宇宙學領袖人物安德森·林德:宇宙是永恆海洋中微小的局部

2021-01-09 澎湃新聞
編者按:《科學美國人》是美國歷史最長的、一直連續出版的雜誌,也是著名的《科學》(Science)的姊妹刊。大眾化的高水平學術期刊,有151位諾貝爾獎得主撰稿。作為《科學美國人》雜誌的資深撰稿人,約翰·霍根對於當代科學有著卓越的領悟,因為他具有一種常人無可企及的優越條件,能借工作的便利,經常性地接觸科學界的名家,並能得心應手地刺探他們內心深處的思想。在《科學的終結》一書中,霍根以才華橫溢的筆觸,描寫了這些大名鼎鼎的人物之平凡的一面和活躍的思想。科學家「在面對認識的限度時,……更像常人一樣,易受到自己的恐懼和欲望的左右。」

作為反諷宇宙學的踐行者,安德烈·林德(Andrei Linde)是少數幾個堪與史蒂芬·霍金相提並論的人之一。他是一位俄羅斯物理學家,1988年移 民去了瑞士,兩年後來到美國。林德也參加了瑞典的諾貝爾專題討論會,其滑稽表演是這次會議中的精彩場面。在戶外雞尾酒會上喝了一兩杯後,林德 用空手道中的劈砍動作將一塊石頭敲成了兩半,隨後又用雙手倒立起來,緊接著一個後空翻穩穩地站在地上。他從口袋裡掏出一盒火柴,把其中兩根呈十字形放在手上。當林德讓手至少在表面上保持靜止時,上面的那根火柴卻抖動並跳了起來,仿佛被一根看不見的弦拉動著。這個魔術使他的同行們欣喜若狂。不久,由於有一打左右世界上最傑出的宇宙學家徒勞地試圖重複林德的壯舉,因而弄得火柴和咒語到處亂飛。當他們要求知道林德是怎樣做到這一點的時候,他笑著喊道:「量子漲落!」

安德森·林德

林德更因其理論「變戲法」而出名。在20世紀80年代初期,他使暴漲理論獲得同行們的認可,這是一個從粒子物理學中推出的更為離奇的想法。暴漲的發明(在這兒用「發現44 」一詞似乎並不合適),一般歸功於麻省理工學院的艾倫·古思(Alan Guth),但林德幫助改進了這一理論,並使之得到公認。古思和林德提出,在我們宇宙歷史的極早階段——精確地說是T=10-43秒 時,那時的宇宙比一個質子更小——引力會變成斥力。因此,他們認為宇宙經歷了一次驚人的、指數增長的膨脹;而時至今日,宇宙則以一個低得多的速率膨脹。

古思和林德的觀點建立在未被檢驗的——幾乎肯定是不可檢驗的——粒子物理學統一理論基礎上。不過宇宙學家喜歡暴漲理論,因為它能解釋一些 由標準大爆炸模型產生的、擾人的問題。首先,為什麼宇宙在所有方向上均 表現出或多或少的相似性?答案是:與吹起一個氣球時抹平了它的皺摺類 似,宇宙的指數膨脹使得它相對平滑。反過來,暴漲也解釋了為什麼宇宙不 是一個完全均勻的、一鍋湯似的發光體,而是以恆星和星系形式呈現的成團 的物質。量子力學表明連真空也充滿能量,這些能量不斷地漲落,像風吹過 湖面時湖面水波的起伏。按照暴漲理論,這些在宇宙極早期由量子漲落產生 的波峰,在暴漲後會變得足夠大,成為形成恆星和星系的引力種子。

暴漲有一些令人驚詫的含義,其中之一是我們通過望遠鏡所能看到的 一切,都只代表在暴漲時產生的極大區域內的一個極微小部分。但林德並未 就此止步,他進一步提出,甚至那個極大宇宙,也只不過是暴漲時產生的無 限多宇宙中的一個。膨脹一旦開始,就永遠不會結束,它不僅產生了我們置 身其中的宇宙——我們依靠望遠鏡能探索到的嵌滿星系的領域,還產生了無 數的其他宇宙。這個超級宇宙具有所謂的分形結構:大宇宙生出小宇宙,小 宇宙再生出更小的宇宙,如此繼續下去。林德把他的模型稱為混沌的、分形 的、永遠自複製的暴漲宇宙模型。

林德既有公開逗趣和奇思妙想的一面,也有出人意料的冷峻一面。我去史丹福大學採訪他時,瞥見了其性格中的後一面。他和妻子麗娜塔·卡洛斯 (Renata Kallosh)自1990年起供職於斯坦福,他妻子也是一位理論物理學家。當我走進他們租賃的灰色方形的房子時,林德帶我草草地看了一圈。在後院,我們碰見了卡洛斯,她正愉快地在一個花壇上翻弄著什麼。「看,安 德烈!」她叫著,指著頭頂上樹枝中的一個鳥巢,滿巢都是吱吱叫的鳥。林 德只點了點頭。當我問他是否發現加利福尼亞能使人放鬆時,他喃喃自語,「可能是太放鬆了。」

在林德講述他的經歷時,很明顯,焦慮乃至抑鬱是激勵他的重要因素。 在他研究中的幾個階段,就在取得突破性進展前,他會對洞察事物的本質感到絕望。林德在20世紀70年代後期就已經偶然得出了暴漲的基本概念,當 時他正在莫斯科,但是他認為這個想法缺點很多,以至於無法繼續研究。艾 倫·古思認為暴漲能解釋宇宙幾個使人困惑的特徵,比如宇宙的平滑性。這使他的興趣再次被激起,但是古思的看法也有毛病。林德在思考這個問題時 是如此入迷,以至於得了胃潰瘍;好在他終歸還是釐清了該怎樣修正古思的 模型,才能消除其技術上的問題。

但即使這個新暴漲模型,也還是建立在林德深感懷疑的統一理論之上。 最終,在陷入憂鬱以至於纏綿病榻一段時日之後,他確信暴漲能由約翰·惠 勒(John Wheeler)首先提出的更一般的量子過程產生。據惠勒所云,如果 誰能擁有一臺比任何現存顯微鏡的解析度強大億萬倍的顯微鏡,他就能看到 時空由於量子不確定性而劇烈地漲落。林德認為惠勒所說的「時間泡沫」會 不可避免地產生暴漲所需的條件。

暴漲是一個自耗過程,即空間的膨脹使驅動暴漲的能量很快耗散。但是林德認為,一旦暴漲開始,由於量子不確定性,它將總是在某處繼續進行 (量子不確定性的一個特徵)。在這個時刻,新的宇宙紛紛產生了,有些宇 宙立即坍縮回去,另一些宇宙膨脹得如此之快,以至於物質沒有機會聚合。 一些類似於我們置身其中的宇宙安穩下來,以足夠慢的速率膨脹,引力就使 物質形成星系、恆星和行星。

林德有時將這種超宇宙比作無垠的大海。靠近看,這大海給人的印象是運動不息和變化不止的,波浪上下起伏。我們人類,由於生活在這引起起伏的波浪之一中,會認為整個宇宙正膨脹著。但是如果我們能升到海面之上,就會認識到膨脹的宇宙只是一個無限大的永恆的海洋中一個微不足道的 局部。林德認為弗雷德·霍伊爾(Fred Hoyle)早期的穩恆態理論(該理論 會在本章後面的部分予以討論)在某些方面是對的;如果以上帝般的視角來 看,超宇宙當然能表現出某種平衡。

林德並不是第一個假定存在其他宇宙的物理學家。雖然大多數理論家都 將其他宇宙作為數學抽象對待,並對此感到困窘,但林德卻喜歡推測它們的性質。例如,在說明其自複製宇宙理論時,他借用了遺傳學話語,暴漲創造 的每一個宇宙都生出另外的「嬰孩宇宙」;這些後代中有一些會保持其先輩 的「基因」,演化成類似的宇宙,有著類似的自然法則,也許還有著類似的 土著居民。援引人擇原理,林德提出,某種宇宙學版本的自然選擇,會更傾 向於讓那些有可能產生智慧生命的宇宙永遠存在。「在宇宙的某處存在著像 我們一樣的生命,這在我看來差不多就是板上釘釘的事實,」他說,「可惜 我們永遠也不會知道。」

像艾倫·古思和其他幾個宇宙學家一樣,林德也喜歡玄想在實驗室中創造一個暴漲宇宙的可行性,但只有林德提出這樣的疑問:為什麼要創造另一 個宇宙?它帶有什麼目的?根據林德計算,一旦某個宇宙工程師創造出一個 新的宇宙,它會立即以超光速同其母體分離,不可能有進一步的通信。

另一方面,林德猜測,或許這位工程師能以某種方式精心處理暴漲前的種子,使它演化成為一個有特定的維數、特定物理規律和自然常數的宇宙。 這位工程師會以上述方式將某種信息嵌在新宇宙的結構上。林德認為,實際 上我們的宇宙很有可能就是另一宇宙的生物創造的,而像他自己這樣的物理 學家,在摸索著試圖揭示自然規律的過程中,實際上可能正在破譯來自我們 宇宙母體的信息。

林德拋出這些觀點時顯得相當謹慎,同時觀察著我的反應,只是在最 後,大概是對我吃驚地大張著嘴感到很滿意,他才讓自己露出了一絲笑意。 然而,當我想知道嵌於我們宇宙的信息可能是什麼的時候,他的笑容消失 了,鬱郁地說,「似乎我們還沒有成熟到能知道這些信息的地步。」當我進 而追問他是否擔心其所有的工作可能只是——我竭力想要找到一個恰當的詞 語——胡說八道時,他的臉色陰沉得都快滴出水了。

「在我消沉的時候,我的確會感到自己是個徹頭徹尾的白痴,」他回應道,「我思考的都是些相當原初的玩意兒。」他又補充說,他曾盡力讓自 己不要太沉迷於自己的想法,「有時這些模型相當奇怪,如果你對它們太認真,就有掉入陷阱的危險。我想這和在湖面薄冰上跑步相似,如果你跑得非常快,你可能不會沉下去並且能跑上一大段距離。可如果你只是站在那兒去 思考是否跑對了方向,那無疑你就會掉下去。」

林德似乎是想表明,他作為一名物理學家的目標並不是去追尋解,去追尋「終極答案 」或僅僅是追尋某個「答案」,而是要不斷前進,不斷向前滑行。林德對終極理論的想法感到恐懼,其自複製宇宙論要這樣解讀才有意義:只有宇宙是無限且永恆的,科學作為對知識的探求,也才會是無限且永 恆的。但林德認為,因為物理學受制於這個宇宙,所以它不可能趨近終極。「例如,你沒有將意識包括進去。物理學研究物質,而意識並非物質。」 林德同意約翰·惠勒的說法,現實在某種意義上是一種參與現象。「在你測量前,沒有什麼宇宙,沒有你能稱作是客觀現實的東西。」林德說。

就像惠勒和戴維·玻姆一樣,林德似乎對物理學永遠不會十全十美的前景,既滿懷著神秘的憧憬,又倍感煎熬。他說:「理性的知識有一定局限。 研究非理性的一條途徑是深入其中思考,另一條途徑是用理性工具研究非理性的邊界。」林德選擇了後者,因為物理學只是提供了一條研究世界運演的 「不能說完全無意義」的道路。但有時候他承認,「當我一想到自己會像一 個物理學家那樣死去時,就會感到沮喪。」

本文摘自《科學的終結》,【美】約翰·霍根(John Horgan) 著,孫雍君 / 張武軍 譯,清華大學出版社2017年4月版

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