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宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第29章

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    这个结论给混沌宇宙理论投下了一个巨大的阴影。在宇宙甚早期,任何能削弱不同区域的温度、物质密度和膨胀速率差异的机制都被限制在了很小的尺度上,这就无法解释为什么从大尺度上看宇宙的不同区域表现得如此均匀,天空中的微波背景辐射的温度如此一致。
    如果你看天上两块相隔超过两度的不同区域(其温度在极高的精度下相等),但在宇宙最初的二十五万年中,光信号都没有足够的时间在这两个区域之间传播,以便抹平其中的能量和温度的差别。此后,光子开始能够在宇宙中自由传播,最终到达了我们的眼睛,我们观测到的微波背景辐射就是当时宇宙的快照。
    图7。7 如图所示,朝我们传播的光线在时空中形成了一个“光锥”(OCD)①。光锥定义了视界,处于光锥之外的那部分宇宙我们是看不到的。选择过去光锥上的两个时空点(A点和B点),当时微波背景辐射的光子刚刚获得了自由,开始飞向我们的眼睛,而宇宙的年龄只有几十万年。我们可以找到这些时空点所拥有的过去光锥(ACE和BFD)。就算你回溯到宇宙的开端,这两个光锥也不会相交。这说明在对于当时的宇宙来说,光信号还来不及在A点和B点之间传播,因而A点和B点的状态不可能通过任何以光速传播的物理机制而趋于一致。但是人们发现,A点和B点的温度和密度几乎是一样的,其中的差异不超过十万分之一
    ① 试着把纸上的二维平面想象成时空。水平方向代表空间,垂直方向代表时间,向上代表未来,向下代表过去。光是宇宙中最快的信使,因此,人们在纸上画出光的运动轨迹,用来研究时空的因果性质。任取纸上的一点O,代表某个时刻站在地球上的观测者。穿过O点对称地画两条交叉的直线,代表观测者身上接收和发射的光线,所形成的对称锥形图案就叫做光锥。光锥把观测者周围的时空分成了两部分,光锥外的一切与此时此地的观测者都没有因果联系。比如,此时此刻,1。5亿公里外的太阳就与我们没有因果联系——我们看不到“此时此刻”的太阳,只能看到8分钟前的太阳。所以与此时此刻的我们有因果联系的是8分钟前的太阳。同理,此时此刻,我们看到的所有事物大都是事物一段时间之前的状态。这些远近不同的物体在不同时刻发射或反射的光同时到达了同一个地方——我们的眼睛,我们就说那时那里的它们位于我们的过去光锥之中,也就是图中光锥朝下的那个开口。——译者注
    这个简单推理意味着,要么你得想出某种“新物理机制”,能够让抹平过程不再受到宇宙速度施加的限制;要么宇宙的初始条件比较特殊,但这就排除了那些奇异的不规则宇宙,它们不可能是我们的宇宙。
    “搅拌大师”宇宙
    谐波混频是世界上顶级DJ使用的一种高级技术……显然,学会如何异调混频(mix in key)是一种高级的DJ技术。如果你开始学习异调混频时水平还不够高的话,没关系,只要你铭记在心,异调混频是你未来成为世界级DJ大师之前所要研习的必修课程。
    ——《DJ大师课程》'23'
    在宇宙的早期,不规则性的抹平会受到视界大小的限制。1969 年,米斯纳发现了爱因斯坦方程组的一类新的解,对这个问题作出了回应。'24'这种宇宙的体积是有限的,是比安基发现的空间中形式最复杂的一种。这是一个“闭合”宇宙,从一次大爆炸后开始膨胀,体积达到最大以后就开始收缩,再经历一次大塌缩。然而,这种宇宙的膨胀方式太复杂了,以至于根本不可能求出爱因斯坦方程组的解。不过,我们仍然可以概述其大致行为,并用计算机研究其中的一部分。后来,人们发现这种宇宙的膨胀行为是混沌的,根本无法预测'25',于是这就成为20世纪70年代末科学界关注的主要研究方向。
    根据一种美国商用食品搅拌器的特点,米斯纳将这种类型的宇宙叫做“搅拌大师”(Mixmaster)。'26'他相信,这种宇宙有着高度扭曲、瞬息万变的几何结构,使得光能够环绕宇宙而行,从而将整个宇宙搅匀。可惜进一步的研究表明,尽管光可以在“搅拌大师”宇宙中跑出很远的距离,但这种事情极为罕见,因此整体上搅拌进行得并不充分。
    图7。8 “搅拌大师”宇宙的振荡。在宇宙的前半生中,它的体积不断增大,其中有两个维度在膨胀,而第三个维度在收缩。在宇宙的后半生中,整个体积不断缩小,直到变成零,为下一次大爆炸做好准备。哪个维度膨胀、哪个维度收缩完全是随机的,而且总是变来变去,就像一个颤动的果冻。在某个周期里,某两个维度不断发生振荡,而第三个维度稳定地变化;在另一个周期里,原先振荡的维度和原先稳定变化的维度互换了角色。宇宙经历了无穷多次振荡,本图只显示了其中一部分。相互垂直的三个维度的尺寸分别为a(t)、b(t)和c(t)
    “搅拌大师”宇宙是人们见过的满足爱因斯坦方程组的宇宙中最复杂的一个(图 7。8)。如果追溯它开始的样子,你会发现它经历过无数次振荡。在其中的任何一个时刻,宇宙都有两个维度在膨胀,一个维度在收缩,就像卡斯纳的宇宙。然而,哪个维度收缩、哪个维度膨胀却是随机的,换了一轮又一轮。如果追溯到宇宙的开端,你就会发现膨胀和收缩的维度已经转换了无数次。这就像一个颤动的果冻。'27'
    这种复杂性完全是由爱因斯坦的引力理论造成的,在旧的牛顿引力理论中根本找不到对应的宇宙模型。你可以设想一个宇宙开始膨胀,不同维度的膨胀速率不同,向其中各个维度都加入引力波,沿着各个维度在空间中掀起涟漪。同时,这些引力波也弯曲了它们周围的空间。向内传播的引力波造成了巨大的空间曲率,最终使得引力波调转了方向;同时,收缩维度也转而开始膨胀,而另外两个维度中的其中之一由膨胀转为收缩。当追溯过去,直到宇宙诞生的那一刻时,你就会发现这样的转换已经重复了无穷多次。
    这种奇怪的事情让人想起一个非常古老的哲学问题。公元前5世纪,埃利亚的芝诺提出了一个问题:你能在有限的时间中做无穷多件事吗?芝诺精心构思了一个关于无穷的悖论,想用它来向其他哲学家发出挑战。古时候没有人能回答这些悖论提出的问题。比如说,如果你和门之间的距离是 1米,那么为了走到门口,你必须先走到 1/2米的地方,然后是1/4米的地方,再然后是1/8米、1/16米,依次类推,以至无穷。这些长度一份一份地加起来'28'等于1米。但是芝诺反过来说,你必须走无穷多次才能走到门口,也就是说,你永远也无法走到门口。
    当我们的时钟走过一段有限的时间时,“搅拌大师”宇宙已经经历了无穷多次、物理上可区分的振荡。米斯纳解释说,走到门口虽然需要走过无穷多个区间,但这并不是物理上可区分的事件。如果以此为由认为芝诺的悖论在此并不适用,那么你就必须认定“搅拌大师”宇宙的年龄是无限大的,因为当你还没追溯到 t=0 的时刻时,就已经有无穷多次、物理上可区分的振荡发生了。'29'
    从物理学的角度讲,这个事情看起来很奇怪,不过数学家已很习惯于此。例如,画y=x2sin(1/x)的函数图,如果你有一根无穷细的铅笔,你就可以在 x 轴上靠近 x=0 处的任意小区间内画上无穷多个振荡(图7。9)。
    图7。9 y=2xsin(1/x)的函数图。实际上,在它接近x=0之前,会经历无数次振荡。我们只能画出其中一部分振荡
    宇宙学家担心,人们会过于望文生义地将宇宙的“起点”等价于t=0的时刻。我们知道,当宇宙的年龄小于10…43秒时,量子理论对整个宇宙的影响就变得非常强烈了。这个时间也正是“搅拌大师”宇宙最早开始物理上可区分的振荡的时刻。但相比振荡的频率,宇宙的膨胀速度太快了,以至于即使这些振荡都能一直持续到现在,也就能发生十几次。在现实的宇宙里,相比无穷多次,这十几次振荡太少了,这样光就无法在早期在很远的距离内反复传播。事实上,几乎所有的振荡都发生在 t=0之后的一瞬间,正如图 7。9 中那样。在靠近起点的无限小处还真是“繁忙”啊。
    要想理解当前的宇宙结构,“搅拌大师”宇宙并不是关键所在,抛开这点儿小失望不说,它还是非常有意思的。它具有的行为是人们能从爱因斯坦方程组中找到的、最一般同时也是最复杂的行为。它是否会是爱因斯坦方程组所允许的最一般的宇宙呢?还不好下结论。
    到了1980年,宇宙学家们曾经的信念,即关于宇宙甚早期的物理机制能够让宇宙变得各向同性而均匀的想法,再也行不通了。需要抹平的不规则性的类型太多了,而所有抹平过程都严重地受限于光速的大小,以及今天宇宙中的辐射所包含的熵。
    磁性宇宙
    考官:什么是电?
    考生:哦,老师,我确定我学过什么是电(我以前肯定知道),但是我已经忘记了。
    考官:多么不幸啊。只有两个人知道什么是电,一个是造物主,还有一个就是你。可是现在,其中一个人已经忘记了。
    ——牛津大学自然科学面试,大约在1890年'30'
    对各向异性宇宙突如其来的兴趣,使得宇宙学家们开始思考,这样的宇宙中是否存在一种特有的能量类型。在此之前,他们研究了一些非常简单的例子,如黑体辐射和他们叫做“尘埃”的物质——由星系或恒星组成的没有压强的“气体”①(毕竟星系和恒星之间不常发生碰撞)。可是,宇宙中并不仅仅存在能量和粒子。磁场就是困扰人们已久的巨大谜团之一。
    ① 从整体上研究宇宙时,人们常常把星系和恒星看作均匀分布的、相对论压强为零的气体。在
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