宇宙中的“幽灵”——“玻尔茨曼大脑”帮助科学家探索宇宙演化模式

下文刊于《文汇报》 2007年10月6日 宇宙中的“幽灵” ——“玻尔茨曼大脑”帮助科学家探索宇宙演化模式 □何积惠 编译 ●据某些得到公认的宇宙论演化模式预测，在未来万亿年内，有可能自发出现一种宇宙目击者——“玻尔茨曼大脑”，而且数量大得超乎我们想象。不少宇宙学家认为，这些从量子真空中窥视着我们的“大脑”非常可怕。 ●“玻尔茨曼大脑”是以19世纪奥地利物理学家路德维希·玻尔茨曼来命名的。玻尔茨曼提出了宇宙是否可能产生热涨落的问题；他的著述预示着全新的理念：涨落还可能孕育一种观视宇宙的意识性实体。 ●“玻尔茨曼大脑”不一定是真实的大脑，毋宁说是一种隐喻，用以指称也许会自发出现的宇宙目击者。宇宙可能产生两种目击者：像人类这样的“普通目击者”，以及稀奇古怪的“玻尔茨曼大脑”。 窥视我们的“眼睛” 不少宇宙学家认为，从量子真空中向我们虎视眈眈的“玻尔茨曼”大脑是非常、非常可怕的，因为相关的演化模式提示：这些大脑对于宇宙的看法，与我们存在着惊人的差异。 只要被赋予足够的空间和时间，一种有意识的物质就会从真空中突然蹦出来，即使它持续的时间仅为1微秒。 诚然，这类事情是不可思议的，未必真的会发生，但却并非不可能——至少从理论上说是如此。物理学家将这类基于假设的存在，称之为“玻尔茨曼大脑”，它是根据19世纪奥地利物理学家、一位在热力学和统计力学领域作出过重大贡献的先驱者路德维希·玻尔茨曼来命名的。玻尔茨曼提出了宇宙是否可能产生于热涨落的问题；他的著述预示着全新的理念：涨落还可能孕育一种观视宇宙的意识性实体。从这个意义上说，玻尔茨曼大脑不一定是真实的大脑，毋宁说是一种隐喻，用以指称也许会自发出现的宇宙目击者。 乍听之下，这种理念似乎是荒诞不经的，但它正在帮助宇宙学家努力探索宇宙的演化模式以及人类在其中的位置。 宇宙论，包括大部分科学，莫不建立在下述假设之上：在世间万物的宏大天象图中，我们人类是典型的目击者。16世纪的波兰天文学家尼古劳斯·哥白尼主张：地球不过是一块沿着太阳轨道运行的岩石。自从那时以来，人类就被废黜了其在宇宙中独一无二的地位。物理学的诸多定律，无论对我们周遭的世界，抑或对可见宇宙的其他区域，似乎都是普遍适用的。所以，除非有理由以其他方式思维，否则都应假设我们人类才是典型的目击者，这是长期以来被世人视为神圣不可侵犯的观念。“对于我们所做的一切而言，这个假设是绝对必不可少的。”美国马萨诸塞州塔夫茨大学的亚历克斯·维伦金说，“如果不是这样假设的话，那就无法对任何事情作出推论来。” 这是因为：如若不然，无论我们看到什么，都不足以代表整个宇宙的概貌。由此，出现了这样的问题：据某些得到公认的宇宙论演化模式预测，在未来万亿年内，“玻尔茨曼大脑”也许会在数量上大大超过像我们这样维系于千万年进化和生命支持的“普通目击者”。如果真是这样的话，那么，在宇宙的生命历程中成为典型目击者的，可能是那些在冥冥之中窥视着我们的玻尔茨曼大脑，而不是我们人类。不少宇宙学家认为，这些从量子真空中向我们虎视眈眈的大脑是非常、非常可怕的，因为相关的演化模式提示：这些大脑对于宇宙的看法，与我们存在着惊人的差异。 涌动着的“暗能量” 在宇宙长达137亿年的历史中，“玻尔茨曼大脑”基本上连“亮相”一次的机会也没有过。但作为加速宇宙膨胀的因素，却足以使天象图发生变化。 玻尔茨曼大脑崭露其“丑陋的嘴脸”，是在20世纪90年代末。当时，有不少天体物理学家发现：宇宙正在加速膨胀，而不是像多数人预期的那样在逐渐减缓其速度。对于这种“暗能量”的一个可能解释，人们已熟知数十年了：虚空空间可能拥有固有的能量，它有一种排斥效应，一方面推动空间不断膨胀，另一方面迫使物质趋于分离。对于这种效应，人们有不同的叫法，如宇宙常数或真空能量。它何以会存在的原因，是物理学中最难以解开的谜团之一。 不管其起源如何，真空能量是活跃的，而且总在发生着微妙莫测的涨落，偶尔足以转化为颗粒和物质。这里可能会冒出一个光子，那里也许会形成一个原子。这些物体，体积越大，结构越复杂，就越发不大可能显现。一旦等待的时间足够长，就可能冷不防地冒出玻尔茨曼大脑来。“它看起来犹如一个奇迹，”加利福尼亚州斯坦福大学的理论家安德雷·林德说，“却并非完全不可能，只是概率极小而已。” 在宇宙长达137亿年的历史中，玻尔茨曼大脑基本上连“亮相”一次的机会也没有过。但是作为加速宇宙膨胀的因素，却足以使天象图发生变化：它指向一个无穷大的空间，其持续时间也是无穷尽地漫长，而且真空在不断发生着涨落。这将是一个对于传统的智慧生物既冷漠、黑暗，又不甚好客的所在，却是滋生玻尔茨曼大脑的理想之地，这些大脑所看到的只是周围的虚空空间。“波尔茨曼大脑和不可名状的东西，将以某种非常缓慢的速率，从这一真空中蹦出来，但持续的时间却非常漫长。”维伦金说。 宇宙有多少“目击者” 宇宙可能产生两种目击者：像我们这样的普通目击者，以及稀奇古怪的玻尔茨曼大脑。宇宙学家面临的问题是：必须证明宇宙演化模式不会允许玻尔茨曼大脑在数量上超越人类。 那么，哪一种目击者更为普遍呢？要弄清楚这个问题，不妨来考察一下暴涨理论，大部分宇宙学家将它视为对宇宙的最佳解释。暴涨理论有一部分是由林德和维伦金在上世纪80年代发展起来的。这一理论认为：我们的宇宙在创世大爆炸后不久，发生了规模巨大的膨胀，并且迅速趋于极度“平滑”和同质，但在早期具有足够的颠簸性，促使物质经过聚合而形成星系和银河系。 许多宇宙学家主张：暴涨继续在宇宙的不同点上发生，这种理论有“永恒暴涨”之称。在下面那幅图像中，存在着一个空间愈趋膨胀的巨大背景，从中持续不断地孕育出新的“袖珍宇宙”来。这些宇宙，有的就像我们置身其中的宇宙那样，经历过短暂的爆炸生长期，然后稳定了下来；有的则可能适用截然不同的物理定律。在这个“多元宇宙”的脚本中，“袖珍宇宙”可能获得无穷大的生长，包含着无穷数目的星系和行星，而玻尔茨曼大脑可能在数量上超过普通的目击者。 为了驾驭这些无穷性，研究人员已着手探索每一种目击者的存在可能性。“我们正在力求解决的，是计算这类脚本中的概率。”加利福尼亚大学伯克利分校的拉斐尔·布索说，“由此产生的泡沫数量是无穷的，它们每一个都是无穷大。所以，必须找到一种办法，对这些无穷性加以比较。玻尔茨曼大脑就是帮助我们思索如何正确看待这种宇宙学的约束性因素之一。” 具有激进意义的解决方案，大多来自加拿大艾伯特大学的唐·佩奇。他认为，我们的宇宙想必有一种自毁机制，在玻尔茨曼大脑可能占据支配地位之前使自身归于毁灭。 事情怎么会是这样的呢？正如真空能量具有可能形成玻尔茨曼大脑的量子涨落一样，能量本身也会发生急颤而“衰变”成更高或更低的能级。在永恒暴涨的过程中，这就是“袖珍宇宙”开始形成的缘由。 这样的衰变，将起到宇宙复位开关的作用，防止宇宙趋于衰老而被玻尔茨曼大脑所占领。佩奇表示，为了使我们的宇宙形成相应的机制，需要从现在开始的200亿年内关注这种衰变。他警告说，如果耽搁的时间过长，我们的宇宙就会急速地趋于膨胀，致使这样的衰变泡沫永远也追赶不上：宇宙的最初残片将会留存下来，永远繁衍着“玻尔茨曼大脑”。虽然这不是急需我们的子孙辈去担忧的事，但这个时间框架可能要比大部分人预期的短得多。 其他研究人员则认为，如果视野更广阔超然一些，就可望达到放逐玻尔茨曼大脑的目的，而不至于使我们的宇宙在尚未成熟的年龄就毁于一旦。他们声称，多元宇宙正在演化出无穷数量、如同我们这样的常规目击者。惟一的问题是，无穷数量的玻尔茨曼大脑也会冷不防地冒出来。不过话得说回来，并非所有的无穷性都是等同的。为了判定谁将赢得竞赛的胜利，物理学家已着手对目击者的计算。“这将是人类奋起抗争的起点。”林德说。 科学家们在干什么 那么，哪一种方法是正确的呢？对玻尔茨曼大脑的放逐，最终向我们昭示了什么宇宙奥秘呢？这一点至今还没有达成共识，也无法通过实验加以验证。 林德的方法着眼于多重“袖珍宇宙”，计算的是目击者在任何特定的时刻内、限于某一大小空间范围内的数目。有许多目击者可能会在短时期内支持像我们这样的智慧生物，而从长远角度来看，却势必会引发玻尔茨曼大脑。但林德表示，由于新的宇宙总是通过永恒暴涨而产生，因此若加上所有任何特定时刻的目击者，则普通目击者总是会超过玻尔茨曼大脑，因为对它们的补给是源源不断的。“如果采取这种观测方法，”他说，“那就不会形成玻尔茨曼大脑这一悖论了。” 维伦金有自己的解决方案，它同样建立在永恒暴涨的理论基础上，但计算目击者所运用的方法却截然不同。他转而把新“袖珍宇宙”的形成可能性，同玻尔茨曼大脑突然冒头的可能性加以比较。按照他的计算结果，常规目击者的出现速度，总是要比玻尔茨曼大脑来得快。 其他物理学家不相信，眼下居然有人能证明永恒暴涨模式背后的假设是正确的，清晰到足以对多重宇宙进行计算。所以，他们对运用这些模式来解决玻尔茨曼大脑问题持谨慎的态度。例如，佩奇认为，这些解决方案在“考虑无穷数的比率时，本身就是模棱两可的。” 布索甚至走得更远。他说，对多元宇宙作出概述，甚至在原则上也是不可能的。在我们生存的宇宙中，任何一个目击者所能窥测的视野只有那么大。这是因为：目击者的行驶速度不可能超过光速，任何信号都是如此。布索建议，继续坚持局部视野，而不是力图对多重宇宙的计算。“我们还是让理论着力描述任何可能的历史，而不要刻意拼凑如上帝般全能的视域。”他说。采取布索的方法，似乎可望解决玻尔茨曼大脑问题，但也像佩奇的建议一样，以下述条件为前提：宇宙如众所周知的那样会走向自毁。 与佩奇的研究形成对照的是，布索着眼于一个狭小得多的空间区域：在某一目击者地平线内的范围。由于为玻尔茨曼大脑露面所留的空间狭小得多，因此宇宙在自毁以前的持续时间也要长得多，只是衰变的速度依然很快，不至于使玻尔茨曼大脑占据上风。“玻尔茨曼大脑可能胜出的惟一机会，是真空的持续时间超过玻尔茨曼大脑冒头所必需的时间。”布索说。他还透露称，甚至出现一次所必需的时间，“就漫长得足以让人精神错乱。”即使在经过不可思议的漫长时间——10×1020年——以后，宇宙趋于自毁了，也仍然会来得及阻止玻尔茨曼大脑占据上风。 那么，哪一种方法是正确的呢？对玻尔茨曼大脑的放逐，最终向我们昭示了什么宇宙奥秘呢？这一点至今还没有达成共识，也无法通过实验加以验证。佩奇说，在应对多元宇宙方面，我们依然是“幼稚盲从而易受骗的人”。到目前为止，能指出潜在的问题，他就感到心满意足了。 然而，从玻尔茨曼大脑的探索中可以看出：计算多元宇宙概率的方法，哪一种是正确的，哪一种是错误的。维伦金声称，任何严肃的方法理应提供下述答案：常规的目击者战胜奇异的目击者。林德也持类似的看法。“如果我们提出某些暴涨宇宙学方面的概率已知量，而它又导致了玻尔茨曼大脑问题，”他说，“那就从另一个侧面证明：我们的研究方向是错误的。” 相反，如果计算玻尔茨曼大脑的方法，提供了对一个不同问题的深入见解，那可能是一个预示方向对头的信号。最近，布索和他的同事将他们在特定地平线内的研究，扩大到计算一个典型的目击者所观测的真空能量上。先前预测这个能量密度的方法得到的结果，比观测值高出10倍、1000倍甚至数10亿倍。布索的结果，则更接近于测定值。“我们不知道该怎么回答，”他说，“但它使研究工作有了很大的起色。” 总之，破解玻尔茨曼大脑之谜，不仅仅旨在消除它们的威胁，使宇宙学家继续维持人类作为典型目击者的假设，同时也有助于剔除无法解释其荒诞性的宇宙演化模式。 “玻尔茨曼大脑”是什么？ 如果永恒暴涨模式是正确的话，那么，我们的宇宙只不过是“多元宇宙”中的一个。 只要获得足够的空间和时间，被称为“玻尔茨曼大脑”的意识程度最小的“目击者”就有可能出现，而且在数量上超越像我们这样的“普通目击者”。 由于虚空空间包含着一种被称为真空能量的排斥力，所以它最终可能催生颗粒、原子甚至理论上的意识性实体。这些假设的“玻尔茨曼大脑”，亦即对周围空间的“自发目击者”，对人类在宇宙中的地位提出了挑战。 这些东西到底是什么呢？从理论上讲，它们可能呈现几乎任何一种形式，但根据概率定律和量子力学，它们体积越大，结构越复杂，就越发不大可能显现。它们可能是脱离躯壳、带有眼球、飘浮在外层空间的大脑。它们可能由一个整体所构成，身裹太空服，配备氧气瓶。它们可能是人类的大脑、动物的大脑，或者由气体组成的智能外星人物种。不管根据研究人员达成的什么定义，真正重要的在于：它们具有发挥意识的资格。 它们甚至不一定是真实的大脑。举例来说，如果计算机能变得复杂到足以被视为一种意识，那么，它们同样具备这个资格。由于计算机芯片将大量的处理功率融入微小的空间，因此，硅基玻尔茨曼大脑的体积可能比生物大脑小得多。如果这样的话，那将会使意识性计算机更有可能从真空而不是生物实体中“横空出世”，意味着它们可能成为支配宇宙的主宰之一。 波尔茨曼大脑的发现与人择原理 请你考虑一下这个问题：为何你的耳朵具有它们现在的形状和位置？答案也许是使得眼镜能配戴在耳朵上。假如那样的话，耳朵必须存在且必须在它们现在的地方，而这正是眼镜的存在所决定的。这就是人择原理的最基本含义：正是因为人类的存在，才能解释我们这个宇宙的种种特性。 但是，这种思维是否从反方向来理解了呢？如果说眼镜被设计成能适合耳朵，是否更准确些呢？假如耳朵长在别的地方或根本就不存在的话，那么，就会以不同的样式设计眼镜了。人择宇宙学原理（简称人择原理）由鲍罗和泰伯拉提出。这条原理很复杂，简言之，即“我们看到的宇宙之所以这个样子，乃是因为我们的存在。” 人择原理又分为弱人择原理和强人择原理。弱人择原理认为，我们生存在众多个宇宙演化模型中一个，假如我们不是身处现在这模型，即宇宙会以不同方式演化，我们也不会在这里。而强人择原理就更肯定宇宙一定会生出有智慧生物，不允许宇宙以其他不能够令我们生存之选择出现。 应用弱人则原理的一个例子，是“解释”为何大爆炸发生于大约100亿年之前——智慧生物需要那么长时间演化。一个早期的恒星必须首先形成，这些恒星将一些原先的氢和氦转化成像碳和氧这样的元素，由这些元素构成我们。然后恒星作为超新星而爆发，其裂片形成其他恒星和行星，其中包括太阳系，太阳系的年龄大约是50亿年，地球存在的头10到20亿年，对于任何复杂东西的发展都太热了。余下的30亿年才用于生物进化的漫长过程，这个过程导致从最简单的机体到能够测量回溯到大爆炸那一瞬间的生物的形成。 很少人会对弱人择原理的有效性提出异议。然而，有的人走得更远并提出强人择原理。按照这个理论，存在许多不同的宇宙或者一个单独宇宙的许多不同的区域，每一个都有自己初始的结构，或许还有自己的一套科学定律。在这些大部分宇宙中，不具备复杂组织发展的条件；只有很少像我们的宇宙，在那里智慧生命得以发展并质疑：“为何宇宙是我们看到的这种样子？”回答很简单：如果它不是这个样子，我们就不会在这儿！ 1988年11月，科学家们就一直讨论多年的论题——人类学的原理，召开了一次极有权威的科学会议。 “人类学的”（Anthropic）一词源于希腊语，意思是“与人有关的”。人类学原理试图强调，人类作为目击者，对宇宙的真正存在来说是必需的。 也许看来它的反面是正确的。我们是在一颗普通恒星的一个小的行星上，而这颗恒星湮没于包含了几千亿颗恒星的一个星系里，还有另外的恒星在其他1000亿个星系里。为什么如此无法想象的庞大的一个宇宙居然仅为我们而存在？ 答案则是宇宙越小，它膨胀然后收缩而绝灭所需的时间就越少。对我们来说，为了取得进化时间，宇宙必须像它现在那样大。 此外，自然规律使得原子能够形成；大爆炸以后有过的经历似乎使恒星和星系得以形成。要不是原子、恒星和星系刚好能形成的话，那么我们自己就不可能形成。 量子理论也使得我们好像是必不可少的。根据量子理论，在有些情况下，我们实际上只有在观测到电子时才可能辨别它在做什么；而当没有观测到电子时，即使理论上也不可能推断它在做什么。 按照这个理论，某些科学家认为宇宙必须有目击者，而且自始至终必须有目击者。但另一方面，直到宇宙150亿岁时，最早的人类才进化。恐龙曾有资格当目击者吗？直到宇宙100亿岁时，地球本身才形成。这是否意味着在其他行星上有别的形式的生命曾作见证？否则它是否意味着宇宙是上帝仅仅为了人类的利益而创造的？而且那个上帝从头到尾是宇宙永恒的监护人吗？根据强人择原理，这个假定似乎是必然的。 然而，大多数科学家更喜欢弱人择原理。为了理解其意义是什么，请你考虑一下这个问题：为何你的耳朵具有它们现在的形状和位置？答案也许是使得眼镜能配戴在耳朵上。假如那样的话，耳朵必须存在且必须在它们现在的地方，而这正是眼镜的存在所决定的。 但这种思维恰巧是从相反方向来理解的。事实上，眼镜被设计成能适合耳朵，而不是反过来。假如耳朵长在别的地方或根本就不存在的话，那么就会以不同的样式设计眼镜。 同样情况，有可能存在无限多的宇宙，每个宇宙具有一组不同的自然规律。或许这无限多的宇宙中，除了一个之外，其余的宇宙所具有的自然规律都不容许生命存在。而仅有一个宇宙里，其自然规律确实考虑到了生命的存在。 这一个宇宙就应是我们的宇宙，而我们就在其中经历了进化，然后对这个宇宙显得多么恰好地适合于我们感到惊异。 我们怎样能断定弱人择原理是否正确呢？毕竟，我们自己的宇宙是我们所能观测的惟一一个宇宙。要是有无数个宇宙的话，那么可能有许多宇宙足够接近完美而容许我们这种生命生存。我们的宇宙应只是它们中的一个，且它也许不是最臻完美的。