探寻多重宇宙:额外的时空维度:科学美国人中文版主题策划

从《星际迷航2009》到《回到未来2》再到《复仇者联盟4》，这些科幻电影中匪夷所思又令人着迷的宇宙观是否真的存在？爱因斯坦在量子力学时代不相信不确定性原理，他说：“上帝不掷骰子”。玻尔告诉他：“你不能告诉上帝应该怎么做”。霍金说：“上帝不仅掷骰子,他有时候还会把骰子掷到我们看不到的地方去。”宇宙也许是有无限可能性的，我们的宇宙说不定只是所有可能中的一个。那么，宇宙之外会是什么？本书汇集众多科学家的研究成果，通过追溯百年前的量子力学争论开启对多重宇宙的探索，带领读者理解弦论，为读者描绘泡泡宇宙的图景，揭示暗宇宙中的隐秘生活。或许终有一天，我们能够解答宇宙之外，究竟是什么。我们的宇宙，只是一个开始。

多重宇宙，这听上去像是一个科幻概念，但是深入思考这个问题，会给我们带来全新的格局和眼界。对宇宙学家而言，研究多重宇宙并不仅仅是为了猜测平行世界里某一历史事件是否有第二种结局，而是为了展开更为辽阔的想象，去描绘物理学基础发生改变之后的神秘图景，也希望有一天人类可以回答这个千百年来萦绕心头的问题：宇宙之外，究竟是什么呢？

环球科学杂志社，《环球科学》杂志是《科学美国人》中文版，主要报道生物、物理、天文、医学、地理、环境、能源等所有科学领域的新知识、新进展和新动向。《科学美国人》创刊于1845年，全球有很多有名科学家、科技企业家、科技政策制定者曾为《科学美国人》撰稿，包括爱因斯坦、玻尔、沃森等近200位诺奖得主，以及微软创始人比尔？盖茨、前美国副总统阿尔？戈尔、前美国教育部部长阿恩？邓肯等知名人士，并且在全球有着广泛的读者群。是全球很好科学家向公众传播理念和成果的平台。

前言007第一章 基 础008量子力学一百年021超越时代的“平行世界”之父035弦理论编织的多重宇宙049布赖恩·格林：宇宙有专享解吗059第二章 诠 释061四个层次的多重宇宙079多重宇宙一定存在？088探寻多重宇宙的证据103多重宇宙有多少？109第三章 维 度110二维空间的量子引力123引力逃逸到高维空间？137宇宙不是连续的吗？149第四章 争 议150宇宙暴胀的核心漏洞165开放暴胀：一个短命的暴胀理论178多重宇宙是科学，还是科幻？187多重宇宙是一种量子态199第五章 猜 想200到宇宙之外寻找生命214自我复制的宇宙228暗宇宙里的隐秘生活240组装量子宇宙

    本文回顾了过去100年间量子力学的发展历程，尤其是它让世人困惑的那一面，最后以围绕其结果的无休止争论作结尾，这些结果涉及了从量子计算到意识、平行宇宙和物理实在的本质等诸多话题。篇幅所限，我们不得不舍弃量子力学在科学和生活中令人惊奇的广泛应用。实际上，21世纪初美国国民生产总值的30%都来自基于量子力学的发明――从计算机芯片中的半导体到CD播放器中的激光，医院中磁共振成像等，不胜枚举。
     科学家们在1871年那么乐观倒也有充分的理由。经典力学和电动力学不仅带动了工业革命，而且看起来它们的基本方程可以描述几乎所有物理体系。但是白璧之上仍有几处令人烦心的徼瑕。例如，对于一个热到发光的物体，根据理论计算出来的光谱是不正确的。实际上，经典理论的计算结果被称为紫外灾难，因为按照这个计算，只要你瞄一眼你家的燃气灶，火焰发出的紫外线和X光就能烧瞎你的双眼。
     氢原子疑难
     在1900年的论文中，普朗克成功得到了正确的黑体辐射光谱，但是他的推导却包含一个非常奇怪的假设，以至于之后数年他自己都避之不及：物体辐射出的能量不是连续的，只能是固定的份量（文章中称之为量子，Quanta）。不过，这个假设却是极为成功的。1905年，爱因斯坦将这个想法又推进了一步，他假设辐射只能以特定份量，或者说以“光子（photon）”的形式传递能量，从而成功地解释了光电效应，今天我们所用的太阳能电池和数码相机、手机中的图像传感器都利用了这一过程。
     到了1911年，物理学再度受挫。尽管欧内斯特？卢瑟福（Ernest Rutherford）令人信服地证明原子由带正电的核和绕核转动的电子构成，非常类似一个小型的太阳系，但是电动力学理论告诉我们，绕核转动的电子会不断向外辐射能量，只需十亿分之一秒就会盘旋着撞向原子核。然而，当时物理学家已经知道氢原子是极为稳定的，理论预言的氢原子寿命比实际要少40个数量级，如此巨大的差别堪称物理学历史记录大的失败了。
     1913年，来到英国曼彻斯特大学和卢瑟福一起工作的尼尔斯？玻尔（Niels Bohr）提供了一个可以解决上述疑难的方案，再次用到了量子的假设。他提出电子的角动量只能取特定数值，因此会被在一系列分立的轨道上。只有当电子从一个轨道跃迁到另一个能量更低的轨道时才会向外辐射能量，发射光子。由于原子的最内层轨道上的电子没有能量更低的轨道可以跃迁，所以稳定原子得以形成。
     玻尔的理论还解释了氢原子的光谱现象是由于原子激发时发射出有特定频率的、不连续的光，因此得到的氢原子光谱是线状光谱。该理论同样适用于失去一个核外电子的氦离子。回到哥本哈根之后，玻尔收到卢瑟福的来信，敦促他发表自己的理论。玻尔回信说除非能解释所有元素的谱线，否则没人会相信他的理论。卢瑟福回复道：“玻尔，你解释了氢原子和类氢原子的谱线，人们会相信其他元素也没问题的。 尽管量子理论初获胜利，但由于缺乏基本原理，当时的物理学家仍不知道如何理解这些奇怪而且看起来很随意的理论。1923年，路易？德布罗意（Louis de Broglie）在其博士论文中给出了一个解释：电子和其他粒子都有波动性。这些波与琴弦一样，只能以特定的离散（量子化）频率振动。这个想法过于惊世骇俗，以至于答辩委员会要向其他物理学家求助。爱因斯坦在接受咨询时给出了肯定意见，于是论文被接收了。
     1925年11月，埃尔温？薛定谔（Erwin Shrodinger）就德布罗意的工作在苏黎世举办了一个讨论班，在他讲完之后，彼得？德拜（Peter Debye）问到，你说这些都是波，那波动方程是什么呢？薛定谔于是开始寻找相应的波动方程，这个后来以他名字命名的方程成了打开现代物理学众多领域的万能钥匙。差不多同时，马克斯？玻恩（Max Bom）、帕斯夸尔？约当（Pascual Jordan）和维尔纳？海森堡（wemer Heisenberg）用矩阵写出了一个与之等价的方程。在数学基础得到了巩固后，量子理论开始突飞猛进。短短几年之内，物理学家就成功解释了大量测量结果，包括更复杂原子的光谱和化学反应的性质。
     这一切意味着什么呢？薛定谔方程描述的名为“波函数”的量到底是什么？这个量子力学的核心谜团直到今天仍然是一个极富争议的话题。
     玻恩认识到波函数应该用概率来解释。当实验者测量一个电子的位置时，在每个区域发现该电子的概率都正比于电子波函数在此处的强度。这种解释意味着自然定律具有内禀的随机性。爱因斯坦对此深感忧虑，并用一句被后人频繁引用的名言表示了他对确定性宇宙的钟爱，“我不相信上帝是掷骰子的。”
     薛定谔的猫
     薛定谔同样对用概率解释心存疑虑。波函数可以描述不同态之间的叠加，这被称为态叠加原理。例如，一个电子可以处于几个不同位置的叠加态。薛定谔指出，如果像原子这样的微观物体可以处于这种奇怪的叠加态，那宏观物体应该也可以，因为宏观物体也是由原子构成的。他举了一个精巧的例子，就是那个有名的思想实验：在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质，如果放射性物质衰变，就会触发某种邪恶装置杀死盒子里的猫，由于放射性物质时刻处于衰变和未衰变的叠加态，所以就会得到一只处于死活叠加态的猫。
     第13页图展示了该思想实验的一个简化版本。你拿一张边缘锋利的扑克牌，将它完美地竖立在桌面上，按照经典物理，原则上它将永远保持竖立的平衡状态。但是按照薛定谔方程，无论你怎么保持它的平衡，它都将在几秒之内倒下来，而且会同时向两个方向倒下――既向左也向右，这张牌实际上处于这两种结果的叠加态。
     如果你用一张真实的扑克牌来做这个思想实验，你肯定会发现经典物理是错的，牌很快就会倒下来。但是你永远只会看到它倒向某一个方向，要么向左要么向右，具体结果随机出现，绝对不会看到它像薛定谔方程告诉你的那样同时倒向左边和右边。这种矛盾实际上深植于一个伴随量子力学诞生，至今未能解决的谜题。
     以玻尔和海森堡在20世纪20年代末进行的一系列讨论为基础，量子力学的哥本哈根诠释（The Copenhagen interpretation）诞生了，它试图通过赋予观测或者说测量以某种特殊性来解决上述问题。按照这种诠释，只要这张竖立的扑克牌没有被观测，它的波函数就依据薛定谔方程来演化，这种连续且平滑的演化在数学中被称为是“幺正”（Unitary）的，具有一些非常有趣的性质。幺正演化产生了牌向左倒和向右倒的叠加态。但是观测行为本身会导致波函数的突然变化，通常被称为塌缩（collapse）：观测者会看到牌处于某个确定的经典状态（要么面向上要么背向上），而且从观测那一刻起，波函数就只剩下了这个部分。哥本哈根诠释认为，大自然会从所有可能性中随机选择最终状态，概率则由波函数决定。
     哥本哈根诠释提供了一份十分有效的指南，据此进行的计算与实验结果符合得非常好，但物理学家仍心存疑虑：是不是应该有某种方程来描述这种塌缩何时发生，如何发生？很多物理学家将这种方程的缺失归结为量子力学本身的缺陷，认为它将很快被一个更为基本、能够描述塌缩的理论所取代。所以，大多数物理学家并没有深究量子力学方程的本质含义，而是采取“搁置争议，拿来计算”的态度，去积极地寻找它们激动人心的众多应用，或者用其来解决核物理中亟待梳理的各种问题。
     这种追求实际的做法后来被证明是极为成功的。量子力学在诸多领域发挥了重要作用，例如预言反物质，理解放射性（带来了核能），解释半导体等材料的行为，解释超导性，描述光与物质（带来了激光）、电磁波与原子核的相互作用（带来了磁共振成像）等。量子力学的许多成功都与它的扩展版本――量子场论有关，后者不仅构筑起了基本粒子物理学的基石，也是现在诸多前沿实验的基础，例如中微子振荡、搜寻希格斯粒子和超对称性。
     P10-13