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标  题: 第十章 暴卒与再生
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年07月16日20:14:01 星期二), 站内信件


第十章 暴卒与再生



    迄今为止我总是假定，无论是通过惊天动地的事件，还是悲惨凄凉的形式
    （或者更确切他说，是通过大危机还是深冻），宇宙末日的来临都是发生在
    非常遥远的、甚至可能是无限远的未来。假如宇宙会发生坍缩，我们的后裔
    应当有好几十亿年的时间来警惕这场即将发生的危机。但是，还有另外一种
    更令人恐惧万分的可能性。


    我已经解释过，当天文学家注视天空的时候，他们并没有看到目前状态的宇
    宙，天空所显示的图象不同于一幅瞬时拍摄的快照。因为光从遥远的地方到
    达我们这里要花一定的时间，我们在天空中所见到的任何一个天体都是它在
    发光瞬间的象。望远镜也是一种望时镜。天体离得越远，我们今天见到的象
    在时间上就倒退得越早。实际上，天文学家的宇宙是一个穿越时空回溯的像，
    它的技术用语是“过去光锥”，图 10-1 描述了这种情况。



    图 10-1 一位天文学家从某个时空点 P（例如该点也许就在此刻此地）眺望
    宇宙。他其实看到的是过去的而不是现在的宇宙。沿着以 P 的顶点的“过
    去光锥到达的信息用斜线表示。这些斜线代表过去宇宙的遥远区域会聚到地
    球上的光信号的路径。因为任何信息或物理影响的传播都不可能快于光速，
    观测者在图示时刻只能知道阴影区内发生的影响或事件。在过去光锥以外某
    个预示世界末日到来的事件，可能正把它的灾难性影响（波浪线）飞快地向
    地球传来，而观测者在这些影响到达之前应当对这个事件一无所知，这也可
    以算是一种幸运。


    根据相对论，任何信息或物理影响都不能传播得比光更快。因此，过去光锥
    所划定的不仅是有关宇宙一切知识的界限，而且也是在这一瞬间有可能对我
    们产生影响的所有事件的界限。由此可见，任何以光速向我们逼近的物理影
    响在到达之前是完全无法预防的。如果大灾难沿着过去光锥朝着我们迎面而
    来，那么死神的降临就不会有任何的先兆。只是当它袭击到我们的时候，我
    们才刚刚知晓。


    举一个简单的假设性例子。要是太阳现在爆炸了，我们要在 8 分半钟以后
    才会知道这个事实，这就是光从太阳到达我们所花的时间。同样，附近的一
    颗恒星完全可能已发生超新星爆发，这种事件可以使地球完全笼罩在致命的
    辐射之中。但是，在这个可怕的消息以光速穿越银河系疾驰而来的过程中，
    我们还会在好几年的时间内对这个事实一无所知，这也可以算是一种幸运。
    所以，虽然此时此刻宇宙也许看上去平安无事，但我们不能肯定是否已经发
    生了某种真正令人恐怖的事件。


    宇宙中大多数突发性剧变所造成的危险只局限于事件发生地的附近区域。恒
    星的死亡或物质陷入黑洞会对行星和附近的恒星起破坏作用，其影响范围也
    许有几个光年。最壮观的爆发看来就是那些发生在某种星系核中的事件。正
    如我已描绘过的那样，巨大的物质喷流有时会以接近光的速度向外抛出，同
    时发射出大量的辐射。这是星系尺度上的剧变。


    那么宇宙尺度的破坏事件又如何呢？比方说，在生命存在期间是否会出现一
    个一下子就毁灭整个宇宙的灾难呢？一场真正的宇宙大灾难会不会已经触发，
    它那令人胆战心惊的效应，甚至现在就已沿着我们的过去光锥朝我们脆弱的
    时空区域席卷而来呢？


    1980年，物理学家西德尼·科尔曼( Sidney Coleman )和弗兰克·德卢西亚
    ( Frank De Luccia )发表了一篇新奇的文章，它以平淡无奇的标题“引力
    效应和真空衰变”刊登在《物理评论》杂志上。他们所指的真空不仅仅是空
    无一物的空间，而且是量子物理的真空态。在第三章中我已经解释过，在我
    们看来也许是空无一物的真空，实际上怎样沸腾着极短暂的量子活动，幽灵
    般的虚粒子出现、传播又再次消失，就像是一场随便闹着玩的游戏。前面已
    经提到过，这种真空状态也许不是唯一的，可以存在多种量子状态，每一种
    看上去都像是空无一物，但却不同程度地经历着量子活动，与此相联系的就
    有不同的能量。


    高能态往往要向低能态衰变，这是量子物理学中一条完全确证的原理。例如，
    一个原子可以取一定范围内的若干种激发态，但这些激发态都是不稳定的，
    原子会力图向最低能态即“基”态衰变，这个基态才是稳定的。同样，一种
    激发真空态也会力图向最低能态即“真”真空态衰变。暴胀宇宙演化图象所
    依据的理论是，宇宙从一种激发真空态或“伪”真空态开始，在伪真空态期
    间，它疯狂地暴胀，但经过一段极为短暂的时间，这种状态便衰变成真真空，
    暴胀也就停止了。


    目前通常假定，宇宙的现有状态对应着真真空态，这就是说，是所有可能的
    能态中今天的空间是最低能量的真空态。但是，对于这一点我们有把握吗？
    科尔曼和德卢西亚考虑了一种令人恐惧的可能性，即现在的真空态实际上也
    许不是“真”真空，而是一种有相当长寿命的亚稳态，这也就是另一种伪真
    空，它一直在以一种伪装的安全感哄骗我们，因为它已经延续了几十亿年。
    我们知道许多量子系统，如铀核，它的半衰期为几十亿年。能够想象现在的
    真空态会属于这一类型吗？科尔曼和德卢西亚在文章中所提到的真空“衰变”
    涉及到一场大灾难的可能性，即现在的真空态也许会突然终止，把宇宙扔进
    一个更小更低的能态，同时给我们（以及所有别的事物）带来悲惨的结局。



    图 10-2 隧道效应 如果粒子陷入两座小山间的谷地中，它有很小的概率能
    通过借贷能量越过小山逃出去。实际上，这是在观察穿越势垒的隧道效应。
    一种熟悉的情况是某些元素原子核中的 α 粒子通过隧道效应穿越核力势垒
    并飞离原子核，这种现象称为 α 放射性。在这个例子中，“小山”由核力
    及电力产生，这里画的只是示意图。


    科尔曼和德卢西亚假设的关键是量子隧道效应这种现象。量子粒子被力的势
    垒所俘获的那种简单情况可以对上述效应作出最好的说明。假设这个粒子位
    于一个小山谷中，它被两侧的小山所束缚，图 10·2 说明了这种情况。当
    然，这不一定是真实的小山，例如它们可以是电子场或核力场，在没有取得
    越过小山（即克服力势垒）所必须的能量时，这个粒子看来会永远困在谷底。
    但是要记住，所有的量子粒子都服从海森伯不确定原理，它可以在很短的时
    间内“借贷”到能量。这就开辟了一种很有趣的可能性。如果这个粒子能够
    借到足够的能量以到达山顶，并在它必须偿还这份能量之前翻到山的另一侧，
    那么粒子就可以逃出这个陷阱了。实际上，它会借助隧道穿过势垒，好像它
    根本就没有在那里呆过一样。


    量子粒子“泄出”这类势阱的概率非常灵敏地取决于势垒的高度和宽度。势
    垒越高，粒子为达到山顶所必须借到的能量也越大。还有，根据不确定原理，
    借贷期也必须越短。因此，对于高势垒，只有当它们同时又是薄势垒时才能
    利用隧道效应，这样粒子才能很快地穿过它们，以便拒绝按时还清借来的能
    量。出于这个原因，在日常生活中隧道效应并不引人注意。要能出现有效的
    隧道作用，“每天”的势垒实在是太高也太宽了。原则上说，人类可以步行
    穿过砖墙，但出现这种奇迹的量子隧道作用概率极其微小。然而在原子尺度
    上，隧道作用很普遍。例如， α 放射性正是通过这种机制出现的： α 粒
    子从力图捕获它们的原子核中泄漏出来。隧道效应也被应用在半导体和其他
    一些电子产品上，如隧道二极管。



    图 10-3 伪真空态和真真空态 也许有这样的情况：空间 A 现在所处的量子
态不是最低能态，但尽管如此它还是准稳的，因为它对应着某种位置比较高的山
谷。因此，应当存在极小的概率可以使这种量子态借助隧道效应衰变到真正稳定
的基态 B 。这两种状态间的跃迁是通过宇宙泡的成核作用而出现的，并会释放
出巨大的能量。


    现在回到有关真空衰变的问题上来。科尔曼和德卢西亚推测，组成真空的量
    子场也许会经受像图 10-3 所表示的那种力场的作用（这里是一种比喻）。
    现在的真空态对应着从谷底 A 。但是，真真空对应着谷底 B ，它比 A 还
    要低。真空要想从较高的能态 A 向较低的能态 B 衰变，但是使 A 和 B 隔
    离开来的那座小山把它挡住了（注意：这些小山和山谷代表了力和场的配
    置——它们同实际空间中的特征并不一一对应）。现在，虽然小山妨碍了衰
    变，但考虑到隧道效应的话，它并没有完全阻止衰变的发生：系统可以借助
    隧道从谷 A 穿到谷 B 。发生这种现象所需的时间将取决于这种跃迁的概率
    有多大。上面已经解释过，这种概率对小山的高度和宽度十分敏感。这两个
    量的数值完全有可能造成这样的情况：也许要经过几十亿年后跃迁才会突然
    发生。在这种情况下，宇宙也许正生存在借来的时间上，挂在谷 A 的上方，
    但它会有一定的机会在某个任意时刻借助隧道进入谷 B 。


    科尔曼和德卢西亚用数学方法对真空衰变进行了模拟，以找到这种现象出现
    的方式。他们发现，衰变开始出现时的空间位置是随机的，它表现为一个
    “真”真空小泡，四周被不稳定的“伪”真空所包围。这个小泡一旦成核，
    就很快地膨胀，膨胀速度迅速趋近光速。越来越大的伪真空区域被它所吞没，
    同时转变成真真空。在第三章中我曾讨论过，这两种状态的能量差也许会达
    到非常大的程度，它集中在泡壁上，并扫过整个宇宙，同时也把它在前进道
    路上所遇到的一切事物统统毁灭掉。


    只有当泡壁出现，而我们这个世界的量子结构突然发生改变时，我们才会知
    道真空泡的存在。我们甚至没有 3 分钟的预警时间。顷刻之间，所有亚原
    子粒子的性质以及它们的相互作用会发生剧烈的变化。例如，质子也许会在
    瞬息之间发生衰变，在这种情况下，一切物质都会突然蒸发。那时，留下来
    的东西会发现自己处于真真空泡的内部，事物的这种状态与我们现在所观察
    到的情况大不相同。最重要的差别与引力有关。科尔曼和德卢西亚发现，较
    低真空态的能量和压力会产生一种强大的引力场，它使泡内的区域会在不到 
    1 微秒的时间内坍缩。这一次，从容不迫地向大危机收缩的情景不见了，相
    反的是，随着泡的内部突然暴缩成一个时空奇点，一切东西几乎立即湮没。
    总之，这是一场瞬息之间出现的灾难。“这是很令人泄气的”，两位作者巧
    妙而又谨慎地评论道，“我们正生活在一个伪真空中的可能性从来都不是我
    们所期待的、令人欢快的事情。真空衰变是最终的生态大灾难……在真空衰
    变后，不仅我们所知道的生命不可能存在，而且我们所认识的化学过程也不
    可能出现。但是，过去人们始终以为随着时间的流逝也许新的真空会维持某
    种东西井能够从这种可能性中获得一丝淡泊的安慰——即使那时的生命不是
    我们现在所认识的生命，那么至少也是懂得乐趣的某种组织，但现在连这种
    可能性也已被排除了。”


    科尔曼和德卢西亚的论文发表后，骇人听闻的真空衰变成了物理学家和天文
    学家广为讨论的议题。通过对粒子物理学最新思想的深入研究，迈克尔·特
    纳( MichaeI Turner )和弗兰克·威尔扎克( Frank Wilczek )得出了一个
    启示式的结论：“因此从微观物理学的观点来看，完全可以想象我们的真空
    是亚稳态的……真真空泡会在毫无预兆的情况下在宇宙的某个地方成核，并
    以光速向外运动。”


    特纳和威尔扎克的论文在《自然》杂志上发表后不久，皮特·赫特 ( Piet
    Hut )和马丁·里斯( Martin Rees )唤醒了一个可怕的幽灵：一个使宇宙遭
    到破坏的真空泡得以成核也许是被粒子物理学家本身在无意之中所触发的！
    问题在于，亚原子粒子的甚高能碰撞有可能仅在一瞬间内，就会在一个非常
    小的空间区域中创造出促使真空发生衰变的一些条件。一旦这种跃迁发生，
    哪怕是发生在微观尺度上，也无法阻止新形成的真空泡在瞬息内膨胀到天文
    尺度。是否我们应查禁下一代粒子加速器呢？


    赫特和里斯也在《自然》杂志上发表一项备受欢迎的积极证明。他们指出，
    宇宙线的能量早已超过我们在粒子加速器内所能获得的能量，而这些宇宙线
    几十亿年来一直在轰击地球大气中的原子核，却丝毫没有触发真空衰变。另
    一方面，随着加速器的改进，能量提高了大约几百倍，我们也许有能力产生
    出更大能量的撞击，它将超过任何宇宙线撞击地球时产生的能量。然而，现
    实问题不是真空泡的成核现象是否会在地球上出现，而是它是否会在大爆炸
    以后的某个时刻已经出现在可观测宇宙中的某个地方。赫特和里斯指出，两
    束宇宙线出现迎面碰撞的机会非常小。他们的计算得出，在宇宙的历史中，
    必定发生过能量比现有加速器大几十亿倍的碰撞事件。所以，我们还不需要
    制定一项权威性的规定。


    自相矛盾的是，尽管真空泡成核现象会威胁宇宙本身的存在，但就是同样的
    真空泡成核现象却在与此稍为不同的另一意义上却又证明是宇宙的唯一可能
    生路。摆脱宇宙死亡的万全之策是应该创造出一个新宇宙，并躲进这个宇宙
    中去。这听起来似乎是天方夜谭式的幻想，但“婴宇宙 ( Baby Universe )”
    的研究已成为近几年来广泛讨论的论题，而且这种讨论是严肃的。这个论题
    最初是由一个日本物理学家小组在 1981 年提出的，当时他们所做的是用一
    个简单的数学模型来研究受真真空泡包围的伪真空小泡的变化特性。因此，
    情况正好与我上面讨论的相反。他们得到的预期结果是，伪真空应当以第三
    章所描述的方式暴胀，在一场大爆炸中迅速膨胀成一个巨大的宇宙。初看起
    来，似乎是伪真空泡的暴胀必定造成泡壁极大地膨胀，结果伪真空区域增大
    的代价是牺牲了真真空区域。但它与下面这种预期的情况是矛盾的：真真空
    的能量比较低，它应当取代能量较高的伪真空，而不是相反。


    非常奇特的是，从真真空区域来观察的话，伪真空泡所占据的空间区域看来
    并不暴胀。事实上，看上去它更像是个黑洞，这种情况好像沃博士的时间机
    器塔迪斯( Tardis ，扫校者注：欧美科幻电视剧Dr. Who里的时间机器)，
    从里面看它会显得要比从外面看它来得大。一个位于泡内的假想观察者会看
    到宇宙膨胀到巨大的尺度，但从泡外来观察的话，宇宙仍是致密的。



    图 10-4 一个空间气泡像气球那样从母宇宙中长地来，这就形成了一个子宇
    宙，它通过脐带蛀洞与母体相连。从母宇宙的角度来看，蛀洞的嘴犹如一个
    黑洞。随着这个黑洞的蒸发，蛀洞的咽喉就掐断了，因此同母宇宙失却了联
    系。接着婴宇宙凭借自己的地位成为一个独立存在的宇宙。


    为了观察这种特殊事态，有一种方法是用一张橡皮来进行模拟。这张橡皮的
    某个地方鼓出了一个泡，并像气球那样向外膨胀（图 10- 4 ）。这个气球
    形成了一个婴宇宙，它通过一条脐带，也就是蛀洞与母宇宙相连。蛀洞的咽
    喉像一个黑洞那样从母宇宙中露出来。这种结构实际上是不稳定的。黑洞因
    霍金效应而很快地蒸发，使它完全从母宇宙中消失。结果，蛀洞被掐掉了，
    婴宇宙与母宇宙失去了联系，名正言顺地变成了一个新的独立的宇宙。这个
    子宇宙( Child Universe )从母胎中“发育”出来以后，发展过程和我们的
    宇宙是相同的：一个短暂的暴胀期后紧跟着的就是通常的热大爆炸。这种模
    型所包含的明显的言外之意是，我们自己的宇宙正是通过这条途径，作为另
    一个宇宙的后代而诞生出来的。


    暴胀理论创始人艾伦·古思( Alan Guth )和他的一些同事研究了上述演化
    图象是否允许出现一种异乎寻常的可能性，这就是通过审慎的操纵，也即在
    实验室里能否创造出一个新宇宙来。与伪真室衰变成真真空泡那种骇人的情
    况不同，创造出一个四周为真真空所包围的伪真空泡不会对整个宇宙的存在
    构成威胁。事实上，虽然这种实验也许会触发一次大爆炸，但就实验室来说，
    这种爆炸完全会受到限制，限制在一个马上会蒸发的微黑洞内。这个新宇宙
    应当创造出它自己的空间，而不会把我们空间的任何一部分吞食掉。


    虽然这种思想仍然是高度猜测性的，而且完全建筑在数学推理的基础上，但
    某些研究表明，沿着这条途径，通过精心设计的方法把巨大的能量集中起来，
    也许有可能创造出一些新的宇宙。这就提出了一种令人神往的可能性：在遥
    远的未来，当我们自己的宇宙逐渐变得不适宜居住或向大危机逼近时，我们
    的后代也许会决定采用“出外寻找乐土”办法，启动新宇宙的发育过程，然
    后在蛀洞的脐带被掐掉之前通过它爬进邻近的宇宙。这必定是最终的移民。
    当然，没有人知道这些无畏的人类如何完成或是否能完成这项壮举。最低限
    度来说，通过蛀洞的旅行应当是相当不舒服的，除非他们需要进入的黑洞非
    常之大。


    撇开这些实际问题不谈，正是婴宇宙这种可能性不仅为我们的后裔，而且也
    为那种宇宙开辟了真正永垂不朽的前景。我们不应当去思考这个宇宙的诞生
    和死亡，而应当去思考正在无限繁殖的一个宇宙家庭，每个宇宙都生出一些
    新一代的宇宙，而且也许是成批地诞生出来。通过这种宇宙生育能力，宇宙
    集合，或真正意义上应称之为超宇宙( metaverse )，也许不会有任何开端
    和终结。每个单独的宇宙会按本书前几章所述的方式诞生、演化和死亡，但
    作为一个整体，这个集合应永远存在。


    这种演化图象留下一个悬而未决的问题：创造出一个像我们这样的宇宙是自
    然发生的事件（类似于自然出生的婴儿），还是人为操纵的结果（“试管”
    婴儿）。我们可以设想，在母宇宙中有一个充分先进而又无私的人类社会，
    他们也许会决定创造一批婴宇宙，这并不是为自己生存提供逃亡之路，而只
    是一旦它们自己的宇宙末日来临，使生命有可能在某个地方永恒地存在下去。
    这样就不需要对付上面提到的那些难以逾越的障碍，而这种障碍在企图筑造
    通往子宇宙的蛀洞通道时总是要遇到的。


    我们并不清楚婴宇宙会包含多少它母亲的遗传特征。物理学家也还没有理解
    自然界的各种力和物质粒子为什么会表现出现在所具有的属性。一方面，这
    些属性可能是自然规律的一部分，它们一旦被确认，任何宇宙中的所有东西
    都要受这些规律的制约。另一方面，其中某些属性也许是演化中偶然事件的
    结果。例如，很可能有不止一个“真”真空态，它们具有完全相同或几乎相
    同的能量。情况可能是这样，伪真空在衰减到暴胀纪元结束时，在这么多可
    能的真空态中，它简单地随意选择了其中的一个。就宇宙的物理学而言，真
    空态的选择决定了粒子和粒子之间作用力的属性，甚至可能决定空间的维数。
    所以，一个婴宇宙也许同它的母亲有着完全不同的性质。生命也许只可能出
    现在极少数后代之中，那里的物理学应该同我们宇宙的物理学非常类似。或
    者也许存在某种遗传原理，只要不出现离奇古怪的变种，它能保证婴宇宙继
    承它们母宇宙的几乎所有的性质。李·斯莫林( Lee Smolin )一直主张甚至
    可能有某种达尔文式的进化在宇宙中间起作用，它通过间接的方式促进了生
    命和意识的出现。更令人感兴趣的是，宇宙有可能通过母宇宙中智慧生物的
    操纵创造出来的，并有意把产生生命和意识的必要性质赋于宇宙。


    所有这些概念都不是毫无根据的胡思乱想，但宇宙学这门学科差不多完全处
    于摇篮时期。上面所考虑的种种异想天开式的推测，至少可以作为前几章悲
    观预测的某种安慰。这些推测表明，即使我们的后裔有一天必定会面临这最
    后的三分钟，某些理智生物仍有可能始终存在下去。






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