徐一鸿：宇宙的终极奥秘隐藏在哪儿? | 当阿热遇见赛先生

哈勃超深空图 （ 图片来源 ： 维基百科 ）

　　

　　 宇宙，可能自我创生，或者是被某种实体、某种存在、甚至某种理论所创造。 在已知的物理定律范围内，宇宙创造者“高灵”是如何为所有的智能生命发送信息呢？

　　 撰文 徐一鸿（A. ZEE）

　　 翻译 乔辉

　　 2016年8月24日，天文学家在距离太阳最近的恒星――比邻星――周围发现了一颗行星。该行星体积和地球相当，并且与比邻星的距离合适，恰好允许液态水存在。

　　 事实上，目前天文学家经常会发现可能支持生命存在的系外行星。然而，这颗行星的发现更加令人振奋！这是因为它距离地球仅4.25光年。如果我们能够制造出以光速10%飞行的星际飞船，那么仅需花费40多年就可抵达！

　　 鉴于银河系内惊人的恒星数量，至少上达数千亿颗，更不用说整个宇宙中了。因此，大多数科学家认为宇宙中充斥着大量的外星生命。然而，目前最大的未知是，智能生命出现在支持生命的行星上的概率有多少。

　　 为了便于讨论，我们在此假定：地外智能生命广泛地存在。

　　 理论上而言，现在随时都有可能发现地外智能生命。如果发现了地外智能生命，这绝对是人类历史上最大的事件。寻找地外智能生命，是一个共同努力的终极目标，且非常有趣。我打算今后在《赛先生》的新专栏中进一步探讨。在此，我想先询问一个更宏大、可能更令人兴奋的问题。

　　 宇宙，可能自我创生，或者是被某种实体、某种存在、甚至某种理论所创造。为了避免与宗教权威有所纠葛，我们不为宇宙创造者设定任何可能的特质，只给予它们创造宇宙的能力，并称它们为“ 高灵 ”（Superior Beings）。

　　 那么问题来了，在已知的物理定律范围内，“高灵”是如何为所有的智能生命发送信息的呢？

　　 十多年前，Steve Hsu [1] 和我就这个问题开展过讨论 [2] [3] 。我们从不推测“高灵”的特质，也不推测宇宙有多大概率是它们启动的 [4] 。 我们只问：如果“高灵”想让我们知道宇宙是有意地被创造的，那么它发送信息的载体和内容是什么呢？

　　 说到信息，我们必须区分信息载体和信息�容。

　　 我想强调的是，这完全是个严肃的科学问题，虽然带有揣测性成分，但仍可以在当代物理的大框架内给出答案。

　　 大众媒体上经常充斥着从哪里能够找到这些信息的建议。举一个例子，有人认为这种编码的信息存在于人类基因组中。我们认为，既然人类可能不是一个多么特别的物种， 因而所 谓“上帝的神指”应当不会在人类进化的某个过程中对其基因组序列进行重组。更荒谬的是，在美国有些持有某种特定信仰的人认为，上帝的懿旨可能编码在了“大峡谷”的石头中，这种说法简直太无语了。

　　 稍微复杂一点的说法是，这种信息可能深入隐藏在圆周率的数位中或某种迷人的数学构造里，例如黎曼zeta函数。但是，我们仍然没有办法知道各个外星文明是如何处理数学的。也有一说，信息是隐藏在素数序列中的，但是外星文明不见得对素数感兴趣 [5] 。

　　 另一种物理上的可能性是，信息被隐藏在了量子电动力学“精细结构常数”中或其它物理参数里。且不说精细结构常数在不同能量下测得的数值不同 [6] ，从实验上考虑，任何常数都很难测量到10 5 比特的精确度。 （注：以下会简述10 5 的意义）。

　　 好，既然对上述这些可能性我们不以为然，那么，我们的观点是：如何对信息载体做出选择。

　　 如果是我创生了宇宙，并且想要宣布这件事，那么我会理所当然地想让全宇宙中的高等文明 （注：例如，基因组序列是针对碳基生命而言，或许并不普遍） 都知道，而不仅仅只局限于银河系内。 我们相信，信息的载体必须独特，而在已知的物理框架内，仅只有一种选择：即利用宇宙微波背景辐射 ( Cosmic Microwave Background Radiation)。

　　 对宇宙微波背景辐射不是太熟悉的读者，在这里我简要解释一下。大爆炸后不久，膨胀的宇宙冷却到夸克能够形成质子和中子的温度。此时，大爆炸初期那些奇异的粒子消失了，只剩下电子、光子、质子以及中子了。带负电荷的电子与带正电荷的质子相互吸引，试图形成电中性的氢原子，但周围的光子还没有冷却下来，只要看到氢原子形成，这些高能光子就把它们重新拆散成电子和质子 [7] 。随着宇宙的继续冷却，光子的能量变得越来越低，直到再无力拆散氢原子。 瞬间，宇宙中到处乱窜的电子和质子结束了单身生活，结合成了氢原子。

　　

　　 （作图：Stella Zee）

　　 这是我们宇宙演化史上的一个关键节点 [8] ，称之为“解耦合”（Decoupling），意思是说，光子不再与电子、质子耦合在一起。此时，光子与氢原子的电磁相互作用，比之前光子与电子或质子的电磁相互作用弱了很多。

　　 许多读过通俗物理书籍的朋友，在这里常常产生疑惑。他们会问：“光子与周围的原子不发生作用吗？”

　　 是的，以人类的标准，它们的确经常发生相互作用。在日常中，光子与原子的互动正是形成我们视觉的基础：光子进入我们的眼睛，与视网膜上的原子和分子发生相互作用。但是，光子-原子的相互作用比起光子-电子，或光子-质子的相互作用，几乎少得可以忽略不计。况且，宇宙中光子的数量远远大于电子和质子的数量 [9] ，即使有一小部分光子与新形成的原子发生作用，绝大多数光子仍不受原子的碰撞而自由驰骋。

　　 我们知道，经历“解耦合”事件，千古万年，宇宙仍持续冷却，光子的能量进一步降低。目前，那些光子，大部分已与宇宙中组成物质的原子“解耦合”，也就是说不再发生关联，而其能量越来越低。现阶段的能量水平仅相当于微波炉中光子的能量 （注：一个普遍的误解是，微波炉中的辐射一定相当强，因为它能够用来烧水和做饭。其实，这是由于微波炉辐射中包含大量光子的原因，而微波中每个光子的能量相较于可见光的光子能量非常微小。） 而这些从"解耦合"后剩余的光子，形成了宇宙微波背景辐射。

　　 宇宙微波背景辐射，就像一个在天空中巨大的布告板，全宇宙的智能文明都能够看到 [10] 。

　　 在“解耦合”时期中，宇宙各区域的温度不可能绝对相同。量子涨落就会导致不同区域在温度上出现的微小差异 [11] （注：仅有十万分之一的差异） ，且这种差异性是能够探测到的。因此，我们提出， 一种普适性的信息是可以隐藏在这些温度涨落的统计关系中的 [12] 。

　　 宇宙微波背景辐射的图像相当于宇宙婴儿期的照片，其中不同的颜色代表不同的温度区域。

　　

　　 宇宙微波背景辐射全天图（图片来源：维基百科）

　　 下一个问题是，信息的内容应该是哪方面的呢？我们想过许多可能性，最后我们认为，任何智能文明都有能力探测宇宙微波背景辐射，而且 应该都能够知道四种基本相互作用中的三种――电磁相互作用、强相互作用、 弱相互作用――受到规范理论的支配，基于一些基本李代数 [13] 。

　　 因此，我们建议，其中隐藏的信息应该是一则简单的公告：“嘿！宇宙是受规范理论支配的，而相关的代数是这般这般等等。”

　　 数学上而言，李代数是由嘉当矩阵唯一决定的，但对于我们的目的来说，它仅仅是一个几乎为零的序列数，零星散布着2’s或?1’s，以便于利用相对较少的比特来进行编码。

　　 我们进一步估计，利用宇宙微波背景辐射的温度涨落来编码的信息量，不会大于10 5 比特。 如此，能够足够地 [14] 给出前几十个 嘉当矩阵 ，以建立编码所需的模式，以期最终的结果能够指定规范代数的使用，以及夸克和轻子是如何在规范代数下表现的。

　　 当然，这仅是个建议。或许我们的科学发展仍不够先进，所以不足以猜读出宇宙布告上的信息。打个比方，超弦理论学家或许会说，这个信息是告诉我们，哪个是正确的超弦理论，假设超弦理论是对的。

　　 总之，在宇宙微波背景辐射温度涨落中，有很大可能可以揭示出“高灵”留下了什么信息给我们。在我的书《可怕的对称》中，我更喜欢使用“终极设计师”( Ultimate Designer )这个词。而这种可能性，是迷人又有趣的。

　　 那么，即使看到了隐藏的信息，我们的讨论仍不需要涉及“高灵”是否具有神性的特质 [15] 。我自认为一个最贴切又有趣的情节是 ：我们的宇宙 ，可能是多重宇宙中的一个高中生完成的学校指定的科学作业 [16] 。他、她或它，像小孩般天真地玩着“蚂蚁农场 ( ant farms ) ”的游戏，在这样的状态下开启了各层宇宙的创造，然后一个接一个，无心地把它们藏放在地下室、车库或是衣柜间的某个地方，连父母也碍不着！或许至今，此“高灵”或“终极设计师”，他、她或它，对自创的这些宇宙失去了兴趣，也忘记了，任其自生自灭。因而有些宇宙膨胀，有些塌缩，�有目的和意义。但是，仍可能会有蛛丝马迹的信息，留给宇宙中的居民。

　　 另一方面，这位“高灵”或“终极设计师”可能是个满脸青春痘的高中生，或许住在一个有神论的另一层宇宙中。宇宙可能是多层次的，而“高灵”或“终极设计师们”，层层入主。

　　 而我们这层的宇宙，现在了解到是最底层的 （注：最底层是因为我们不会创造宇宙，所以再往下看就�有层了！） ，可能只是自然神论（deism）的，但上层或其他层的宇宙可能并不尽然，而是有神论（theism）的。此外，一个有阶层概念的宇宙，比起一个以散漫连结的宇宙，更为动人！

　　 最后总结：我们应该正视，创造我们宇宙的“高灵”是有可能埋下天机，给我们留下信息的。

　　 在目前的物理框架内，传递信息的载体，只有宇宙微波背景辐射，才能够触达宇宙中所有的智能文明。

　　 至于信息的内容，是有讨论的空间的，但以目前我们所能理解的物理来看，其内容也几乎是独特的。也就是说，目前仅有的信息内容，指定规范代数是最简洁的和最重要的。

　　 今后，当能获取更为精确的宇宙微波背景辐射数据时，我们力促对所有可能的模式仔细地进行分析和释义。

　　 注释

　　 [1] Steve Hsu目前是密歇根州立大学物理系教授，并担任副校长，主管研究和研究生事务。

　　 [2] S. Hsu and A. Zee, Mod. Phys. Lett. A (2006), pages 1495-1500.

　　 [3] 我们的工作已记述在多种通俗物理书籍中。参见Marcus Chown的书“The Never-Ending Days of Being Dead: Dispatches from the Front Line of Science” （《死亡的日子永无止尽――来自科学第一线》），费伯出版社 2007；也可参见Z. Merali将于2017年出版的新书“A Big Bang in a Little Room: The Quest to Create New Universes” （《小屋中的宇宙大爆炸：追寻创生新宇宙》）。

　　 [4] 宇宙由“高灵”创生的想法不仅出现在从古至今的宗教思想中，而且在科幻中大量运用。

　　 [5] 据我所知，中国人从未系统性地研究过素数。如果我的所知有误，请读者知会我。

　　 [6] 这些变化源于量子场论效应，我们对此理解得很好。读者无需关心这种细节。

　　 [7] 更多细节请参见徐一鸿的书《爱因斯坦的宇宙》又名《老人的玩具》（牛津大学出版社），中译本由清华大学出版社出版。主要读92页及往后的内容。

　　 [8] 为了简化这个故事，我们没提“复合”（recombination）事件，该事件与“解耦合”（decoupling）事件是不同的。

　　 [9] 严格来讲，每一个电子对应大约10亿个光子。

　　 [10] 同样有宇宙中微子背景辐射和引力波背景辐射，但中微子和引力波的性质难以捉摸，看起来光子是承载该信息的最佳选择。

　　 [11] 一个非常重要，但我不想在这里说太细的技术要点是，因为天空中的不同区域是无法发生因果联系的，只有“高灵”才能在宇宙创生时期预置信息。

　　 [12] 现今物理学家认为原初涨落是由量子效应造成的，但在我看来，根据我们目前掌握的量子力学和宇宙学，这几乎可以肯定是好笑和幼稚的。因此，我们不要追究信息是如何写入这些涨落中的细节问题。或许“高灵”能够以我们难以想象的方式，随意操纵量子涨落呢。

　　 超出计算层面，我们还不理解量子力学。或许在当光子解耦合时，“上帝的神指”就把想要的涨落写在了宇宙微波背景辐射中了。 然而这种对整个宇宙施展积极介入的做法 ， 比起把秘密写进我们这颗不起眼行星的岩石中至少要合理得多。

　　 [13] 对于不熟悉李代数的读者，可以在徐一鸿写的“Group Theory in a Nutshell for Physicists”（《写给物理学家的群论》，普林斯顿大学出版社，2016）中找到简单介绍。对于熟悉李代数的读者，相关的代数是U(1)?SU(2)?SU(3) ? SU(5) ? SO(10) ? E(6)。一个非常有趣的事实是，这个序列E(6) → SO(10) → SU(5) 可以通过在E6的Dynkin图上依次删除小圆圈来得到。数学上，我们可以把SO(10)可以看作E(5)，把SU(5)看作E(4)。

　　 [14] 在我们看来，一些后来跟进的物理学家没有从第一原理出发，做出了一些武断的假设，并对我们的估计有争议，给出了一个较低的数字，大约300比特。但嘉当矩阵一个吸引人的特点是，它们仅需非常少的比特进行编码，因此即使300比特仍然够用。

　　 [15] 探讨有神论和自然神论，可参见徐一鸿的英文版“Fearful Symmetry”（普林斯顿大学出版社）第293页。该书2016年再版，正好是首版出版30周年。此书中文简体版由清华大学出版社出版。同时另有日文、德文、韩文、西班牙文和中文繁体版等。

　　 [16] A. Zee, “Fearful Symmetry”, page 295.

　　 延伸阅读

　　 ① 专访徐一鸿：从物理大家到科普大师

　　 ② 比邻星 b真可能存在生命吗？| 赛先生天文

　　 投稿、授权等请联系： iscientists@126.com

　　 您可回复"年份+月份"（如201510）， 获取指定年月文章， 或返回主页点击子菜单获取或搜索往期文章。

　　

　　 赛先生 由百人传媒投资和创办， 文小刚、刘克峰、颜宁 三位国际著名科学家担任主编，告诉你正在发生的科学。 上帝忘了给我们翅膀，于是，科学家带领我们飞翔。

　　 微信号： iscientists

▲

　　 长按图片识别二维码关注我们

　　

　　 点击“ 阅读原文 ”购买科学好书！