關于宇宙，我們還能了解多少？

勞倫斯·M.+克勞斯

作為一名宇宙學家，在舉行完講座之后，我最常聽到的一些問題包括：在我們的宇宙之外都有些什么？我們的宇宙會膨脹成什么？我們的宇宙會永遠膨脹下去嗎？這是一些很自然的問題。但其中還有一個更加深刻的問題在起著作用。從根本上來說，我們真正想要知道的是：我們的認知有沒有邊界？對科學而言，有沒有根本上的極限？

當然，我們不可能預知未來。除非真正遇到我們試圖跨越的障礙，否則我們永遠無法知道，人類的認知是否有極限。就目前而言，沒有任何跡象表明，我們面臨著這一認知極限。也許，我們正面臨著某些障礙，但是，所有的跡象無不顯示出這些障礙都只是暫時的。因為，就我從事的領域——宇宙學——而言，就算在50年前，也沒有人能夠預見我們對宇宙的認知會以這種方式增長。

即便在最晴朗的天氣，我們也不可能看到無窮遠：理論上，你最遠只能看到453億光年遠的地方。雖然這表示我們的認知有一個直接的限制，但這無法阻擋我們掌握自然界的基本運行規律。

這并不是說大自然對我們所能觀察的事物以及我們觀察事物的方式沒有任何限制，海森堡提出的不確定性原理就對我們觀察一個粒子在任意時間的運動做出了限制，光速則限定了我們在一個給定的時間間隔內能看多遠或者能走多遠。但是這些限制只不過是告訴我們哪些是我們無法觀測到的，并非說這些事物是我們最終無法知曉的。不確定性原理并沒有妨礙我們獲悉量子力學的

規則，也沒有妨礙我們了解原子的行為，更沒有妨礙我們發現那些我們永遠也無法直接看到，但確實存在的粒子。

人們觀測到的宇宙正在膨脹，的確意味著一個開端。這是因為，如果我們反推過去，那么在遙遠的過去的某一個時間點，我們可觀測宇宙中的任何事物都將回到一個點——奇點。在那一瞬間，也就是現在被稱為大爆炸的時間點上，我們目前所知的所有物理學定律都土崩瓦解了，因為描述萬有引力的廣義相對論，無法與描述微觀尺度物理學的量子力學成功地整合在一起。但是大多數科學家并不認為這就是認知的根本邊界，因為他們正試圖通過對廣義相對論進行必要的修正，使其成為相容量子理論的一部分。而弦理論，正是人們取得的主要成果之一。

如果我們在一個方向上看得足夠遠，就能看見自己的后腦勺。

鑒于這樣一個理論，我們也許能夠回答大爆炸之前都發生了些什么——如果有的話。這種最簡單的、可能的回答，或許也是最不令人滿意的回答。無論是狹義相對論還是廣義相對論，都將時間與空間捆綁在一起，成為一個單一的實體——時空。如果空間是在大爆炸中產生的，那么時間可能也是。如果是這樣的話，那就沒有“之前”了，“大爆炸之前有什么”這個問題也就不是一個問題了。不過，這并不是唯一可能的解答。我們需要等到一個能夠解釋萬有引力的量子理論

的出現，并且在它被實驗證實之后，才能對我們的回答有一定的信心。

接下來的問題是：從空間的角度來說，我們是否能夠知道在我們的宇宙之外都有些什么？我們宇宙的邊界在哪里？讓我們再一次大膽假設。如果我們的時空是自然而然地產生的，那么，正如我在我的新書《從虛無中誕生的宇宙》中長篇大論地討論過的那樣，看似最有可能的場景是宇宙的總能量為零——物質表現出的能量正好與引力場表現的能量相互抵消。簡言之，如果某些事物總計為零，那么這些事物就能夠從虛無中誕生。現在，我們能夠查證的唯一的宇宙，其總能量為零，這是一個閉宇宙。這樣的一個宇宙是有限而無邊際的。正如你可以沿著一個球體的表面一直走下去而不會遇到任何邊界一樣，對我們的宇宙來說，如果我們在一個方向上看得足夠遠，就能看見自己的后腦勺。

而在實踐中，我們是做不到這一點的，這也許是因為對我們來說可見的宇宙，僅僅是更大尺度宇宙的一部分而已。其原因與被人們稱為暴脹的現象有關。微觀尺度上自發出現的大多數宇宙會在瞬間塌陷，而不會持續存在數十億年。但是，在其中的某些宇宙中，空白空間會被賦予能量，而在這種情況下，該宇宙將呈指數級快速膨脹。這一現象至少會維持一個較短的時間。我們認為，在我們的宇宙大爆炸擴張的最初瞬間，出現過這樣一個暴脹期，從而使我們的宇宙免于立刻塌陷。在這一過程中，宇宙的尺度極度膨脹，以至于無論從哪一點來看，它似乎都是平坦且無限的。這就是即使我們的宇宙在其最大尺度上可能是封閉的，但當我們極目太空時仍無法看到自己后腦勺的原因。雖然從理論上來講，如果我們等的時間足夠長就能看見全部的事物，但這里有個前提，即暴脹沒有在我們的宇宙中發生。

正在發生碰撞的星系，這種宇宙暴亂終有一天會偃旗息鼓，而在遙遠的未來，觀測者可能永遠也不會意識到，我們的宇宙曾經是多么轟轟烈烈。

宇宙中我們至今仍無法觀測的區域或許是我們永遠也無法觀測到的區域，那里可能正在暴脹。事實上，就我們目前的理論來看，這一情況是極有可能的。如果我們認為“我們的宇宙”這個詞指的是我們已經能夠或者是終有一天能夠與之溝通的區域，那么，一般來說，暴脹還會在我們的宇宙之外創造出別的宇宙。在我們身邊的空間體量內，暴脹可能不那么明顯，但是在此之外的空間，則在永不止息地以指數級膨脹，偶爾會有像我們的宇宙一樣的孤立區域與膨脹脫鉤。正如當溫度低于冰點時，冰塊能夠在快速流動的水面上形成一樣。每一個這樣的宇宙都有一個起點，這個起點是與暴脹在其空間中結束的時間掛鉤的。在這種情況下，我們宇宙的起點就不一定是時間的起點了。這讓我們更有理由懷疑大爆炸是否真的代表著我們認知的終極限制了。

我們已經發現，將推理與實驗觀測相結合，我們的認知就不會有任何局限。

每個宇宙從背景空間中脫離而出的過程不同，它們的物理學定律可能也不相同。我們把可能存在的宇宙形成的這一集合稱為“多元宇宙”。“多元宇宙”的概念在科學界廣受關注，不僅僅是因為該概念是在宇宙暴脹之類現象的推動下產生的，還因為該概念提出的擁有其自身獨特物理定律的多個不同宇宙存在的可能性，可以解釋我們的宇宙中存在的各種看似莫名其妙的基本參數。這些參數只不過是在我們的宇宙誕生時隨機產生的。

如果除了我們的宇宙之外還有其他宇宙存在，那么它們與我們之間的距離將是非常遙遠的，而且它們還會以超越光速的相對速度遠離我們而去，因此，我們也許永遠也無法直接探測到它們。那么，“多元宇宙”理論僅僅是一種空頭理論嗎？對“多元宇宙”存在可能性的驗證代表著我們認知上的一個根本極限嗎？答案是：這可不一定。雖然我們可能永遠也無法直接看到另一個宇宙，但是我們依然能夠以經驗主義的方式來檢驗該理論，比如說，觀測暴脹產生的引力波。理論

上，這一舉措可使我們檢測出導致我們宇宙產生的暴脹過程的詳盡細節。這些引力波與被激光干涉引力波天文臺發現的引力波相似，但是它們的起源不同。后者產生于諸如遙遠星系中巨型黑洞之間發生碰撞一類的大事件，而前者產生于宇宙大爆炸的早期，也就是人們認定的暴脹時期。如果我們能夠直接探測到這些引力波（就像現在我們可以通過不同的實驗，來尋找宇宙大爆炸遺留下的宇宙微波背景輻射中的蛛絲馬跡一樣），我們就可以探究暴脹過程中都發生了哪些物理變化，從而斷定這永不止息的暴脹是否正是這一物理變化的結果。因此，即便我們不能直接探測到其他宇宙，但是我們仍可以間接檢驗其他宇宙是否必然存在。

簡言之，我們已經發現，將推理與實驗觀測相結合，我們的認知就不會有任何局限。無限的宇宙引人入勝，并且激勵著我們不斷進行探索。但是，我們可以自信地說，我們的認知永遠也沒有局限嗎？這可就不一定啦。

暴脹確實給我們的認知設置了一個根本性的限制，特別是對過去的認知。暴脹在本質上重置了宇宙，在這一過程中，就很可能摧毀了暴脹之前所有有關動態過程的信息。在暴脹期間，由于空間的快速膨脹大大降低了所有區域的物質密度，因此，可能抹去了諸如磁單極子等的蹤跡。理論表明，磁單極子應該是一種在宇宙很早時期大量產生過的粒子。這是暴脹獨有的特點之一，它很好地解釋了這樣一個矛盾：為什么諸如磁單極子一類的粒子理論上會產生，而在現實中我們至今也未觀測到過。

但在化解矛盾時，暴脹抹去了我們的過去。更糟糕的是，暴脹抹去信息的行為也許仍未停止。很顯然，現在的我們仍處在這一暴脹過程的另一個階段。通過對那些正在離我們遠去的遙遠星系與我們之間距離的測量，表明我們的宇宙正在加速膨脹，絲毫沒有慢下來。這是否說明占主導地位的引力僅僅存在于物質或輻射內，在虛空中不存在呢？（譯者注： 在這里，筆者的意思是，如果宇宙是由引力主導的，那么宇宙應該是塌縮的。而現實并非如此，好像引力被限制在了物質和輻射內。而在宇宙的虛空中，應該存在另外一種能量，它抵消了引力的作用，使得宇宙加速膨脹。）我們現在對這一能量的起源一無所知，每種潛在的解釋都是對認知發展，甚至是對我們自身存在的根本限制。

如果宇宙正在經歷某種相變，那么這種虛空中的能量可能會突然消失。如果這種情況真的將要發生，那么宇宙中基本力的性質可能會發生改變，而我們看到的宇宙中的所有結構都可能變得不穩定，甚至消失。我們將和其他所有的一切一起消失。

但是，即使是繼續膨脹，未來的景象仍將是一片凄涼。在大約2萬億年內（從人類的角度來看，2萬億年似乎是一個很長的時間，但是從宇宙的角度來看，就不是那么長了），宇宙的其他部分將會從我們的視野中消失。在那個遙遠的未來，在那些圍繞恒星運轉的行星上進化出的所有觀察者，都會認為他們生活在宇宙中唯一的星系中，這個星系被無盡的虛空包圍，不再有宇宙加速膨脹的蛛絲馬跡，更別提比這更早的宇宙大爆炸的跡象了。正如我們失去了磁單極子的蹤跡，他們對我們目睹的一切也將一無所知。最后，不管怎樣，我們都應該享受我們沐浴在陽光下的這短暫的片刻，在我們還能夠學習的時候，學習我們能夠學習的一切。