全热平衡状态。它发出所有波长的辐射,辐射
谱只依赖于它的温度,而与其他性质无关。一只被加热到一定温度的完全不透明的炉子,
上面只开有一个小孔留给观测者来接收其辐射,这只炉子就近似于黑体。事实上黑体是
量子力学得以产生的历史根源之一。1899年,马克斯·普朗克正是在研究黑体的性质时
提出了能量量子化的假设。
霍金的计算表明,黑洞的蒸发辐射具有黑体的所有特征。这个结果使得黑洞热力学
完全自洽,因为它赋予了黑洞一个真实的、在整个视界上同一的、直接由表面引力来给
定的温度。
对史瓦西黑洞来说,温度与质量成反比。质量与太阳一样的黑洞,其温度是微不足
道的:开氏(即绝对零度以上)10”度。这并不奇怪,因为蒸发是一种量子现象,只对
微型黑洞才特别有影响,而微型黑洞的温度是很高的。质量像小行星那么大的黑洞,具
有“白热”熔炉的温度(开氏6000度),并辐射可见光。“典型”的微型黑洞质量为10”
克,个儿像质子那么大,温度高到开氏10’‘度。这时的辐射就不再是集中于可见光段,
而是由伽玛射线光子和大质量基本粒子混合组成。
越小的黑洞温度就越高,所以微型黑洞的发射就会越来越强,蒸发的最后阶段就表
现为剧烈的爆发。一个10‘5克的黑洞要经过100亿年才完全蒸发掉,而它在最后几1秒
里释放的能量相当于100万颗百万吨级的氢弹。
黑洞蒸发的最后结果尚不得而知。也许有人认为视界消失后将留下一个裸露的中心
奇点,但是这种经典的看法很可能是错的。当黑洞半径缩减到普朗克长度(10”厘米)
的量级时,时空几何自身的量子涨落变得重要起来,只有量子引力理论才能揭示微型黑
洞的最后命运。如果它由辐射自己的质量而完全蒸发掉,应该说时空就会成为平直。量
子引力是认识大爆炸和黑洞命运,即认识宇宙的开端和终结的必由之路。
引力不稳定性
一个通常的热力学系统处在一种较冷的介质中时会损失能量。它的温度降低而介质
的温度升高,直到实现平衡为止,我们说这个系统有正比热。量子黑洞的行为则正相反,
它失去能量时温度升高,反之亦然。如果周围介质的温度较高,黑洞就总是倾向于吸收
能量,增大尺度,因而冷却,直至所有可得到的能量都已被吸收为止。反过来,如果介
质温度较低,它就辐射,减小尺度,直至蒸发和消散掉自己所有的能量为止。这就是说,
黑洞有着负比热,因而它根本上是不稳定的。
所有自引力系统,即其平衡只依赖于引力的系统,不论是量子系统与否,都是不稳
定的。例如,在围绕地球轨道上的人造卫星会由于大气摩擦而损失引力能,因而沿螺旋
线缓慢地朝地球下落。在这个过程中其速度和动能是增大的,所以它不能获得~个稳定
轨道,最后只能坠落到地球上。
引力坍缩则是极端的例子。在自身重力作用下,一个恒星或恒星团这样的粒子系统
辐射掉引力束缚能,不断收缩,温度变得越来越高。如果没有相反的力存在,奇点将不
可避免地形成,达到平衡态是不可能的。微型黑洞的蒸发只不过是一种反方向上的引力
坍缩,这可以由图55的时空图来证实。由于物质在离开视界,一个蒸发着的微型黑洞的
“瞬时”状态就像一个白洞。因此,量子力学为黑洞提供了作为引力普遍特征的不稳定
性。
更进一步,引力与热力学之间的联系可能是比黑洞广阔得多的自然领域的普遍特征。
在黑洞的热力学转变过程中实际上起关键作用的是视界,而视界可以有着与黑洞毫不相
干的意义。在狭义相对论的无引力平直时空里,一个具有恒定加速度的观测者不可能
“经典地”获得来自一个遥远时空区域的信息,只是因为那个区域发出的辐射不能到达,
对他来说那部分时空就隐藏在一个视界之后。如果考虑真空中的量子涨落,就可以得出
加速(等效于一个均匀引力场)会使真空极化。如果那个观测者带有一个位于探测器,
他将测量到一种黑体辐射形式的“鼻子噪声”,黑体的温对积比于他的加速度。在宇宙
学里,膨胀宇宙模型也有视界,因而也有一个相联系的黑体温度(极低,不要与作为大
爆炸遗迹的宇宙背景温度开氏27度相混淆)。
黑洞热力学已经把我们从蒸汽机带出很远了。
上帝耍人
基本粒子通过核力和电磁力而相互作用,这些作用服从已由实验验证的一定规则,
正是这些规则使得科学家能够建立起一致的清楚的物理理论。规则中有一条是重子数守
恒。简单说来,它是指在所有的基本相互作用中,必须保持粒子和反粒子的相称,所以
一个光子(重子数为0)可以转变成一个中子(重子数为十l)和一个反中子(重子数为
一1)组成的对,因为总的重子数保持为零。但是一个中子决不能转变成一对光子。另
一个称为轻子的粒子家族,包括电子、U介子和中微于,也遵守一条相似的规则,这些
粒子每个都有一个轻子数,在基本相互作用中总轻子数必须守恒。
粒子物理的这些基本规则被量子黑洞满不在乎地破坏了。我们已经看到黑洞在形成
或吞噬物质时会“失去毛发”:所有关于粒子的信息在它们通过视界时全都丧失了。尤
其是,一个由重于(例如大质量恒星中心的质子和中子)形成的黑洞并不记得它的重子
数,它跟由反重子形成的黑洞完全一样,我们不可能看出有什么差异。且再耐心等等,
在一定时间后黑洞会开始按照霍金机制而辐射,释放能量和摘。黑洞像黑体那样辐射这
一事实,意味着它只能发射出相等数目的重子和反重子,或等数目的轻子和反轻子。也
就是说,由蒸发的黑洞出来的净重子数总是为零。黑洞的蒸发破坏了重子数和轻子数守
恒的规则。
这个惊人的性质表明,由黑洞蒸发所释放到外部介质的信息在通过视界时会“降
级”。这种退化给离开黑洞的物质和辐射打上一个“热印记”,使得资料随机化。正因
为此,霍金认为测不准原理在应用于黑洞时应被代之以“猜不准原理”。
爱因斯坦始终不喜欢量子力学,尽管他对这一理论的发展起过先锋作用。他不喜欢
测不准原理包含的非决定论思想,并用这样一个短句来表达自己的反感:“上帝不掷骰
子。”霍金的回答是:“上帝不只是掷骰子,还把骰子掷到我们看不到的地方!”
关于黑洞的问题
***
作者 忍者金
爱因斯坦赤道
“有一句话我早就想对你们说,”丁仪对妻子和女儿说,“我心听位置大部分都被物理学占据了,只是努力挤出了一个小角落给你们。对此我心里很痛苦,但也实在是没办法。”
他的妻子方琳说:“这话你对我说过两百遍了。”
十岁的女儿文文说:“对我也说过一百遍了。”
丁仪摇摇头说:“可你们始终没能理解我这话的真正含义,你们不懂得物理学到底是什么。”
方琳笑着说:“只要它的性别不是女的就行。”
这里,他们一家三口正坐在一辆时速达五百公里的小车上,行驶在一条直径5米的钢管中,这根钢管的长度约为三万公里,在北纬45度线上绕地球一周。
小车完全自动行驶,透明的车舱内没有任何驾驶设备。从车里看出去,钢管笔直地伸向前方,小车像是一颗在无限长的枪管中正在射出的子弹,如果不是周围的管壁如湍急的流水飞快掠过,肯定觉察不出车的运动。在小车启动或停车时,可以看到管壁上安装的数量巨大的仪器,还有无数等距离的箍圈,当车加速起来后,它们就在两旁浑然一体地掠过,看不清了。丁仪告诉她们,那些箍圈是用于产生强磁场的超导线圈,而悬在钢管正中的那条细管是粒子通道。
他们正行驶在人类迄今所建立的最大的粒子加速器中,这台环绕地球一周的加速器被称为爱因斯坦赤道,借助它,物理学家们将实现上世纪那个巨人肩上的巨人最后的梦想:建立宇宙的大统一模型。
这辆小车本是加速器工程师们用于维修的,现在被丁仪用来带着全家进行环球旅行,这旅行是他早就答应妻子和女儿的,但她们万万没有想到要走这条路。
整个旅行耗时六十个小时,在这环绕地球一周的行驶中,她们除了笔直的钢管什么都没有看到。不过方琳和文文还是很高兴很满足,至少在这两天多时间里,全家人难得地聚在一起。
旅行的途中也并不枯燥,丁仪不时指着车外飞速掠过的管壁对文文说:“我们现在正在驶过外蒙古,看到大草原了吗?还有羊群……通过俄罗斯,擦地日本北角。看,朝阳照到积雪的国后岛上了,那可是今天亚洲迎来的第一抹阳光……我们现在在太平洋底了,真黑,什么都看不见。哦不,那边有亮光,暗红色的,嗯,看清了,那是洋底火山口,它涌出的岩浆遇水很快冷却了,所以那暗红光一闪一闪的,像海底平原上的篝火。文文,大陆正在这里生长啊……”
后来,他们又在钢管中驶过了美国全境,潜过了大西洋,从法国海岸登上了欧洲的土地,驶过意大利和巴尔干半岛,第二次进入俄罗斯,然后从里海回到亚洲,穿过哈萨克斯坦进入中国。现在,他们正走完最后的路程,回到了爱因斯坦赤道在塔克拉玛干沙漠的起点——世界核子中心,这也是环球加速器的控制中心。
当丁仪一家从控制中心大楼出来时,外面已是深夜,广阔的沙漠静静地在群星下伸向远方,世界显得简单而深邃。
“好了,我们三个基本粒子,已经在爱因斯坦赤道中完成了一次加速试验。”丁仪兴奋地对方琳和文文说。
“爸爸,真的粒子在这根大管子中跑这么一大圈,要多长时间?”文文指着他们身后的加速器管道问,那管道从控制中心两侧向东西两个方向延伸,很快消失在夜色中。
丁仪回答说:“明天,加速器将首次以它最大的能量运行,在其中运行的每个粒子,将受到相当于一颗核弹的能量的推动,它们将加速到接近光速。这里,每个粒子在管道中只需十分之一秒就能走完我们这两天多的环球旅程。”
方琳说:“别以为你已经实现了自己的诺言,这次环球旅行是不算的!”
“对!”文文点点头说:“爸爸以后有时间,一定要带我们在这长管子的外面沿着它走一圈,真正看看我们在管子里面到过的地方,那才叫真正的环球旅行呢!”
“不需要,”丁仪对女儿意味深长地说,“如果你睁开了想像力的眼睛,那这次旅行就足够了,你已经在管子中看到了你想看的一切,甚至更多!孩子,更重要的是,蓝色的海洋红色的花朵绿色的森林都不是最美的东西,真正的美眼睛是看不到的,只有想像力才能看到它。与海洋花朵森林不同,它没有色彩和形状,只有当你用想像力和数学把整个宇宙在手中捏成一团儿,使它变成你的一个心爱的玩具,你才能看到这种美……”
丁仪没有回家,送走妻女后,他回到了控制中心。中心只有不多的几个值班工程师,在加速器建成以后历时两年的紧张调试后,这里第一次这么宁静。
丁仪上到楼顶,站在高高的露天平台上,他看到下面的加速器管道像一条把世界一分为二的直线,他有一种感觉:夜空中的星星像无数只瞳仁,它们的目光此时都聚焦在下面这条直线上。
丁仪回到办公室,躺在沙发上睡着了,进入了一个理论物理学家的梦乡。
他坐在一辆小车里,小车停在爱因斯坦赤道的起点。小车启动,他感觉到了加速时强劲的推力。他在45度纬线上绕地球旋转,一圈又一圈,像轮盘赌上的骰子。随着速度趋近光速,急剧增加的质量使他的身体如一尊金属塑像般凝固了,意识到了这个身体中已蕴含了创世的能量,他有一种帝王般的快感。在最后一圈,他被引入一条支路中,冲进一个奇怪的地方,这是虚无之地。他看到了虚无的颜色,虚无不是黑色也不是白色的,它的色彩就是无色彩,但也不是透明,在这里,空间和时间都还是有待于他去创造的东西。他看到前方有一个小黑点,急剧扩大,那是另一辆小车,车上坐着另一个自己。当他们以光速相撞后同时消失了,只在无际的虚空中留下一个无限小的奇点,这万物的种子爆炸开来,能量火球疯狂暴胀。当弥漫整个宇宙的红光渐渐减弱时,冷却下来的能量天空中物质如雪花般出现了,开始是稀薄的星云,然后是恒星和星系群。在这个新生的宇宙中,丁仪拥有一个量子化的自我,他可以在瞬间从宇宙的一端跃至另一端。其实他并没有跳跃,他同时存在于这两端,他同时存在于这浩大宇宙中的每一点,他的自我像无际的雾气弥漫于整个太空,由恒星沙粒组成的银色沙漠在他的体内燃烧。他无所不在的同时又无所在,他知道自己的存在只是一个概率的幻影,这个多态叠加的幽灵渴望地环视宇宙,寻找那能使自己坍缩为实体的目光。正找着,这目光就出现了,它来自遥远太空中浮现出现的两双眼睛,它们出现在一道由群星织成的银色帷幕后面,那双有着长长睫毛的美丽的眼睛是方琳的,那双充满天真灵性的眼睛是文文的。这两双眼睛在宇宙中茫然扫视,最终没能觉察到这个量子自我的存在,波函数颤抖着,如微风扫过平静的湖面,但坍缩没有发生。正当丁仪陷入绝望之时,茫茫的星海扰动起来,群星汇成的洪流在旋转奔涌。当一切都平静下来时,宇宙间的所有星星构成了一只大眼睛,那只百亿光年大小的眼睛如钻石粉末在黑色的天鹅绒上撒出的图案,它盯着丁仪看,波函数在瞬间坍缩,如倒着放映的焰火影片,他的量子存在凝聚在宇宙中微不足道的一点上,他睁开双眼,回到了现实。
是控制中心的总工程师把他推醒的,丁仪睁开眼,看到核子中心的几位物理学家和技术负责人围着他躺的沙发站着,他们用看一个怪物的目光盯着他看。
“怎么?我睡过了吗?”丁仪看看窗外,发现天已亮了,但太阳还未升起。
“不,出事了!”总工程师说。这时丁仪才知道,大家那诧异的目光不是冲着他的,而是由于刚出的那件事情。总工程师拉起丁仪,带他向窗口走去。丁仪刚走了两步就被人从背后拉住了,回头一看,是一位叫松田诚一的日本物理学家,上届诺贝尔物理学奖获得者之一。
“丁博士,如果您在精神上无法承受马上要看到的东西,也不必太在意,我们现在可能是在梦中。”日本人说,他脸色苍白,抓着丁仪的手在微微颤抖。
“我刚从梦中出来!”丁仪说,“发生了什么事?”
大家仍用那种怪异的目光看着他,总工程师拉起他继续朝窗口走去,当丁仪看到窗外的景象时,立刻对自己刚才的话产生了怀疑,眼前的现实突然变得比刚才的梦境更虚幻了。
在淡蓝色的晨光中,以往他熟悉的横贯沙漠的加速管道消失了,取而代之的是一条绿色的草带,这条绿色大道沿东西两个方向伸向天边。
“再去看看中心控制室吧!”总工程师说。丁仪随着他们来到楼下的控制大厅,又受到一次猝不及防的震撼:大厅中一片空旷,所有的设备都消失得无影无踪,原来放置设备的位置也长满了青草,那草是直接从防静电地板上长出来的。
丁仪发疯似的冲出控制大厅,奔跑着绕过大楼,站到那条取代加速器管道的草带上,看着它消失在太阳即将升起的东方地平线上,在早晨沙漠寒冷的空气中他打了个寒战。
“加速器的其它部分呢?”他问喘着气跟上来的总工程师。
“都消失了,地上、地下和海中的,全部消失了。”
“也都变成了草?”
“哦不,草只在我们附近的沙漠上有,其它部分只是消失了,地面和海底部分只剩下空空的支座,地下部分只留下空隧道。”
丁仪弯腰拔起了一束青草,这草在别的地方看上去一定很普通,但在这里就很不寻常:它完全没有红柳或仙人掌之类的耐旱的沙漠植物的特点,看上去饱含水分,青翠欲滴,这样的植物只能生长在多雨的南方。丁仪搓碎了一根草叶,手指上沾满了绿色的汁液,一股淡淡的清香飘散开来。丁仪盯着手上的小草呆立了很长时间,最后说:
“看来,这真是梦了。”
东方传来一个声音:“不,这是现实!”
真空衰变
在绿色草路的尽头,朝阳已升起了一半,它的光芒照花了人们的眼睛。在这光芒中,有一个人沿着草路向他们走来,开始他只是一个以日轮为背景的剪影,剪影的边缘被日轮侵蚀,显得变幻不定。当那人定近些后,人们看到他是一名中年男子,穿着白衬衣和黑裤子,没打领带。再近些,他的面孔也可以看清了,这是一张兼具亚洲和欧洲人特点的脸,这一点在这个地区并没有什么不寻常。但人们绝不会把他误认为是当地人,他的五宫太端正了,端正得有些不现实,像某些公共标志上表示人类的一个图符。当他再走近些时,人们也不会把他误认为是这个世界的入了,他并没有走,他一直两腿并拢笔直地站着,鞋底紧贴着草地飘浮而来。在距他们两三米处,来人停了下来。
“你们好,我以这个外形出现是为了我们之间能更好地交流,不管各位是否认可我的人类形象,我已经尽力了。”来人用英语说,他的话音一如其面孔,极其标准而无特点。
“你是谁?”有人问。
“我是这个宇宙的排险者。”
这个回答中有两个含义深刻的字立刻深入了物理学家们的脑海:“这个宇宙!”
“您和加速器的消失有关吗?”总工程师问。
“它在昨天夜里被蒸发了,你们计划中的试验必须被制止。作为补偿,我送给你们这些草,它们能在干旱的沙漠上以很快的速度成长蔓延。”
“可这些都是为了什么呢?”
“这个加速器如果真以最大功率运行,能将粒子加速到10的20次方电子伏特,这接近宇宙大爆炸的能量,可能给我们的宇宙带来灾难。”
“什么灾难?”
“宇宙衰变。”
听到这回答,总工程师扭头看了看身边的物理学家们,他们都沉默不语,紧锁眉头思考着什么。
“还需要进一步解释吗?”排险者问。
“不,不需要了。”丁仪轻轻地摇摇头说。物理学家们本以为排险者会说出一个人类完全无法理解的概念,但没想到。他说出的东西人类的物理学界早在上世纪八十年代初就想到了,只是当时大多数人都认为那不过是一个新奇的假设,与现实毫无关系,以至现在几乎被遗忘了。
真空衰变的概念最初出现在1980年《物理评论》杂志上的一篇论文中,作者是西德尼?科尔曼和弗兰克?德卢西亚。早在这之前狄拉克就指出,我们宇宙中的真空可能是一种伪真空,在那似乎空无一物的空间里,幽灵般的虚粒子在短得无法想像的瞬间出现又消失,这瞬息间创生与毁灭的活剧在空间的每一点上无休止地上演,使得我们所说的真空实际上是一个沸腾的量子海洋,这就使得真空具有一定的能级。科尔曼和德卢西亚的新思想在于:他们认为某种高能过程可能产生出另一种状态的真空,这种真空的能级比现有的真空低,甚至可能出现能级为零的“真真空”。这种真空的体积开始可能只有一个原子大小,但它一旦形成,周围相邻的高能级真空就会向它的能级跌落,变成与它一样的低能级真空,这就使得低能级真空的体积迅速扩大,形成一个球形,这个低能级真空球的扩张很快就能达到光速,球中质子和中子将在瞬间衰变,这使得球内的物质世界全部蒸发,一切归于毁灭……
“……以光速膨胀的低能级真空球将在0.03秒内毁灭地球,五个小时内毁灭太阳系,四年后毁灭最近的恒星,十万年后毁灭银河系……没有什么能阻止球体的膨胀,随时时间的推移,整个宇宙都难逃劫难。”排险者说,他的话正好接上了大多数人的思维,难道他能看到人类的思想?排险者张开双臂,做出一个囊括一切的姿势,”如果把我们的宇宙看作一个广阔的海洋,我们就是海中的鱼儿,我们周围这无边无际的海水是那么清澈透明,以至于我们忘记了它的存在。现在我要告诉你们,这不是海水,是液体炸药,一粒火星就会引发毁灭一切的大灾难。作为宇宙排险者,我的职责就是在这些火星期到危险的温度前扑灭它。”
丁仪说:“这大概不大容易,我们已知的宇宙有二百亿光年半径,即使对于你们这样的超级文明,这也是一个极其广阔的空间。”
排险者笑了笑,这是他第一次笑,这笑同样毫无特点:“没有你想的那么复杂。你们已经知道,我们目前的宇宙,只是大爆炸焰火的余烬,恒星和星系,不过是仍然保持着些许温热的飘散的烟灰罢了,这是一个低能级的宇宙,你们看到的类星体之类的高能天体只存在于遥远的过去。在目前的自然宇宙中,最高级别的能量过程,如大质量物体坠入黑洞,其能级也比大爆炸低许多数量级。在目前的宇宙中,发生创世级别的能量过程的惟一机会,只能来自于其中的智慧文明探索宇宙终极奥秘的努力,这种努力会把大量的能量聚焦到一个微观点上,使这一点达到创世能级。所以,我们只需要监视宇宙中进化到一定程度的文明世界就行了。”
松田诚一问:“那么,你们是从何时起开始注意到人类呢?普郎克时代吗?”
排险者摇摇头。
“那么是牛顿时代?也不是?不可能远到亚里士多德时代吧?”
“都不是。”排险者说,“宇宙排险系统的运行机制是这样的:它首先通过散布在宇宙中的大量传感器监视已有生命出现的世界,当发现这些世界中出现有能力产生创世能级能量过程的文明时,传感器就发出警报,我这样的排险者在收到警报后将亲临那些世界监视其中的文明。但除非这些文明真要进行创世能级的试验,我们是绝不会对其进行任何干预的。”
这时,在排险者的头部左上方出现了一个黑色的正方形,约两米见方,正方形充满了深不见底的漆黑,仿佛现实被控了一个洞。几秒钟后,那黑色的空间中出现了一个蓝色的地球影像,排险者指着影像说:“这就是放置在你们世界上方的传感器拍下的地球影像。”
“这个传感器是在什么时候放置于地球的?”有人间。
“按你们的地质学纪年,在古生代末期的石炭纪。”
“石炭纪?”“那就是……三亿年前了!”人们纷纷惊呼。
“这……太早了些吧?”总工程师敬畏地问。
“早吗?不。是太晚了,当我们第一次到达石炭纪的地球,看到在广阔的冈瓦纳古陆上,皮肤湿滑的两栖动物在原生松林和沼泽中爬行时,真吓出了一身冷落。在这之前的相当长的岁月里,这个世界都有可能突然进化出技术文明,所以,传感器应该在古生代开始时的寒武纪或奥陶纪就放置在这里。”
地球的影像向前推来,充满了整个正方形,镜头在各大陆间移动,让人想到一双警惕巡视的眼睛。
排险者说:“你们现在看到的影像是在更新世末期拍摄的,距今37万年,对我们来说,几乎是在昨天了。”
地球表面的影像停止了移动,那双眼睛的视野固定在非洲大陆上,这个大陆正处于地球黑夜的一侧,看上去是一个由稍亮些的大洋三面围绕的大墨块。显然大陆上的什么东西吸引
了这双眼睛的注意,焦距拉长,非洲大陆向前扑来,很快占据了整个画面,仿佛观察者正在飞速冲向地球表面。陆地黑白相间的色彩渐渐在黑暗中显示出来,白色的是第四纪冰期的积雪,黑色部分很模糊,是森林还是布满乱石的平原,只能由人想像了。镜头继续拉近,一个雪原充满了画面,显示图像的正方形现在全变成白色了,是那种夜间雷地的灰白色,带着暗暗的谈蓝。在这雪原上有几个醒目的黑点,很快可以看出那是几个人影,接着可以看出他们的身型都有些驼背,寒冷的夜风吹起他们长长的披肩乱发。图像再次变黑,一个人仰起的面孔充满了面画,在微弱的光线里无法看清这张面孔的细部,只能看出他的眉骨和颧骨很高,嘴唇长而薄。镜头继续拉近,这似乎已是不可能再近的距离,一双深陷的眼睛充满了画面,黑暗中的瞳仁中有一些银色的光斑,那是映在其中的变形的星空。
图像定格,一声尖利的呜叫响起,排险者告诉人们,预警系统报警了。
“为什么?”总工程师不解地问。
“这个原始人仰望星空的时间超过了预誓阀值,已对宇宙表现出了充分的好奇。到此为止,已在不同的地点观察到了十例这样的超限事件,符合报警条件。”
“如果我没记错的话,你前面说过,只有当有能力产生创世能级能量、过程的文明出现时,预警系统才会报警。”
“你们看到的不正是这样一个文明吗?
人们面面相觑,一片茫然。
排险者露出那毫无特点的微笑说:“这很难理解吗?当生命意识到宇宙奥秘的存在时,距它最终解开这个奥秘只有一步之遥了。”看到人们仍不明白,他接着说,“比如地球生命,用了四十多亿年时间才第一次意识到宇宙奥秘的存在,但那一时刻距你们建成爱因斯坦赤道只有不到四十万年时间,而这一进程最关键的加速期只有不到五百年时间。如果说那个原始人对字宙的几分钟凝视是看到了一颗宝石,其后你们所谓的整个人类文明,不过是弯腰去拾它罢了。”
丁仪若有所悟地点点头:“要说也是这样,那个伟大的望星人!”
排险者接着说:“以后我就来到了你们的世界,监视着文明的进程,像是守护着一个玩火的孩子。周围被火光照壳的宇宙使这孩子着迷,他不顾一切地把火越燃越旺,直到现在,宇宙已有被这火烧毁的危险。”
丁仪想了想,终于提出了人类科学史上最关键的问题:“这就是说,我们永远不可能得到大统一模型,永远不可能探知宇宙的终极奥秘?”
科学家们呆呆地盯着排险者,像一群在最后审判日里等待宣判的灵魂。
“智慧生命有多种悲哀,这只是其中之一。”排险者谈谈地说。
松田诚一声音频抖地问:“作为更高一级的文明,你们是如何承受这种悲哀的呢?”
“我们是这个宇宙中的幸运儿,我们得到了宇宙的大统一模型。”科学家们心中的希望之火又重新开始燃烧。
丁仪突然想到了另一种恐怖的可能:“难道说,真空衰变已被你们在宇宙的某处触发了?”
排险者摇摇头:“我们是用另一种方式得到的大统一模型,这一时说不清楚,以后我可能会详细地讲给你们听。”
“我们不能重复这种方式吗?”排险者继续摇头:“时机已过,这个宇宙中的任何文明都不可能再重复它。”
“那请把宇宙的大统一模型告诉人类!”
排险者还是摇头。
“求求你,这对我们很重要,不,这就是我们的一切!”丁仪冲动地去抓排险者的胳膊,但他的手毫无感觉地穿过了排险者的身体。
“知识密封准则不允许这样做。”
“知识密封准则?”
“这是宇宙中文明世界的最高准则之一,不允许高级文明向低级文明传递知识,我们把这种行为叫知识的管道传递。低级文明只能通过自己的探索来得到知识。”
丁仪大声说:“这是一个可理解的准则:如果你们把大统一模型告诉所有渴求宇宙最终奥秘的文明,他们就不会试图通过创世能级的高能试验来得到它,宇宙不就安全了吗?”
“你想得太简单了:这个大统一模型只是这个宇宙的。当你们得到它后就会知道,还存在着无数其它的宇宙,你们接着又会渴求得到制约所有宇宙的超统一模型。而大统一模型在技术上的应用会使你们拥有产生更高能量过程的手段,你们会试图用这种能量过程击穿不同宇宙问的壁垒,不同宇宙间的真空存在着能级差,这就会导致真空衰变,同时毁灭两个或更多的宇宙。知识的管道传递还会对接收它的低级文明产生其它更直接的不良后果和灾难,其原因大部分你们目前还无法理解,所以知识密封准则是绝对不允许违反的。这个准则所说的知识不仅是宇宙的深层秘密,它是指所有你们不具备的知识,包括各个层次的知识:假设人类现在还不知道牛顿三定律或微积分,我也同样不能传授给你们。”
科学家们沉默了,在他们眼中,已升得很高的太阳熄灭了,一切都陷入黑暗之中。整个宇宙顿时变成一个巨大的悲剧,这悲剧之大之广他们一时还无法把握,只能在余生细水长流地受其折磨,事实上他们知道,余生已无意义。
松田诚一瘫坐在草地上,说了一句后来成为名言的话:“在一个不可知的宇宙里,我的心脏懒得跳动了”
他的话道出了所有物理学家的心声,他们目光呆滞,欲哭无泪。就这样不知过了多长时间,丁仪突然打破沉默:
“我有一个办法,既可以使我得到大统一模型,又不违反知识密封准则。“
排险者对他点点头:“说说看。”
“你把宇宙的终极奥秘告诉我,然后毁灭我。”
“给你三天时间考虑。”排险者说,他的回答不假思索十分迅速,紧接着丁仪的话。
丁仪欣喜若狂:“你是说这可行?”
排险者点点头。
真理祭坛
人们是这么称呼那个巨大的半球体的,它的直径五十米,底面朝上球面向下放置在沙漠中,远看像一座倒放的山丘。这个半球是排险者用沙子筑成的,当时沙漠中出现了一股巨大的龙卷风,风中那高大的沙柱最后凝聚成这个东西。谁也不知道他是用什么东西使大量的沙子聚合成这样一个精确的半球形状,其强度使它球面朝下放置都不会解体。但半球这样的放置方式使它很不稳定,在沙漠中的阵风里它有明显的摇晃。
据排险者说,在他的那个遥远世界里,这样的半球是一个论坛,在那个文明的上古时代,学者们就聚集在上面讨论宇宙的奥秘。由于这样放置的半球的不稳定性,论坛上的学者们必须小心地使他们的位置均匀地分布,否则半球就会倾斜,使上面的人都滑下来。排险者一直没有解释这个半球形论坛的含义,人们猜测,它可能是暗示宇宙的非平衡态和不稳定。
在半球的一侧,还有一条沙子构筑的长长的坡道,通过它可以从下面走上祭坛。在排险者的世界里,这条坡道是不需要的:在纯能化之前的上古时代,他的种族是一种长着透明双翼的生物,可以直接飞到论坛上。这条坡道是专为人类修筑的,他们中的三面多人将通过它走上真理祭坛,用生命换取宇宙奥秘。
三天前,当排险者答应了丁仪的要求后,事情的发展令世界恐慌:在短短一天时间内,有几百人提出了同样的要求,这些人除了世界核子中心的其他科学家外,还有来自世界各国的学者,开始只有物理学家,后来报名者的专业越出了物理学和宇宙学,出现了数学、生物学等其它基础学科的科学家,甚至还有经济学和史学这类非自然科学的学者。这些要求用生命来换取真理的人,都是他们所在学科的刀锋,是科学界精英中的精英,其中诺贝尔奖获得者就占了一半,可以说,在真理祭坛前聚集了人类科学的精华。
真理祭坛前其实已不是沙漠了,排险者在三天前种下的草迅速蔓延,那条草带已宽了两倍,它那已变得不规则的边曲已伸到了真理祭坛下面。在这绿色的草地上凝集了上万人,除了这些即将献身的科学家和世界各大媒体的记者外,还有科学家们的亲人和朋友,两天两夜无休止的劝阻和哀求已使他们心力交瘁,精神都处于崩溃的边缘,但他们还是决定在这最后的时刻做最后的努力。与他们一同做这种努力的还有数量众多的各国政府的代%
黑洞外是否还有宇宙
有 这就是所谓的平行宇宙
平行宇宙定义
是否有另一个你正在阅读和本文完全一样的一篇文章?那个家伙并非你自己,却生活在一个有着云雾缭绕的高山、一望无际的原野、喧嚣嘈杂的城市,和其它8颗行星一同围绕一颗恒星旋转,并且也叫做“地球”的行星上?他(她)一生的经历和你每秒钟都相同。然而也许她此刻正准备放下这篇文章而你却打算看下去。
这种“分身”的想法听起来奇怪而又难以置信,但似乎我们不得不接受它,因为它已为各种天文观测的结果所支持。如今最流行同时也最简单的宇宙模型指出,离我们大约10^(10^28)米外之处存在一个和我们的银河一模一样的星系,而那其中正有个一模一样的你。虽然这距离大得超乎人们的想象,却毫不影响你的“分身”存在的真实性。该想法最初起源于很简单的“自然可能性”而非现代物理所假设:宇宙在尺寸上无限大(或者至少足够大),并且象天文观测指出的那样--均匀的分布着物质。既然如此,按照统计学规律便可以断定,所有的事件(无论多么相似或者相同)都会发生无数次:会有无数个孕育人类的星球,它们之中会有和你一摸一样的人--一模一样的长相、名字、记忆甚至和你一模一样的动作、选择--这样的人还不止一个,确切的说,是无穷多个。
最新的宇宙学观测表明,平行宇宙的概念并非一种比喻。空间似乎是无限的。如果真是这样,一切可能会发生的事情必然会发生,不管这些事有多荒唐。在比我们天文观测能企及范围远得多的地方,有和我们一模一样的宇宙。天文学家甚至计算出它们距地球的平均距离。
你很可能永远见不到你的“影子”们。你能观测到的最远距离也就是自大爆炸以来光所行进的最远距离:大约140亿光年,即4X10^26米--该距离为半径的球体正好定义了我们可观测视界的大小,或者简单地说,宇宙的大小,又叫做哈勃体积。同样的,另一个你所在的宇宙也是个同样大小的球体。以上便是对“平行宇宙”最直观的解释。每个宇宙都是更大的“多重宇宙”的一小部分。
平行宇宙层次
对“宇宙”的如此定义,人们也许会认为这只是种形而上学的方式罢了。然则物理学和形而上学的区别在于该理论是否能通过实验来测试,而不是它看起来是否怪异或者包含难以察觉的东西。多年来,物理学前沿不断扩张,吸收融合了许多抽象的(甚至一度是形而上学的)概念,比如球形的地球、看不见的电磁场、时间在高速下流动减慢、量子重叠、空间弯曲、黑洞等等。近几年来“多重宇宙”的概念也加入了上面的名单,与先前一些经过检验的理论,如相对论和量子力学配合起来,并且至少达到了一个经验主义科学理论的基本标准:作出预言。当然作出的论断也可能是错误的。科学家们迄今讨论过多达4种类型独立的平行宇宙。现在关键的已不是多重宇宙是否存在的问题了,而是它们到底有多少个层次。
第一层次:视界之外
所有的平行宇宙组成第一层多重宇宙。--这是争论最少的一层。所有人都接受这样一个事实:虽然我们此时此刻看不见另一个自己,但换一个地方或者简单地在原地等上足够长的时间以后就能观察到了。就像观察海平面以外驶来的船只--观察视界之外物体的情形与此类似。随着光的飞行,可观察的宇宙半径每年都扩大一光年,因此只需要坐在那里等着瞧。当然,你多半等不到另一个宇宙的另一个你发出的光线传到这里那天,但从理论上讲,如果宇宙扩张的理论站得住脚的话,你的后代就有可能用超级望远镜看到它们。
怎么样,第一层多重宇宙的概念听起来平平无奇?空间不都是无限的么?谁能想象某处插着块牌子,上书“空间到此结束,当心下面的沟”?如果是这样,每个人都会本能的置疑:尽头的“外面”是什么?实际上,爱因斯坦的重力场理论偏偏把我们的直觉变成了问题。空间有可能不是无限,只要它具有某种程度的弯曲或者并非我们直觉中的拓扑结构(即具有相互联络的结构)。
一个球形、炸面圈形或者圆号形的宇宙都可能大小有限,却无边界。对宇宙微波背景辐射的观测可以用来测定这些假设。见另一篇文章《宇宙是有限的吗?》by Jean-Pierre Luminet, Glenn D. Starkman and Jeffrey R. Weeks; Scientific American, April 1999然而,迄今为止的观察结果似乎背逆了它们。无尽宇宙的模型才和观测数据符合,外带强烈的限制条件。
另一种可能是:空间本身无限,但所有物质被限制在我们周围一个有限区域内--曾经流行的“岛状宇宙”模型。该模型不同之处在于,在大尺度下物质分布会呈现分形图案,而且会不断耗散殆尽。这种情形下,第一层多重宇宙里的几乎每个宇宙最终都将变得空空如也,陷入死寂。但是近期关于三维银河分布与微波背景的观测指出物质的组织方式在大尺度上呈现出某种模糊的均匀,在大于10^24米的尺度上便观测不到清晰的细节了。假定这种模式延伸下去,我们可观测宇宙以外的空间也将充满行星、恒星和星系。
有资料支持空间延伸于可观测宇宙之外的理论。WMAP卫星最近测量了微波背景辐射的波动(左图)。最强烈的振幅超过了0.5开,暗示着空间非常之大,甚至可能无穷(中图)。另外,WMAP和2dF星系红移探测器发现在非常大的尺度下,空间均匀分布着物质
生活在第一层多重宇宙不同平行宇宙中的观察者们将察觉到与我们相同的物理定律,但初始条件有所不同。根据当前理论,大爆炸早期的一瞬间物质按一定的随机度被抛出,此过程包含了物质分布的一切可能性,每种可能性都不为0。宇宙学家们假定我们所在的当初有着近似均匀物质分布和初始波动状态(100,000可能性中的一种)的宇宙,是一个相当典型的(至少在所有产生了观察者的平行宇宙中很典型)个体。那么距你最近的和你一模一样那个人将远在10^(10^28)米之外;而在10^(10^92)米外才会有一个半径100光年的区域,它里面的一切与我们居住的空间丝毫不差,也就是说未来100年内我们世界所发生的每件事都会在该区域完全再现;而至少10^(10^118)米之外该区域才会增大到哈勃体积那么大,换句话说才会有一个和我们一模一样的宇宙。
上面的估计还算极端保守的,它仅仅穷举了一个温度在10^8开以下、大小为一个哈勃体积的空间的所有量子状态。其中一个计算步骤是这样:在那温度下一个哈勃体积的空间最多能容纳多少质子?答案是10^118个。每个质子可能存在,也可能不存在,也就是总共2^(10^118)个可能的状态。现在只需要一个能装下2^(10^118)个哈勃空间的盒子便用光所有可能性。如果盒子更大些--比如边长10^(10^118)米的盒子--根据抽屉原理,质子的排列方式必然会重复。当然,宇宙不只有质子,也不止两种量子状态,但可用与此类似的方法估算出宇宙所能容纳的信息总量。
与我们宇宙一模一样的另一个宇宙的平均距离,距你最近那个“分身”没准并不象理论计算的那么远,也许要近得多。因为物质的组织方式还要受其他物理规律制约。给定一些诸如行星的形成过程、化学方程式等规律,天文学家们怀疑仅在我们的哈勃体积内就存在至少10^20个有人类居住的行星;其中一些可能和地球十分相像。
第一层多重宇宙的框架通常被用来评估现代宇宙学的理论,虽然该过程很少被清晰地表达。举例来说,考察我们的宇宙学家如何通过微波背景来试图得出“球形空间”的宇宙几何图。随着空间曲率半径的不同,那些“热区域”和“冷区域”在宇宙微波背景图上的大小会呈现某种特征;而观测到的区域表明曲率太小不足以形成球形的封闭空间。然而,保持统计学上的严格是非常重要的事。每个哈勃空间的这些区域的平均大小完全是随机的。因此有可能是宇宙在愚弄我们--并非空间曲率不足以形成封闭球形使得观测到的区域偏小,而恰巧因为我们宇宙的平均区域天生就比别的来的小。所以当宇宙学家们信誓旦旦保证他们的球状空间模型有99.9%可信度的时候,他们的真正意思是我们那个宇宙是如此地不合群,以至1000个哈勃体积之中才会出一个象那样的。
这堂课的重点是:即使我们没法观测其他宇宙,多重宇宙理论依然可以被实践验证。关键在于预言第一层多重宇宙中各个平行宇宙的共性并指出其概率分布--也就是数学家所谓的“度量”。我们的宇宙应当是那些“出现可能性最大的宇宙”中的一个。否则--我们很不幸地生活在一个不大可能的宇宙中--那么先前假设的理论就有大麻烦了。如我们接下来要讨论的那样,如何解决这度量上的问题将会变得相当有挑战性。
第二层次:膨胀后留下的气泡
如果第一层多重宇宙的概念不太好消化,那么试着想象下一个拥有无穷组第一层多重宇宙的结构:组与组之间相互独立,甚至有着互不相同的时空维度和物理常量。这些组构成了第二层多重宇宙--被称为“无序的持续膨胀”的现代理论预言了它们。
“膨胀”作为大爆炸理论的必然延伸,与该理论的许多其他推论联系紧密。比如我们的宇宙为何如此之大而又如此的规整,光滑和平坦?答案是“空间经历了一个快速的拉伸过程”,它不仅能解释上面的问题,还能阐释宇宙的许多其他属性。见《膨胀的宇宙》 by Alan H. Guth and Paul J. Steinhard; Scientific American, May 1984; 《自我繁殖的膨胀宇宙》 by Andrei Linde, November 1994 “膨胀”理论不仅为基本粒子的许多理论所语言,而且被许多观测证实。“无序的持续”指的是在最大尺度上的行为。作为一个整体的空间正在被拉伸并将永远持续下去。然而某些特定区域却停止拉神,由此产生了独立的“气泡”,好像膨胀的烤面包内部的气泡一样。这种气泡有无数个。它们每个都是第一层多重宇宙:在尺寸上无限而且充满因能量场涨落而析出的物质。
对地球来说,另一个气泡在无限遥远之外,远到即使你以光速前进也永远无法到达。因为地球和“另一个气泡”之间的那片空间拉伸的速度远比你行进的速度快。如果另一个气泡中存在另一个你,即便你的后代也永远别想观察到他。基于同样的原因,即空间在加速扩张,观察结果令人沮丧的指出:即便是第一层多重空间中的另一个自己也将看不到了。
第二层多重宇宙与第一层的区别非常之大。各个气泡之间不仅初始条件不同,在表观面貌上也有天壤之别。当今物理学主流观点认为诸如时空的维度、基本粒子的特性还有许许多多所谓的物理常量并非基本物理规律的一部分,而仅是一种被称作“对称性破坏”过程的结果而已。举例言之,理论物理学家认为我们的宇宙曾一度由9个相互平等的维度组成。在宇宙早期历史中,只有其中3个维度参与空间拉神,形成我们现在观察到的三维宇宙。其余6个维度现在观察不到了,因为它们被卷曲在非常微小的尺度中,而且所有的物质都分布在这三个充分拉伸过的维度“表面”上(对9维来说,三维就是一个面而已,或者叫一层“膜”)。
我们生活在3+1维时空之中,对此我们并不特别意外。当描述自然的偏微分方程是椭圆或者超双曲线方程时,也就是空间或者时间其中之一是0维或同时多维,对观测者来说,宇宙不可能预测(紫色和绿色部分)。其余情况下(双曲线方程),若n>3,原子无法稳定存在,n<3,复杂度太低以至于无法产生自我意识的观测者(没有引力,拓扑结构也成问题)。
由此,我们称空间的对称性被破坏了。量子波的不确定性会导致不同的气泡在膨胀过程中以不同的方式破坏平衡。而结果将会千奇百怪。其中一些可能伸展成4维空间;另一些可能只形成两代夸克而不是我们熟知的三代;还有些它们的宇宙基本物理常数可能比我们的宇宙大。
产生第二层多重宇宙的另一条路是经历宇宙从创生到毁灭的完整周期。科学史上,该理论由一位叫Richard C的物理学家于二十世纪30年代提出,最近普林斯顿大学的Paul J. Steinhardt和剑桥大学的Neil Turok两位科学家对此作了详尽阐述。Steinhardt和Turok 提出了一个“次级三维膜”的模型,它与我们的空间相当接近,只是在更高维度上有一些平移。see ‘Been There, Done That,‘ by George Musser; News Scan, Scientific American, March 2002该平行宇宙并非真正意义上的独立宇宙,但宇宙作为一个整体--过去、现在和未来--却形成了多重宇宙,并且可以证明它包含的多样性恰似无序膨胀宇宙所包含的。此外,沃特卢的物理学家Lee Smolin还提出了另一种与第二层多重宇宙有着相似多样性的理论,该理论中宇宙通过黑洞创生和变异而非通过膜物理学。
尽管我们没法与其他第二层多重宇宙之中的事物相互作用,宇宙学家仍能间接地指出它们的存在。因为他们的存在可以用来很好地解释我们宇宙的偶然性。做一个类比:设想你走进一座旅馆,发现了一个房间门牌号码是1967,正是你出生那年。多么巧合呀,在那瞬间你惊叹到。不过你随即反应过来,这完全不算什么巧合。整个旅馆有成百上千的房间,其中有一个和你生日相同很正常。然而你若看见的是另一个与你毫无干系的数字,便不会引发上面的思考。这说明什么问题呢?即便对旅馆一无所知,你也可以用上面的方法来解释很多偶然现象。
让我们举个更切题的例子:考察太阳的质量。太阳的质量决定它的光度(即辐射的总量)。通过基本物理运算我们可知只有当太阳的质量在1.6X10^30~2.4X10^30千克这么个狭窄范围内,地球才可能适合生命居住。否则地球将比金星还热,或者比火星还冷。而太阳的质量正好是2.0X10^30千克。乍看之下,太阳质量是种惊人的幸运与巧合。绝大多数恒星的质量随机分布于10^29~10^32千克的巨大范围内,因此若太阳出生时也随机决定质量的话,落在合适范围的机会将微乎其微。然而有了旅馆的经验,我们便明白这种表面的偶然实为大系统中(在这个例子里是许多太阳系)的必然选择结果(因为我们在这里,所以太阳的质量不得不如此)。这种与观测者密切相关的选择称为“人择原理”。虽然可想而知它引发过多么大的争论,物理学家们还是广泛接收了这一事实:验证基础理论的时候无法忽略这种选择效应。
适用于旅馆房间的原理同样适用于平行宇宙。有趣的是:我们的宇宙在对称性被打破的时候,所有的(至少绝大部分)属性都被“调整”得恰到好处,如果对这些属性作哪怕极其微小的改变,整个宇宙就会面目全非--没有任何生物可以存在于其中。如果质子的质量增加0.2%,它们立即衰变成中子,原子也就无法稳定的存在。如果电磁力减小4%,便不会有氢,也就不会有恒星。如果弱相互作用再弱一些,氢同样无法形成;相反如果它们更强些,那些超新星将无法向星际散播重元素离子。如果宇宙的常数更大一些,它将在形成星系之前就把自己炸得四分五裂。
虽然“宇宙到底被调节得多好”尚无定论,但上面举的每一个例子都暗示着存在许许多多包含每一种可能的调节状态的平行宇宙。see ‘Exploring Our Universe and Others,‘ by Martin Rees; Scientific American, December 1999第二层多重宇宙预示着物理学家们不可能测定那些常数的理论值。他们只能计算出期望值的概率分布,在选择效应纳入考虑之后。
第三层次:量子平行世界
第一层和第二层多重宇宙预示的平行世界相隔如此之遥远,超出了天文学家企及的范围。但下一层多重宇宙却就在你我身边。它直接源于著名的、备受争议的量子力学解释--任何随机量子过程都导致宇宙分裂成多个,每种可能性一个。
量子平行宇宙。当你掷骰子,它看起会随机得到一个特定的结果。然而量子力学指出,那一瞬间你实际上掷出了每一个状态,骰子在不同的宇宙中停在不同的点数。其中一个宇宙里,你掷出了1,另一个宇宙里你掷出了2……。然而我们仅能看到全部真实的一小部分--其中一个宇宙。
20世纪早些年,量子力学理论在解释原子层面现象方面的成功掀起了物理学革命。在原子领域下,物质运动不再遵守经典的牛顿力学规律。在量子理论解释它们取得瞩目成功的同时却引发了爆炸性激烈的争论。它到底意味着什么?量子理论指出宇宙并不像经典理论描述的那样,决定宇宙状态的是所有粒子的位置和速度,而是一种叫作波函数的数学对象。根据薛定鄂方程,该状态按照数学家称之为“统一性”的方式随时间演化,意味着波函数在一个被称为“希尔伯特空间”的无穷维度空间中演化。尽管多数时候量子力学被描述成随机和不确定,波函数本身的演化方式却是完全确定,没有丝毫随机性可言的。
关键问题是如何将波函数与我们观测到的东西联系起来。许多合理的波函数都导致看似荒谬不合逻辑的状态,比如那只在所谓的量子叠加下同时处于死和活两种状态的猫。为了解释这种怪异情形,在20实际20年代,物理学家们做了一种假设:当有人试图观察时,波函数立即“坍塌”成经典理论中的某种确定状态。这个附加假设能够解决观测发现的问题,然而却把原本优雅和谐统一的理论变得七拼八凑,失去统一性。随机性的本质通常归咎于量子力学本身就是这些不顺眼假设的结果。
许多年过去了,物理学家们逐渐抛弃了这种假设,转而开始接受普林斯顿大学毕业生Hugh Everett在1957年提出的一种观点。他指出“波函数坍塌”的假设完全是多余的。纯粹的量子理论实际上并不产生任何矛盾。它预示着这样一种情形:一个现实状态会逐渐分裂成许多重叠的现实状态,观测者在分裂过程中的主观体验仅仅是经历完成了一个可能性恰好等于以前“波函数坍塌假设结果”的轻微的随机事件。这种重叠的传统世界就是第三层多重宇宙。
四十多年来,物理界为是否接受Everett的平行世界犹豫不决,数度反复。但如果我们将之区分成不同视点分别来看待,就会更容易理解。研究它数学方程的物理学家们站在外部的视点,好像飞在空中的鸟审视地面;而生活在方程所描述世界里的观测者则站在内部的视点,就好比被鸟俯瞰的一只青蛙。
在鸟看来,整个第三层多重宇宙非常简单。只用一个平滑演化的、确定的波函数就能就能描绘它而不引发任何分裂或平行。被这个演化的波函数描绘的抽象量子世界内部却包含了大量平行的经典世界。它们一刻不停的分裂、合并,如同经典理论无法描述的一堆量子现象。在青蛙看来,观察者感知的只有全部真相的一小部分。它们能观测到自己所在那个第一层宇宙,但是一种模仿波函数坍塌效果而又保留统一性、被称为“去相干”的作用却阻碍他们观测到与之平行的其他宇宙。
每当观测者被问及一个问题、做一个决定或是回答一个问题,他大脑里的量子作用就导致复合的结果,诸如“继续读这篇文章”和“放弃阅读本文”。在鸟看来,“作出决定”这个行为导致该人分裂成两个,一个继续读文章而另一个做别的去了。而在青蛙看来,该人的两个分身都没有意识到彼此的存在,它们对刚才分裂的感知仅仅是经历了个轻微的随机事件。他们只知道“自己”做了什么决定,而不知道同时还有一个“他”做了不同的决定。
尽管听起来很奇怪,这种事情同样发生在前面讲过的第一层多重宇宙中。显然,你刚作出了“继续阅读本文”的决定,然而在很远很远的另一个银河系中的另一个你在读过第一段之后就放下了杂志。第一层宇宙和第三层宇宙唯一的区别就是“另一个你”身处何处。第一层宇宙中,他位于距你很远之处--通常维度空间概念上的“远”。第三层宇宙中,你的分身住在另一个量子分支中,被一个维度无限的希尔伯特空间分隔开来。
第三层多重宇宙的存在基于一个至关重要的假设:波函数随时间演化的统一。所幸迄今为止的实验都不曾与统一性假设背离。在过去几十年里我们在各种更大的系统中证实了统一性的存在:包括碳-60布基球和长达数公里的光纤中。理论反面,统一性也被“去相干”作用的发现所支持。see ‘100 Years of Quantum Mysteries,‘ by Max Tegmark and John Archibald Wheeler; Scientific American, February 2001只有一些量子引力方面的理论物理学家对统一性提出置疑,其中一个观点是蒸发中的黑洞有可能破坏统一性,应该是个非统一性过程。但最近一项被叫做“AdS/CFT一致”的弦理论方面的研究成果暗示:量子引力领域也具有统一性,黑洞并不抹消信息,而是把它们传送到了别处。
如果物理学是统一的,那么大爆炸早期量子波动是如何运作的那幅标准图画将不得不改写。它们并非随机产生某个初始条件,而是产生重叠在一起的所有可能的初始条件,同时存在。然后,“去相干”作用保证它们在各自的量子分支里像传统理论那样演化下去。这就是关键之处:一个哈勃体积内不同量子分支(即第三层多重宇宙)演化出的分布结果与不同哈勃体积内同一个量子分支(即第一层多重宇宙)演化出的分布结果是毫无区别的。量子波动的该性质在统计力学中被称为“遍历性”。
同样的原理也可以适用在第二层多重宇宙。破坏对称性的过程并不只产生一个独一无二的结果,而是所有可能结果的叠加。这些结果之后按自己的方向发展。因此如果在第三层多重宇宙的量子分支中物理常数、时空维度等各不相同的话,那些第二层平行宇宙同样也将各不相同。
换句话说,第三层多重宇宙并没有在第一层和第二层上增加任何新东西,只是它们更加难以区分的复制品罢了--同样的老故事在不同量子分支的平行宇宙间一遍遍上演。对Everett理论一度激烈的怀疑便在大家发现它和其他争议较少的理论实质相同之后销声匿迹了。
毫无疑问,这种联系是相当深层次的,物理学家们的研究也才处于刚刚起步阶段。例如,考察那个长久以来的问题:随着时间流逝,宇宙的数目会以指数方式暴涨吗?答案是令人惊讶的“不”。在鸟看来,全部世界就是由单个波函数描述的东西;在青蛙看来,宇宙个数不会超过特定时刻所有可区别状态的总数--也即是包含不同状态的哈勃体积的总数。诸如行星运动到新位置、和某人结婚或是别的什么,这些都是新状态。在10^8开温度以下,这些量子状态的总数大约是10^(10^118)个,即最多这么多个平行宇宙。这是个庞大的数目,却很有限。
从青蛙的视点看,波函数的演化相当于从这10^(10^118)个宇宙中的一个跳到另一个。现在你正处在宇宙A--此时此刻你正在读这句话的宇宙里。现在你跳到宇宙B--你正在阅读另一句话那个宇宙里。宇宙B存在一个与宇宙A一摸一样的观测者,仅多了几秒中额外记忆。全部可能状态存在于每一个瞬间。因此“时间流逝”很可能就是这些状态之间的转换过程--最初在Greg Egan在1994所著的科幻小说[Permutation City]中提出的想法,而后被牛津大学的物理学家David Deutsch和自由物理学家Julian Barbour等人发展开来。
第四层次:其他数学界构
虽然在第一、第二和第三层多重宇宙中初始条件、物理常数可能各不相同,但支配自然的基础法则是相同的。为什么要到此为止?为何不让这些基础法则也多样化?来个只遵守经典物理定律,让量子效应见鬼去的宇宙如何?想象一个时间像计算机一样一段一段离散地流逝,而非现在那样连续地流逝的宇宙?再想象一个简单的空心十二面体宇宙?在第四层多重宇宙里,所有这些形态都存在。
平行宇宙的终极分类,第四层。包含了所有可能的宇宙。宇宙之间的差异不仅在表现物理位置、属性或者量子状态,还可能是基本物理规律。它们在理论上几乎就是不能被观测的,我们能做的只有抽象思考。该模型解决了物理学中的很多基础问题。
为什么说上述的多重宇宙并非无稽之谈?理由之一就是抽象推理和实际观测结果间存在着密不可分的联系。数学方程式,或者更一般地,数字、矢量、几何图形等数学结构能以难以置信的逼真程度描述我们的宇宙。1959年的一次著名讲座上,物理学家Eugene P. Wigner阐述了“为何数学对自然科学的帮助大得神乎其神?”反言之,数学对它们(自然科学)有着可怕的真实感。数学结构能成为基于客观事实的主要标准:不管谁学到的都是完全一样的东西。如果一个数学定理成立的话,不管一个人,一台计算机还是一只高智力的海豚都同样认为它成立。即便外星文明也会发现和我们一摸一样的数学界构。从而,数学家们向来认为是他们“发现”了某种数学结构,而不是“发明”了它。
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好了,关于“黑洞骰子搭配阵容图”的话题就讲到这里了。希望大家能够对“黑洞骰子搭配阵容图”有更深入的了解,并且从我的回答中得到一些启示。