brian greene：单元宇宙还是多元宇宙？-凯时尊龙官网

●●●

brian greene 的演讲标题是《单元宇宙还是多元宇宙？》，他从三个不同的角度告诉我们可能正身处“多元宇宙”之中，需要认真对待这种想法，并继续探索。

以下为演讲全文：

今天我很高兴、也很荣幸能在这里向大家分享一些我对“宇宙”的看法。

长期以来，我们用“宇宙”这个词来表示世间万物。但过去的几十年里，科学家们开始认识到，我们认知中的那个“宇宙”，很有可能只是更宏大、更广阔的宇宙景观中的一小部分。而这个更宏大、更广阔的宇宙景观，我们现在将其称之为“多元宇宙”。

接下来，我想跟大家分享三个小故事。它们会从不同的角度告诉我们，我们可能正身处“多元宇宙”之中。但请注意，这三个小故事并不能证明“多元宇宙”的存在，只是不断激励着我们像当今世界上众多的科学家一样，去认真对待这种想法。

言归正传，接下来我要开始分享第一个小故事了。这三个小故事有一个共同点，就是要依靠大家对“引力”的理解。早在十七世纪末，牛顿就首次用数学方法描述了引力。他列出了一个数学公式，可以用来预测行星绕恒星的运动轨迹，最了不起的是，这个小小的公式，今天仍出现在世界各地高中生的教科书里。你们肯定都学过，对吗？

f=g(m1m2/r的平方)

这是一个很适合印在t恤上的方程式。运用这个方程式，我们就能预测物体会在哪里出现，当我们抬头仰望夜空，就会发现那些星球刚好在我们计算出的位置上。这个公式是我们探索宇宙中最普遍的力量——引力过程中的一个重要里程碑。

不过，即便如此，牛顿还是忘了些东西。他从未告诉我们引力的作用原理：引力如何从一个点传递到另一个点？太阳如何通过引力将地球固定在轨道上？到底引力是如何发挥作用的呢？

这些问题直到爱因斯坦的出现才得以解决。爱因斯坦提出了关于引力的一种新思路。打个比方，他认为，引力就好比放在你面前的一张橡胶板，挺括而紧绷，如果你在上面滚个弹珠，弹珠就会沿着直线轨迹运动。这是很好理解的。可是，假如你拿一个大石头之类的物体放在橡胶板中央的话，板子就会弯曲，这时再把弹珠放上去，弹珠就无法像之前一样沿直线运动了，而是变成在曲面上做曲线运动。

爱因斯坦认为，我们可以将这种观点应用到宇宙空间，而不单单只是停留在一张橡胶板上。宇宙空间是一个三维空间图像，这有点儿不太好理解，那让我们再切换回二维图像。比如之前的橡胶板，你会发现当没有任何物体时，它是平坦的；但我们引入一个像太阳一样的物体时候，整个构造就会扭曲，地球也就被固定在了轨道上。这样，地球便会沿着太阳造成的“山谷”作曲线运动，而其本身也同样扭曲了空间，让月球在其形成的曲线轨道上运动。

这就是爱因斯坦所解释的引力的作用机制。

1919年，通过对日食期间光束曲线轨迹的天文观测，这一想法得到了证实。正是这个发现，奠定了爱因斯坦的地位，使他成为了全世界最受人尊敬的科学家。也正因为这个发现，人们开始接受他的想法，并尝试推动其向前发展。其中，比利时的耶稣会牧师乔治•勒梅特（george lemaitre）贡献尤为显著。除了牧师这一重身份，乔治•勒梅特还是麻省理工学院的博士，他把爱因斯坦的方程应用到太阳和地球之外的物体上，也就是整个宇宙。他惊奇地发现，按照爱因斯坦的公式，宇宙并不是静态的、不变的、永恒的，随着时间的推移，宇宙要么收缩、要么伸展，这与公式本身相矛盾。但爱因斯坦对此持否定态度，他有一种哲学偏见，即在最大范围内，宇宙应该是保持不变的，过去是，将来也是。

爱因斯坦的这个偏见，因为接下来出场的这位人物的观察结果而改变了。

埃德温•哈勃（edwin hubble），是一位毕业于牛津大学的律师。卸下这重身份，他还是一位出色的天文学家。他在威尔逊山天文台用功能强大的望远镜观测到星系都在远离我们，宇宙正在伸展。正如爱因斯坦的公式所显示的那样，宇宙在膨胀。基于此，我们可以描绘出宇宙大爆炸的画面：宇宙在早期是紧密、压缩的，随着时间的推移，它伸展、生长；而随着向外生长，它会冷却下来，冷却之时，空间结构便从最初的高温中孕育而生。

这样一个美妙的故事，由牛顿的简单公式开始，因爱因斯坦公式转变为更复杂的形式，进而向我们展示了宇宙如何从历史早期发展到今天，乃至未来的模样。

这是一项非凡的成就。想想我们人类，在这个星球上存在的时间并不长，却已具备了这样一种数学思维能力，能够窥见宇宙最早期的样子。

但是这个理论还是有个漏洞——它并没有告诉我们是什么在一开始推动了宇宙向外发展。这个难题困扰了科学家们几十年。仔细想一想，通常情况下，我们提到“引力”的第一反应都是这是一种向内拉的吸引力，会将东西聚集起来。但是如果你想要向外伸展，就需要有向外的推力。

在20世纪70年代末，科学家们再次回到爱因斯坦的公式上。他们发现，爱因斯坦所说的“引力”其实有两种形式。首先，引力具有吸引作用，这也是我们大家都熟知的使我们生活在地球上的作用力；其次，公式表明，如果一颗星球不像地球这样呈团块状，但有均匀分布在整个空间的能量，那么引力就会表现出另外一种作用形式——它会产生向外的斥力，我喜欢把这种力量比作宇宙燃料，是它推动了宇宙空间向外膨胀。

这个想法也带来了一些预测：我们现在看到的一切，都是宇宙微波背景辐射，这是宇宙大爆炸留下来的热量；而那些像素之间的微小色差，则代表了大约10万分之一的极小的温度变化。按照数学公式，如果宇宙由于这种斥力而迅速膨胀，那么从量子物理学来看，早期宇宙中的微小变化就会引起微小的温差，这样，我们就可以预测天空中不同点的温度如何变化了。我现在所展示的，就是这样的预测。

这是对刚刚所展示的图片的统计分析，接下来是观察结果。曲线是根据数学公式得出的计算结果，黄点则代表实际的观察结果。

大家可以比较一下，很惊人吧，看起来就像是人类创造的艺术品一样绝妙——关于宇宙诞生的数学理论，竟然与140亿年后 我们对光子的观测结果惊人一致。这些光子自从宇宙起源开始起便畅通无阻地穿行，这说明我们的数学理论确实能够解释宇宙是怎样诞生的。

我现在再次提起这一数学理论，是因为它符合我接下来要说的那个更大的主题——多元宇宙。为什么呢？因为如果这张图片是正确的，那么宇宙大爆炸就是由这种宇宙燃料引起的，并产生了向外推动的斥力。公式还表明，要完全耗尽这种燃料几乎是不可能的。燃料中的一部分催生了大爆炸，那剩下的那些燃料呢？催生另一个大爆炸。爆炸过后再次剩余的燃料呢？继续催生大爆炸，以此类推。这些接连的大爆炸创造出一个又一个宇宙空间，就像图片上显示的那样。

这就是我们所说的“宇宙大爆炸”。由剩余燃料催生的大爆炸，一个又一个，这些不单单只是行星或星系。根据之前的概念，这些是我们的“宇宙”之外真实存在的其他宇宙。如果想搞清楚这个概念，就要引入微观世界的理论，将量子力学与引力结合起来。这样的话，你需要重新理解微观世界，而这就借助一个新概念，我们称之为“弦理论”。

接下来就是我要分享的第二个小故事。

在微观世界中，我们需要重新认识物质的基本成分。有别于你在粗略的世界构成研究中所熟悉的电子和夸克，弦理论讲的是微小的振动弦状细丝可能是物质本身的核心。

这些位于物质中心的微小振动细丝是一种假设，但这假设奇妙无比。根据这一假设，世界上的所有事物都源于微观世界中这个微小的基本实体的不同振动模式。

在宏观世界中，爱因斯坦的广义相对论奠定了大爆炸的数学理论，这个理论也启发我们去思考其他宇宙存在的可能性；而在微观世界中，我们只有基本成分或微小振动细丝，而且棘手的是，只有当我们周围的世界具有三个以上维度的空间时，弦理论才能起作用。我们都很熟悉左右、前后、上下这样的维度，但是微观世界中，维度更多。

比如，一个熟悉的物体，正常来说它的维度有上下、左右、前后，但如果把这个物体放入微观世界中看，根据弦理论，它就会产生额外的卷曲尺寸，变成特定的几何形状。这就是卡拉比–丘流形。其中，“丘”是指丘成桐，一位著名的华裔数学家，几十年前，我有幸成为他的学生。

根据数学原理，弦在微观世界中的振动方式，取决于这些额外维度的扭曲、转折和几何形式。所以这个理论的精妙之处在于，如果我们能确切知道微观世界中额外维度的形状，也许就能够解开困扰了我们一百年的那个问题：为什么电子有特定质量？夸克呢？根据这些数学理论，答案与那些额外维度的形状有关。

在20世纪80年代我还是个学生的时候，我们只有五种已知的额外维度的候选形状。到了20世纪90年代，经过科学家们不断研究，我们有了越来越多额外维度的可能形状，从80年代的五种，增加到数以万计。这挺好的，给研究生们找了点事儿做，对吧？但是随着时间的推移，学界发现空间可能存在10到500个额外维度，因此这个数字飙升，不再只是数万 也不止数百万。

这意味着什么呢？

一些离开这个领域的人认为，该理论永远无法做出任何预测。因为你需要知道是哪种形状，才能知道弦的振动模式，如果无法从众多的可能中选出正确的形状，就没有人知道该怎么操作。不过还有一种不同的方法，与“多元宇宙”主题相关。也就是说，也许没有一种特定的形状是正确的，也许所有的形状都是正确的，因为不只有一个宇宙，而是许许多多个宇宙。

现在我们可以把第一、二个故事联系起来思考。在第一个小故事里，我们有了宇宙大爆炸，每个爆炸产生的特定宇宙在额外维度上都具有不同的形状。让我再来展示一次，这次我会通过展示每个宇宙相关的额外维度的形状来作进一步说明。我将重点介绍宇宙的集合，帮助你们了解与其相关的形状。我们的宇宙可能是蓝色的，这就是我们宇宙的形状；但是其他宇宙的额外维度会具有不同的形状，因此这些宇宙中物理特征的属性也将有所不同，这就是第二个小故事。

接下来我要基于前两个故事，向大家分享的第三个小故事。这是我本次讨论的重点部分。

20世纪90年代末，有两支天文学家团队得出的结果震惊了物理学家们。早在20世纪20年代哈勃那个时代，就像我先前提到的那样，我们已经得知宇宙是向外膨胀的。但人们当时都以为，宇宙膨胀的速度一定是逐渐减慢的，因为引力会导致星系之间互相拉扯，减缓宇宙的逃逸速度。这就像你把苹果往上扔，它的上升速度会越来越慢。但是，那两个获得诺贝尔奖的天文学家团队发现，情况恰恰相反。宇宙膨胀速度并没有随着时间的推移而放缓，相反，它的速度越来越快。

那么现在我们又该如何解释不断加快的宇宙膨胀呢？显然，它需要一种力将其向外推动。在一个小故事里我曾提到，根据爱因斯坦的理论，引力也可以产生向外的推动力，这也是我们最初认为大爆炸产生的原因，所以即使到今天，人们依然认为有一个叫做暗能量的能量场，它能渗透到太空中，提供向外的推力。这种推力，不仅在我们的宇宙内部发挥作用，还在推动遥远的星系以更快的速度逃逸。

不过，这种引入多元宇宙的概念，把三个小故事联系在一起的解释有一个问题。当我们尝试在任何指定大小的空间中解释加速膨胀，去计算实际它需要多少暗能量时，得出的数字都会非常奇怪。请看这个数字，小数点后有120个0，最后以“138”结束。看到这样的数字，我们可能会倒吸一口冷气。为什么要解释我们测量到的数字，而不是公式、方程式中的数字呢？这些像两个π e的平方根一样的数字，真的很难想象。

如果从普通数字开始计算，最终得到这样一个数字结果，换作是你，你会算下去吗？你可以直接放弃，并说：这个数字并不现实，是偶然的，是无法解释的。但当然，科学家们并没有满足于此。

有一个方法是从最根本的层面出发，继续利用多元宇宙的概念来思考。根据弦理论，对于这些不同的宇宙来说，如果他们的额外维度具有不同的形状，那么该形状就会产生不同的物理性质，比如暗能量的不同值。所以，我们的特定数字范围是固定的。既然具有10到500个不同的额外维度，这样就很容易得到一个数字 比如10到负120，这就变得简单多了。

这再次印证了，我们的宇宙可能不是唯一的宇宙。

那么我们是否可以检验这个想法呢？

答案是肯定的。

我们再来看一下我之前给你们展示的大爆炸留下来的热量——微波背景辐射。事情是这样的，如果确实存在很多个宇宙，那么它们有时会相互碰撞。如果发生这种碰撞，对我们的宇宙造成的影响，会伴随着沙状波纹穿过大爆炸留下来的热量，产生夜空中温度变化的某种规律。只要我们能找到那些温度变化规律，就足以证明发生了这样的碰撞，也足以证明外面还有其他的宇宙。尽管到目前为止，我们还没有这样的证据，但至少它向我们展示了一种疯狂又奇怪的可能性，即理论上其它宇宙是可以被测得的。

如果上述想法是正确的，那么就会出现这种情况的：如果你离开地球，越过太阳系中的其他行星离开银河系，继续向前离开这个宇宙，最终会漂浮在这个多元宇宙的大集合里。感觉如何呢？

最后总结一下吧，就像我一开始所说的那样，不管是我的三个小故事，还是宇宙学理论的多重大爆炸，或是弦理论的额外维度的众多不同形状，又或是对加速膨胀的观察，都无法证明其他宇宙的存在。它只是不断激励着我们去认真对待这个想法，而且这个想法完全符合我们在五个世纪以来所经历的科学发展模式：500年前，人们认为地球是宇宙的中心，但事实并非如此；后来，我们认识到行星都是围绕太阳公转的，所以我们又自然地认为太阳才是宇宙的中心，但是当我们认识到太阳只是千亿个恒星当中的一个时，宇宙在我们的观念里又发生了降级；那时，我们觉得银河系必定是所有恒星的中心，是宇宙的中心了，但随后我们又认识到，我们的银河系只是能观测到的宇宙中数千亿个星系中的一个。也许这种模式还会继续下去，指引我们发现我们的宇宙也不是中心，它只是漂浮在更大的宇宙现实中多元宇宙中的一个。对我来说，这是一个令人非常兴奋的想法。如果幸运的话，也许有生之年我们会找到一些证据。

非常感谢大家！