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利維坦按：如果拿地球來舉例的話,，我們不論從南極走到北極，還是沿著赤道環(huán)行一周,，都會(huì)發(fā)現(xiàn)地球是有限無界的——也就是說,，你始終不可能找到地球的邊界，但你并不能因此就認(rèn)為地球是無限的,。如果按照霍金的觀點(diǎn),，宇宙也類似地球是有限無界的，只不過比地球多了幾維,。多幾維怎么理解,？試著想象一下魚在水中，對于它來說,，水面之上的空間就是另外一個(gè)維度了,。 今天這篇文章，圍繞著一個(gè)核心問題展開：我們?nèi)祟悓τ谟钪娴恼J(rèn)知能力是否是沒有局限的,？對此,，作者給出了否定的答案。 延伸閱讀：《“科學(xué)幻想”癥：一位科學(xué)記者的質(zhì)疑》（點(diǎn)紅字直接取閱） 文/Lawrence M. Krauss 插畫/Jackie Ferrentino 譯/lwl 校對/boomchacha 原文/nautil.us/issue/40/learning/how-much-more-can-we-learn-about-the-universe 人類的認(rèn)知能力是無限的嗎,？ 根據(jù)推測,，大爆炸剛發(fā)生后的超光速暴漲過程產(chǎn)生了引力波。 作為一名宇宙學(xué)家,，我在講座之后最常聽到的問題包括：宇宙外邊是什么,？我們的宇宙會(huì)膨脹到什么樣，會(huì)永遠(yuǎn)膨脹下去嗎,？這都是些很尋常的問題,，但還有一個(gè)更加深刻的問題困擾著我們——追根溯源，我們想要知道的是：人類的認(rèn)知有沒有邊界,？科學(xué)有沒有不可突破的局限,？ 當(dāng)然，問題的答案是,，現(xiàn)在回答還為時(shí)尚早,。除非真正遇到屏障，否則我們永遠(yuǎn)無法知道人類的認(rèn)知否有終點(diǎn)。然而,，當(dāng)下并沒有任何跡象能夠表明我們將會(huì)面臨難以突破的瓶頸,。也許，在探索宇宙的漫漫征途上,，我們會(huì)遇到激流險(xiǎn)灘,，但人類定能排除萬難，駛達(dá)知識的彼岸,。有些人對我說：“我們永遠(yuǎn)不能知道宇宙何時(shí)誕生”,，“我們永遠(yuǎn)不能知道大爆炸前發(fā)生了什么”。這些人著實(shí)剛愎自用,，他們怎能預(yù)知未來,，斷言人類在未來不會(huì)知曉某些事物呢？那些言論簡直就是無稽之談,，迄今為止,，科學(xué)史上沒有顯露出瓶頸的絲毫端倪。就拿我所從事的領(lǐng)域來說吧,，我們對宇宙的知識在不斷增長,，甚至50年前都沒有人能夠預(yù)見。 即使在最明朗的天氣里我們也無法看見永恒：理論上來講,，我們最遠(yuǎn)只能看見453億光年遠(yuǎn)的地方,。盡管這表明我們認(rèn)知有直接的極限，但這也無法阻擋我們探索自然界的奧秘的雄心壯志,。圖源：NASA/Bill Ingalls 誠然,，這并不意味著自然對我們所能觀察到的事物范疇，觀察事物的途徑?jīng)]有任何影響,。比如說,，海森堡不確定性原理①對我們所能觀察到的粒子在任意時(shí)間的位置做出了限制；光速限定了我們能看到,、移動(dòng)的最大距離,。但是這些限制最多只能給出人類無法觀測、而非最終無法知曉的事物,。不確定性原理并沒有妨礙我們探索量子力學(xué),，了解原子的性質(zhì),，發(fā)現(xiàn)所謂的虛粒子（我們不能直接探測到,，但確實(shí)存在的一種粒子）②。 宇宙的膨脹確實(shí)暗含著起源,，因?yàn)槿绻覀兎赐苹厝?，那么在遙遠(yuǎn)過去的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，我們能觀測到的宇宙中的任何事物都共同存在于一個(gè)奇點(diǎn)中。在那一瞬間,，也就是現(xiàn)在被稱之為大爆炸的時(shí)候,，我們所知的物理學(xué)定律都不適用了，因?yàn)槊枋鲆Φ膹V義相對論無法解釋描述微觀物理的量子力學(xué),。但是大部分科學(xué)家都認(rèn)為,，從根本來說，這并非認(rèn)知的邊界,，因?yàn)槲覀兿Ｍㄟ^改進(jìn)廣義相對論,，使其與量子理論相互兼容。弦理論（String theory）就是個(gè)廣為人知的例子,。
鑒于這樣一個(gè)理論,，我們也許就能夠回答,，大爆炸之前到底發(fā)生了什么（如果存在的話）。最簡單的回答往往也是最不令人滿意的,。狹義與廣義相對論將時(shí)間與空間統(tǒng)一為一個(gè)實(shí)體：時(shí)空,。如果空間是在大爆炸時(shí)產(chǎn)生，那么時(shí)間可能也是如此,。在這樣的情況下,，就沒有時(shí)間上所謂“之前”的概念（因?yàn)樵谡Q生之前,，時(shí)間并不存在）,。那么，先前的問題便不值得回答了,。但這并不是唯一的解答,，而且我們需要等到一個(gè)量子引力理論以及實(shí)驗(yàn)證實(shí)之后，才能對我們的回答有一定的把握,。 接下來,，從空間的角度來說，我們是否能夠知道,，宇宙的邊界是什么,，外邊又是什么？我們不妨再次大膽猜測,。正如我在新書《從無到有的宇宙》（A Universe from Nothing）中詳細(xì)討論的一樣,，看似最有可能的是：如果時(shí)空自然產(chǎn)生，那么它的總能量可能為零,，因?yàn)槲镔|(zhì)的能量恰好與引力場的能量相互抵消,。簡而言之,，如果事物總計(jì)為零，那么它能夠從無到有?，F(xiàn)在,，我們能夠查證的唯一總能量為零的宇宙，是閉宇宙③,。這樣的宇宙有限無界,。就像我們可以在球體表面一直行走而不會(huì)遇到任何邊界一樣,，我們的宇宙可能也是如此,。如果我們在一個(gè)方向上看得足夠遠(yuǎn)，就能夠看到我們的后方,。 實(shí)際上,，我們無法這么做,，可能因?yàn)槲覀兛梢姷牡胤絻H僅是宇宙的一小部分。這個(gè)原因與被稱之為“暴脹”（inflation,，宇宙暴脹，簡稱暴脹,，是早期宇宙的一種空間膨脹呈加速度狀態(tài)的過程）的概念有關(guān),。大多數(shù)在微觀尺寸上自發(fā)出現(xiàn)的宇宙會(huì)瞬間重新坍縮,，而不會(huì)持續(xù)存在數(shù)億年。但是,，在某些宇宙中,，虛空會(huì)被賦予能量，并且這種能量,，至少在短時(shí)間內(nèi),，能夠使宇宙以指數(shù)形式膨脹。我們認(rèn)為這樣的暴脹時(shí)間出現(xiàn)在大爆炸擴(kuò)張的初期,，并且防止宇宙立即再次坍縮,。在這個(gè)過程中，宇宙膨脹到難以想象,，以至于在任何意義上,，似乎是平坦并且無限的——比方說，盡管位于一個(gè)叫做地球的巨大球體上,，堪薩斯州的玉米地一樣看起來廣袤無垠,。即使我們的宇宙可能是封閉的，這就是為什么我們在觀察宇宙時(shí)依然無法看到我們后方的原因,。從理論上來講，如果暴脹沒有在我們可見的宇宙中重新開始,，并且沒有存在于其他我們不可見的區(qū)域中,，只要我們等得足夠久，就能看見所有事物,。 考慮到我們還未觀測到,，以及永遠(yuǎn)無法觀測到的區(qū)域可能正在暴脹——事實(shí)上，近期的理論表明,，這種情況極有可能發(fā)生,。如果我們認(rèn)為“我們的宇宙”指的是我們曾經(jīng)能夠，或是終有一天能夠進(jìn)行交流的地方,，那么,，在我們的宇宙之外，暴脹通常還會(huì)創(chuàng)造出的別的宇宙,。暴脹可能在我們所處的空間中很短暫,，但別的地方則永遠(yuǎn)在指數(shù)膨脹，偶有像我們的宇宙一樣的孤立區(qū)域從中分離出來,，既脫耦（decoupling）,。正如同當(dāng)溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，在快速流動(dòng)的水面上能夠形成冰塊一樣,。每一個(gè)這樣的宇宙都存在一個(gè)開端,，限定于暴脹在它的空間體積中結(jié)束的時(shí)間。也就是說,，我們宇宙的開端并不一定標(biāo)志著時(shí)間的起始,。這進(jìn)一步否定了大爆炸即認(rèn)知的天花板這種言論。 碰撞中的星系：這種宇宙的暴亂終有一天不復(fù)存在,，遙遠(yuǎn)未來的人類可能永遠(yuǎn)不會(huì)意識到我們的宇宙曾經(jīng)是多么活躍,。圖源：NASA 考慮到每個(gè)宇宙從背景空間中脫耦的過程不同，其中的物理學(xué)定律可能也不相同,。我們稱這樣可能的宇宙集合為“多元宇宙”,。多元宇宙的概念在科學(xué)界頗具吸引力，不僅可以解釋如暴脹之類的現(xiàn)象,，還主張多個(gè)含有獨(dú)特物理定律的宇宙的存在,。如此說來，看似莫名其妙的基本參數(shù),，其實(shí)是在宇宙誕生時(shí)隨機(jī)產(chǎn)生的,。 就算還有別的宇宙存在,，我們也永遠(yuǎn)無法直接探測到。因?yàn)檫@些宇宙不但處于距離我們非常遙遠(yuǎn)的地方,，而且以超光速后退,。那么，多元宇宙理論僅僅是形而上學(xué)嗎,？無法驗(yàn)證其存在,，是否代表著我們的認(rèn)知有根本上的極限？答案是：非也,，非也,。盡管可能永遠(yuǎn)不能直接觀測到別的宇宙，我們依然能夠通過以經(jīng)驗(yàn)為主的方式檢驗(yàn)理論,。比如說,，通過觀測暴脹產(chǎn)生的引力波，理論上能夠檢驗(yàn)宇宙創(chuàng)生時(shí)暴脹過程的詳細(xì)資料,。這些波與最近被LIGO④探測到的引力波類似,，只是起源于大爆炸的初期，既暴脹時(shí)期,。就像我們在各種各樣的實(shí)驗(yàn)中找尋遺留在大爆炸余暉——宇宙微波背景輻射中的信號一樣,，如果能夠直接探測到這些引力波，我們就可以研究暴脹的奧秘,，確定永久性的暴脹是否是這種物理現(xiàn)象的結(jié)果,。因此，盡管無法直接探測到別的宇宙是否必然存在,，我們可以間接證明這一點(diǎn),。 簡而言之，只要我們足夠聰明,，理解最深?yuàn)W的形而上學(xué)問題也不是個(gè)事兒,。我們之前或許認(rèn)為，我們永遠(yuǎn)不可能從經(jīng)驗(yàn)上探求這些問題,，比如宇宙存在的可能性,。目前，依靠著推理以及實(shí)驗(yàn)觀測,，我們還沒有發(fā)現(xiàn)任何的認(rèn)知局限,。 無限的宇宙引人入勝，并且激勵(lì)著我們不斷進(jìn)行探索,。但是我們能夠自信地說,，我們的認(rèn)知也是沒有局限的嗎？這個(gè)嘛,，不可以,。 暴脹確實(shí)給我們的認(rèn)知設(shè)定了根本的限制——特別是對過去的認(rèn)識,。暴脹在本質(zhì)上重置了宇宙，有可能摧毀了在此之前關(guān)于動(dòng)態(tài)過程的一切信息,。在暴脹過程中,，空間快速膨脹，在極大程度上降低了單位區(qū)域內(nèi)物質(zhì)的密度,。所以,，暴脹可能抹去了諸如磁單極子的蹤跡（理論上表明,，磁單極子是一種在宇宙早期應(yīng)該大量產(chǎn)生的粒子）,。這是暴脹的獨(dú)特功績之一：解釋了理論上存在、卻至今未觀測到磁單極子的原因,。但在化解矛盾中,，暴脹又抹去了我們的過去。 更糟糕的是,，暴脹仍在抹去別的信息,。我們現(xiàn)在顯然處在另一次暴脹過程中。我們與其他星系的間距正在擴(kuò)大,，這表明宇宙正在加速膨脹,，而非減速。這就好像占主導(dǎo)的引力勢能存在于物質(zhì)或輻射內(nèi),，而不是在虛空里,。我們現(xiàn)在對這種能量的起源一無所知。每種潛在的解釋都對認(rèn)知的發(fā)展,，甚至是我們自身的存在加以了限制,。 如果宇宙經(jīng)歷某種相變⑤ （phase transition）——宇宙版的蒸汽凝結(jié)為液態(tài)水的現(xiàn)象，那么這種虛空的能量可能會(huì)突然消失,。如果這種情況真的發(fā)生了,，不但力的基本性質(zhì)會(huì)變，而且宇宙中所有我們能夠看見的結(jié)構(gòu),，從原子到人類,，都有可能會(huì)變得不穩(wěn)定，甚至消失,。 但是即使膨脹仍在繼續(xù),，未來的景象也相當(dāng)沉悶。在大約兩萬億年后,，宇宙內(nèi)的其他事物會(huì)從我們的視野里消失,。兩萬億年對人類來說是個(gè)天文數(shù)字，但對宇宙來說則不然,。在這樣遙遠(yuǎn)的未來后,，生活在群星中的觀察者會(huì)認(rèn)為他們周圍只有無盡的虛空,，身處孤單的星系，沒有宇宙加速膨脹,，更別提大爆炸的跡象了,。正如我們失去了磁單極子的蹤跡，他們也無從得知我們已知的歷史（雖然某些現(xiàn)象當(dāng)下無法觀測到,，但未來的他們,，或許可以。所以我們也不應(yīng)有優(yōu)越感）,。 不管怎么說,，我們都應(yīng)享受短暫的人生，盡力探索浩瀚的宇宙,。路漫漫其修遠(yuǎn)兮,，汝當(dāng)上下而求索！ 注釋： ①在量子力學(xué)里,，不確定性原理（uncertainty principle,，又譯作“測不準(zhǔn)原理”）表明，粒子的位置與動(dòng)量不可同時(shí)被確定,，位置的不確定性越小,，則動(dòng)量的不確定性越大，反之亦然,。（摘自維基百科） ②虛粒子（virtual particle）,，意即虛構(gòu)粒子、假想粒子,，是在量子場論的數(shù)學(xué)計(jì)算中建立的一種解釋性概念,，指代用來描述亞原子過程例如撞擊過程中粒子的數(shù)學(xué)項(xiàng)。但是,，虛粒子并不直接出現(xiàn)在計(jì)算過程的那些可觀測的輸入輸出量中,，那些輸入輸出量只代表實(shí)粒子。虛粒子項(xiàng)代表那些所謂離質(zhì)量殼（off mass shell）的粒子,。例如,，它們沿時(shí)間反演、能量不守恒,、以超光速移動(dòng),，每條看起來都和物理基本原理相悖。虛粒子發(fā)生在那些大致可被實(shí)輸出量相消的組合項(xiàng)中,，因此才產(chǎn)生了前述那些不實(shí)的沖突,。虛粒子的虛「事件」通常看起來是一個(gè)緊接著另一個(gè)發(fā)生，例如在一次撞擊的時(shí)長中,，所以他們顯得短命,。如果在計(jì)算中略去那些被詮釋為代表虛粒子的數(shù)學(xué)項(xiàng)，計(jì)算結(jié)果將變成近似值,，有可能較大地偏離完整計(jì)算得到的正確而且精確的結(jié)果,。（摘自維基百科） ③閉宇宙（closed universe），如果宇宙內(nèi)的物質(zhì)多到足以抗衡大爆炸造成的膨脹,，宇宙最終會(huì)坍縮回去,。（譯自《牛津英語詞典》） ④激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，縮寫：LIGO）是探測引力波的一個(gè)大規(guī)模物理實(shí)驗(yàn)和天文觀測臺,。2016年2月11日,，LIGO團(tuán)隊(duì)于華盛頓舉行的一場記者會(huì)上，共同宣布人類對于引力波的首個(gè)直接探測結(jié)果,。所探測到的引力波來源于距離地球13億光年處的兩個(gè)大約30倍太陽質(zhì)量的黑洞融合,。（摘自維基百科） ⑤ 相變是指物質(zhì)在外部參數(shù)（如：溫度,、壓力,、磁場等等）連續(xù)變化之下，從一種相（態(tài)）忽然變成另一種相,，最常見的是冰變成水和水變成蒸氣,。然而，除了物體的三相變化（固態(tài),、液態(tài),、氣態(tài)），自然界還存在許許多多的相變現(xiàn)象,，例如日常生活中另一種較常見的相變是加熱一塊磁鐵,，磁鐵的鐵磁性忽然消失。（摘自維基百科） 最后,，可以看看利維坦之前推送過的1977年的著名短片《十的次方》,，短片中運(yùn)用比例的概念，并把廣袤無垠的宇宙比作是碳原子的微觀世界： （建議Wifi環(huán)境下瀏覽）每隔10秒,，我們看到的畫面就會(huì)比10秒前遠(yuǎn)10倍……接著,，鏡頭又快速拉近，每隔2秒,，拉近10倍 “利維坦”（微信號liweitan2014）,，神經(jīng)基礎(chǔ)研究、腦科學(xué),、哲學(xué)……亂七八糟的什么都有,。反清新，反心靈雞湯，反一般二逼文藝,，反基礎(chǔ),，反本質(zhì)。 |
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