徐一鸿:宇宙的终极奥秘隐藏在哪儿? | 当阿热遇见赛先生

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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

   徐一鸿:宇宙的终极奥秘隐藏在哪儿? | 当阿热遇见赛先生

   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。

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   (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。

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   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

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