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書摘:穿越平行宇宙

發佈時間: 2017-06-21 12:15:24  |  來源: 中國日報  |  作者:  |  責任編輯: 文華

 



《穿越平行宇宙》 封面,圖片來源:湛廬出版社

為什麼我相信第四層多重宇宙

為什麼是這些公式,而不是其他的呢?

假設你是一位物理學家,你發現了一種方法,能將所有物理定律統一到一個“萬物理論”中。用這個萬物理論的數學公式,你能回答一切讓當代物理學家們輾轉反側的問題,比如量子引力究竟是如何運作的,以及怎樣解決測度問題。印著這些公式的T 恤成了暢銷貨。你因此獲得了諾貝爾獎。你歡欣鼓舞。然而,在頒獎典禮的前一夜,你卻忐忑不安、夜不能寐,因為你內心糾結著一個有些難堪的問題,這個問題也正是我的英雄——約翰惠勒提出的一個至今無人能回答的問題:為什麼會是這些特定的公式,而不是其他公式呢?

在前兩章裏,我論證了數學宇宙假説。這個假説認為,我們的外部物理實在其實是一個數學結構。這再次凸顯了惠勒的問題。數學家們已經發現了大量的數學結構,然而,儘管有些數學結構也許能描述某些有限的局部,但沒有一個與我們的物理實在完全符合。1916 年,廣義相對論成了最匹配的候選者,它不僅涵蓋了時間和空間,還描述了物質的多種形式。但是,隨著量子力學的興起,人們很快會發現,我們的物理實在中有些特點是無法用廣義相對論的數學結構來解釋的。幸運的是,由於你發現了那個接近“萬物理論”的方法,所以你現在可以擴展這張圖,為其加上你所發現的那個數學結構。倘若你加上的方框正是人們尋覓已久的那個完全符合物理實在的方框,那你就真能實至名歸地把諾貝爾獎抱回家了。

這時,我仿佛聽到約翰惠勒那慈祥的聲音突然響起在耳邊:“可是,其他方框呢?”如果你的方框很符合物理實在,那麼為什麼其他的不行呢?

所有方框所根植的數學基礎都是平等的,只不過數學結構不同。那麼,為什麼在物理實在面前,其中一些比另一些更平等呢?在實在的最深處,是否真的存在一個根本性的、無法解釋的不對稱,將各種數學結構劃分成兩個陣營——擁有物理實在的數學結構和缺乏物理實在的數學結構?

數學民主主義,一種激進的柏拉圖主義

早在1990 年那個在伯克利的夜晚,我腦中第一次冒出了“數學宇宙”的想法。在國際公寓五樓宿舍外的走廊上,我把這個想法告訴了我的好友比爾波裏爾。那晚,這個問題真的攪得我心神不寧。直到我腦袋裏的燈泡熄滅,我意識到,有一條路可以把我帶出這個哲學困境。我向比爾辯稱,徹底的數學民主主義是説,數學存在和物理存在是等價的,因此所有存在於數學中的結構,也都存在於物理中這可以被看作一種激進的柏拉圖主義:柏拉圖“思想境界”中的所有數學結構都以物理形式存在於“洞穴之外”的某處。

換句話,這個觀點就是説,在我們之前所講到的三層平行宇宙之外,還有一些更加碩大無朋的第四層平行宇宙,各自對應著不同的數學結構。前三層平行宇宙相當於同一個數學結構中無法相互交流的平行宇宙:第一層平行宇宙,簡單地説就是遙遠的區域,光線沒有足夠的時間來趕上我們;第二層平行宇宙覆蓋的區域,由於我們與它們之間的空間發生了宇宙學暴脹而永遠遙不可及;第三層平行宇宙,也就是埃弗雷特所説的“多世界”,討論的是量子力學的希爾伯特空間內無法交流的各部分。

然而,不管是第一、第二還是第三層平行宇宙,都遵循著相同的基本數學公式(描述了量子力學、暴脹等),第四層平行宇宙則像穿梭于不同調式中的翩翩舞者,涉入了不同的公式,對應著不同的數學結構。

我們的數學宇宙

假如第四層多重宇宙的理論是正確的,那麼,由於它沒有任何自由變數,所有平行宇宙的全部性質(包括那些自知的子結構所産生的主觀感知)原則上都能由一個極其聰明的數學家推導出來。可是,這個理論正確嗎?第四層多重宇宙真的存在嗎?

有趣的是,在數學宇宙假説的語境中,第四層多重宇宙的存在是毋庸置疑的。我們在第10 章中已經詳細討論過,數學宇宙假説認為數學結構正是我們的外部物理實在,而不僅是它的描述。這種物理實在與數學實在之間的等價關係意味著,假如一個數學結構包含一個自知的子結構,它將會像身在真實的物理宇宙中一樣,感知到自己的存在,就像你和我(儘管那個宇宙的各種特性和我們不一樣)。霍金曾發出一個著名的疑問:“是什麼賦予這些方程以生命,並製造出一個被它們所描述的宇宙?”在數學宇宙假説的語境中,不需要向方程“賦予”什麼生命,因為重點並不是數學結構如何描述了宇宙,數學結構本身就是宇宙。此外,也不需要什麼“製造”。你不能“製造”出一個數學結構——它單純地存在著。它不存在於時間和空間中——更可能是反過來,空間和時間存在於它之中。

換句話説,所有存在於數學上的結構都有一個相同的存在狀態。最有趣的問題不是它們中的哪些以物理形式存在著(它們都是),而是哪些蘊含著生命——或許,蘊含著我們。許多數學結構(比如正十二面體)缺乏足夠的複雜性來支撐任何自知的子結構。因此,第四層多重宇宙很有可能像一片幅員廣袤但了無人煙的沙漠,生命只被局限在極其罕見的綠洲中,局限在那些對生命友好的數學結構中,比如我們棲身的這個。與之類似,我們在第5 章也曾看到,大部分第二層多重宇宙也是貧瘠的荒漠,生命被局限在太空中小小的“宜居帶”內,因為只有這裡的暗能量密度等物理參數適宜生命的繁衍生息。第一層多重宇宙中也上演著同樣的故事——生命僅繁盛于太空中很小的一部分,主要位於行星表面附近的區域。因此,我們人類棲身的地方,實在是非常特別!

《穿越平行宇宙》,作者邁克斯泰格馬克,MIT物理系終身教授,平行宇宙理論世界級研究權威,由浙江人民出版社出版。

 

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