第14章 選擇宇宙 (3)

這個觀念導致一種和傳統的概念根本不同的宇宙觀，要求我們調整思索宇宙曆史的方式。為了在宇宙學中作預言，我們需要計算在此刻整個宇宙的不同狀態的概率。在物理學中，人們通常對一個係統假定某一初始態，利用有關的數學方程向時間的前方演化。給定一個時刻一個係統的態。人們試圖計算在以後一個時刻該係統處於某一不同的態的概率。宇宙學中通常是假定宇宙有一單獨的明確的曆史。人們可以利用物理學定律去計算這個曆史如何隨時間發展。我們將此稱作宇宙學的“從底到頂”方法。

然而，由於我們必須考慮正如表達成費恩曼曆史求和的宇宙量子性質，宇宙現在處於一個特別的態的概率幅度由將來自所有滿足無邊界條件和結束於問題中的態的曆史迭加而獲得。換言之，在宇宙學中人們不應該從底往上遵循著宇宙的曆史，因為那假定了存在一個單獨的曆史，具有明確定義的起點和演化。相反地，人們要從頂到底地跟隨曆史，從現時刻回溯。某些曆史比其它的可能性更大，而求和通常被一個單獨曆史所支配，這個曆史開始於宇宙的創生而完成於正被考慮的態。然而，對於宇宙在此刻的不同的可能的態存在不同的曆史。這就導致宇宙以及因果之間關係的根本不同的觀點。對費恩曼求和貢獻的曆史沒有獨立的存在，而依賴於什麽被測量。我們用自己的觀測來創造曆史，而非曆史創生我們。

宇宙不具有一個唯一的獨立於觀察者的曆史的思想似乎和我們知道的某些事實矛盾。也許存在一個曆史，其中的月亮是羊乳酪做的。但是我們觀察到的月亮不是乳酪做的，耗子不願聽到這個消息。因此在其中的月亮是乳酪做的曆史對我們宇宙的現態沒有貢獻，盡管它們也許對其它的有貢獻。這聽起來象是科幻小說，但它不是。

從頂到底方法的一個重要含義是，自然的表觀定律依賴於宇宙的曆史。許多科學家相信存在一個單獨的理論，該理論解釋那些定律還有自然的物理常數，諸如電子的質量或者時空的維數。但是從頂到底宇宙學要求自然的表觀定律對於不同曆史而不同。

考慮宇宙的表觀維度。根據M理論，時空具有十個空間維度的一個時間維度。其思想是空間的七個維度被卷縮到我們覺察不到的那麽小，給我們留下錯覺以為所有存在的隻是餘下的三個大的我們熟悉的維度。M理論的未能解決的核心問題之一是：在我們宇宙中為何不能有多於三個的大的維度，以及為何不能有任何數目的維度被卷縮？

許多人願意相信，存在某種機製使空間維度除了三個以外都自發卷縮。另外的可能是，或許所有的維度都從微小啟始，但是因某種可理解的原因，三個空間維度膨脹了，而其餘的沒有。然而，似乎沒有動力學原因讓宇宙顯得是四維的。相反地，從頂到底的宇宙學預言大的空間的維度的數目不能由任何物理原理確定。對於從零到十的大空間維度的數目都有量子概率幅度。費恩曼求和允許所有這一切，允許宇宙的每一種可能曆史。然而，觀察到我們宇宙具有三個大的空間維度選取出具有被觀測的性質的曆史的亞類。換言之，宇宙具有多於或少於三個大空間維度的量子概率是不相關的，因為我們已經確定我們是處於一個具有三維大空間維度的宇宙中。這樣，隻要對於三個大空間維度的概率幅度不是準確為零，它與其它數目維度的概率幅度相比較，不管多麽小都沒關係。它就象問現任教皇是中國人的概率幅度。我們知道他是位德國人，即使他是中國人的概率更高，因為中國人比德國人多。類似地，我們知道我們的宇宙展現三個大的空間維度，因此即使其它數目的大空間維度也許具有更大的概率幅度，我們隻對具有三維的曆史感興趣。

卷縮的維度是怎麽回事呢？回憶一下，在M理論中，餘下的卷縮維度，內空間的精確形狀既確定諸如電子電荷的物理量的值，又確定基本粒子之間相互作用，也就是自然的力的性質。如果M理論隻允許卷縮的維度取一種形狀，或者允許一些，但是其中除了一種都被某種手段排除掉，隻給我們留下自然的表觀定律的一種可能性，那麽事情的結果就很漂亮。相反地，對於也許多達10的500次方種不同的內空間都擁有概率幅度，每種內空間都導出不同的定律和不同的物理常數值。

如果人們從底向上建立宇宙的曆史，就沒有理由讓宇宙應終止於對應於我們實際觀測到的粒子相互作用，即(基本粒子相互作用)標準模型的內空間。但在從頂到底的方法中，我們接受具有所有可能內空間的宇宙存在。在一些宇宙中電子具有高爾夫球的重量，以及引力比磁力更強。標準模型以及其所有參數適用於我們的宇宙。人們可以計算在無邊界條件上導致標準模型的內空間的概率幅度。如同存在具有三個大空間維度的宇宙的概率一樣，因為我們已經觀察到標準模型描述我們的宇宙，所以這個概率相對於其它可能性的幅度是多小沒有關係。

我們在這一章描述的理論是可檢驗的。在較早的例子中，我們強調了對於極端不同的宇宙，諸如那些具有不同數目的大空間維度，其相對概率幅度沒有關係。然而，對於鄰近(即相似)的宇宙的相對概率幅度是重要的。無邊界條件意味著，完全光滑地啟始宇宙的曆史擁有最高的概率幅度。對於更無規的宇宙其幅度被減少。這表明早期宇宙曾經是幾乎光滑的，但具有小無規性。正如我們提到過的，我們能在從天空的不同方向來的微波的微小變化中觀測到這些無規性。人們已經發現它們和暴脹理論一般要求完全相符；然而，需要更精密的測量去把從頂到底理論和其它理論辨別開來，並且要麽支持要麽拒絕。這些很可能在將來用衛星來實施。

幾百年前，人們認為地球是唯一的，並位於宇宙的中心。我們今天知道在我們的星係中存在幾千億顆恒星，其中很大的百分比擁有行星係統，以及存在幾千億個星係。本章描述的結果指出，我們的宇宙本身也是許多宇宙中的一個，而且其表觀定律不是被唯一確定的。那些希望終極理論，即萬物理論能預言日常物理的性質的人，對此一定非常掃興。我們不能預言諸如大的空間，或者確定的我們觀察的物理量(例如電子和其它基本粒子的質量和荷)的內空間的維度的具體特征。我們反而使用那些數去選擇那種曆史對費恩曼求和貢獻。

我們似乎正處於科學史的臨界點，此刻必須變更我們有關目標以及什麽使物理理論可被接受的觀念。看來自然表觀定律的基本的數，甚至形式並非由邏輯或物理原則所要求。參數可自由采用許多值，以及定律可采用任何導致一個自洽的數字理論的形式，而且在不同的宇宙中，它們的確采用不同的值和不同的形式。那可能不滿足我們人類的欲求——我們是特殊的，或者我們想發現容納所有物理定律的優雅集合。但那也許正是自然的方式。

似乎存在可能宇宙的極大量風景。然而，正如我們將在下一章看到的，象我們這樣的生命在其中能存在的宇宙很稀罕。我們生活在其中生命是可能的一個宇宙中，然而如果宇宙隻要稍微不同，象我們這樣的生命便不存在。從這種微調我們可得什麽結論？這是宇宙歸根到底是由一位仁慈的造物者設計的證據嗎？或者科學會提供另外的解釋嗎？