维伦金其人

亚历山大 · 维伦金（Alexander Velankin）是美国塔夫兹大学的物理学家。现年43岁的维伦金，早在乌克兰读高中时就热爱宇宙学。后来进克哈可夫大学就读，迷上了爱因斯坦。但是没有哪个教授能满足他对宇宙学的好奇心。毕业后他没有被研究生院录取，这对他是一个很大打击。他找到一份动物园夜班看守人的职业 。自然无法象物理学家那样工作，只有独自去钻研宇宙学。1976年，他被纽约州立大学录取，前往攻读研究生课程，只用了一年时间，就获得哲学博士学位。接着他到塔夫兹大学从事凝聚物质物理的研究。不久，他又拣起了喜爱的宇宙学。

有一块“反引力宝石”，就放在维伦金办公室一张“准稳定椅子”（一件摇晃的家具）上；它不是一块普通的卵石，它有令人迷惑的名字，还有一段漂亮的铭文，用它可以提供引力猛推的直接经验。他总是尽力满足来访者参观和核验那块宝石的愿望。

维伦金似乎沉浸在荒诞的超现实主义气氛之中，那些与反引力有关的撩人事物就是他的一切。难道他不能把事情弄得明白一些吗？在宇宙学中，成功得来不易。例如，维伦金是解释关于我们的宇宙如何从无突然到有的创始人，直到最近，他才得到一个悬疑已久问题的答案。这个问题是 :我们的宇宙为什么没有耗散成冷尘埃，或者坍缩成奇异的热矿块。按照物理学的现行理解，两事件中总有一个早就该发生了。

接着要做的工作以下面这个合理而有待证实的简洁建议为根据：在这个宇宙或者任何别的宇宙可能存在的一切文明中，我们星球的文明大概不算是特殊的。维伦金的成就在于，他从这样的一般论述出发推导出明确的预言——关于我们期望从自然界观察到的一些物理规律的预言。长期以来，物理学家知道这些物理规律是什么，它们如何作用于宇宙，但是他们苦于不能回答究竟为什么自然界选择了这些特殊的性质。按照维伦金的解释，事情是明白的 :这一切都得用我们宇宙文明的平凡来加以解决。

曲折的理论探索

在塔夫兹大学，他悄悄拣起宇宙学，这使得他很快崭露头角。1982年，他提出一种理论来解释下面这个问题：即使理论上认为整个宇宙中的物质分布均匀得使之不能聚集成团，星系怎么还是形成了？他说，答案在于一种叫作宇宙弦的巨大能量密集，宇宙弦蜿蜒通过宇宙，它们的引力把物质吸引到一起。他的这一工作甚至给宇宙学的领头人斯蒂文 · 霍金以深刻印象，他被邀请参加在剑桥大学举行的宇宙学精英集会。一年之后，维伦金提出了另外一种理论，奠定了他正在升起的名望。当时，几乎所有关于大爆炸理论的变动都引起轰动。然而维伦金追溯得更远。如果大爆炸使小小微粒产生一切物质、能量、时间、空间，那末微粒又是从哪里来的？它是怎样突然产生的？这些都不是宇宙学家们能够回答的问题。物理学家没有给他们提供揭开创生本质的手段，提供了的只是结果。

维伦金指出，圣奥古斯丁受到同伴们的警告，说上帝给询问创世前情况的人准备了地狱，但是圣奥古斯丁不相信对最终奇迹怀有好奇心的人会受到上帝的惩罚。维伦金决心投入这一工作。他从思考一个奇妙的对称性开始：物理学家描述大爆炸和最小的亚原子粒子用的是大致相同的理论，这就是量子力学，它赋予粒子以一种模糊的波状特征，使它成为在时空中的一种“涂抹”。没有这样的涂抹，在大爆炸瞬息间发生了什么，就是不可思议的o经典物理，包括爱因斯坦的相对论，不允许把由物质或能量组成的整个宇宙封装在一个点状微粒之中。因为如果那样，引力就无穷大，在无穷大面前，经典物理方程失效。但是把物质当作量子力学的涂抹，那末引力不再是无穷大，只是大得难以想象罢了。

由于物理学家已经在应用某些量子力学手段，维伦金推想，为什么不可以采用另外一些量子力学窍门？根据量子力学，外层空间的真空决不会真的是完全空的。在其中充满着物质粒子，这些粒子总是突然产生，一刹那后，又突然消失。它们被称作虚粒子。它们的存在是由于一种量子力学的突变性。那个理论的方程允许把真空描述成一种平均值为零的能量场。然而平均值为零，指的是在任一粒子位置，真空的能级可以涨落——在某一时刻某个粒子位置它可以取正值，在下一时刻某个别的位置又可以取负值。每一瞬息间，这些随机涨落之一，会大到足以使粒子突然产生，就在那一刹那之后，它又消失了。这些虚粒子的生灭闪烁时时充满宇宙，它们的现实性被物理学家所广泛承认。

如果粒子可以从虚无中突然产生，为什么整个宇宙不可以呢？维伦金迫切想知道答案。如果真空可以看作平均值为零的能量场，为什么不把宇宙创生前的“无”也看作平均值为零的时空场？与其说虚粒子突然产生，不如说整个宇宙，连同物质、能量、空间、时间以及其它一切，都突然从“零”产生。按这样的思路开始考虑宇宙时，他提出丁一种可能性：宇宙不止一个，宇宙有许多个。初始的宇宙可以时时突然产生。当然，这些宇宙的大多数会立即自行消失，如同虚粒子一样。它们等同于无，但是在“无”处涨落、随机“打嗝”。然而最后这些“嗝”中的一个会有足够的能量避免倏然湮灭。它会立即膨胀。一个宇宙就这样在大爆炸中产生了。

他排除种种困难，应用量子力学，提出对宇宙诞生瞬时的严格描述。他描述的前宇宙的“无”是可能设想的无的最纯粹形式。物质和能量产生时间和空间，维伦金的“无”则两者都没有。不存在对大爆炸的倒计时，因为时间不存在。他把创生从一个玄学事件一下子还原为一个物理事件。曾经好像是不可知的东西蓦然还原为一组方程。

这个几年前还是在动物园照看斑马睡觉的人，现在被频频邀请去向宇宙学专家们发表演说。他在哈佛大学作了一次谈话。古斯（Guth）和科尔曼（Coleman）（分别是暴涨论和蛀洞论的创始人）热情地同他讨论了他的理论。但是这些谈话未能使维伦金感到满意，有一个问题一直缠绕着他，象鞋子里进了硌脚的石子 :什么时候他能提出一个可检测的预言？这是一个真正的问题，一个维伦金经常向自己发问的问题。说到底，可测性是物理学和哲学的分水岭。对什么引起日蚀，任何人可以编造出似是而非的故事，但要预告一次日食，那是科学。

维伦金把这个缺陷埋在心头，而把注意力转移到—个最热门的问题：暴涨理论。古斯发表了这一理论，解释宇宙在大爆炸之后是如何膨胀的。他提出一些使人迷惑的观察结果，尤其是提出宇宙显得不是很“平”。

爱因斯坦证明物质和能量决定空间的形状。这件事的重要性之一，是我们可以把时空形变理解为引力的现象——象一只滚球放到床上使褥垫产生小小凹陷，一重物（或一个大的能量）以这种方式使得时空挠曲。当凹陷出现时，重物自然“掉”了进去。如果我们的宇宙已经产生许多物质和能量，那末空间应当出现许多挠曲，最后宇宙膨胀会倒转过来，在一次大挤压（Big Crunch）中坍缩。另一方面，如果宇宙开始时只有很少物质和能量，那末它就会向相反的方向挠曲，即永远膨胀下去。

科学家已煞费苦心，把对遥远物体（如类星体）的观察结果与他们期望的物体所在位置作比较，来度量挠曲的大小程度。直到他们能够说宇宙没有挠曲，它们是完全平滑的。当你考虑到宇宙膨胀本应放大任何大爆炸后立即出现的挠曲时，对这种现存的“平滑”就越加感到意外了。事情看来是，宇宙已在大挤压和永远膨胀之间取得理想的平衡。但是科学家要问，我们的宇宙为什么有幸获得这种奇迹般的砝码？可以肯定，没有谁能想得出原因。

古斯提出他的暴涨理论排除了出现奇迹的必要。在他的绘景中，大爆炸时期的宇宙是如何奇异——那时的引力确实是互相排斥的。这种反引力使太空膨胀得如此之快，以至光速都相形见绌。（爱因斯坦理论不允许物质和能量在太空运行中比光速还快，但是理论没有对空间本身设置这样的限制。）在比兆分之一秒还小得多的时间内，一个比原子还小难以测量的新生宇宙猛然成长成巨大的宇宙，即使弯曲得象长颈鹿气球，它还是大得难以想象，远远超过我们观察范围之外，就是用最好的望远镜，也无法检测到它的任何曲率，这与在地面上看不见地球的曲率非常相象。如果我们的宇宙以这样的方式暴涨，它就显得平滑，但不是真正的平滑。物理学家就不必去找理由来解释它的表象平滑了。

古斯理论对于解释恼人的宇宙常数收效甚微。宇宙常数是宇宙理论中最困难的问题之一。对它可以作这样不严密的表述：常数是停泊在真空中能量的一种度量，它的单位用单位体积的能量数来表示。要记住，量子力学突变性数学允许把空间描述成一个平均值为零的能量场。但它们并不要求那个平均值真正是零。它之所以如此，是不知道原因，而不是物理学家的美学偏爱。在理论上，整个茫茫宇宙的能量级可以围绕一种平均值（正的或负的）涨落。

有些物理学家已经计算出宇宙常数是一个异常大的正值。问题在于，一个大的正常数会引起反引力的作用，使宇宙膨胀快得要把自己撕碎。另一方面，一个大的负常数会使宇宙变成一面游乐宫里的镜子，你可以从窗口朝外看到房子的内部，而房子则在你的身后。古斯和维伦金非常了解，上面说的两种情况都不对。谁都辨别得清，太空直接补织成可观察宇宙，它是贴切的I宇宙显然没有把自己撕碎。这就是说，宇宙常数确实是零或者非常接近于零。

物理学家早就认为期望值和观察结果有很大的差别，某种未知的法则或现象正在使宇宙常数值降低，而且，他们推断，如果有什么因素使常数从本质上可疑的高值降到十分接近于零，那末必须将它降为真正的零。因为按照物理学家的思维方式，零同象0. 000236这样的小数相比，显得更为本质。科尔曼的蛀洞理论提供了一个关于零宇宙常数爱丽丝漫游奇境式的解释。根据推测，在我们的宇宙刚刚诞生之后，小蛀洞以零宇宙常数把它同老宇宙连接起来，让它去窥视那些老宇宙，好让它自己采用与之相同的常数。不过科尔曼的理论让人感觉过分依赖推测，在另外打算矫正这一问题的理论中亦复如此。

既然这样，有些物理学家就竭尽全力去解决这种怪异的事情。他们借助一种非常奇特的论证方法叫人择原理（anthropic principle）。它是说，正是人类的存在，才能解释宇宙的特定性质；否则，它是不可思议的。简言之，如我们所知，假若为了支持生命的可能发展，常数必须有一个特定的值，它不曾有过别的值，否则我们就不会在这里把它理论化了。

这样的推理有些象在逃避，其实不然。即使机会众多，使宇宙能精确地得到那些支持生命所需要的常数，然而搅乱那些机会并不需要特别的科学解释。彩票中奖者也许把他的幸运归功于神灵保佑。但在我们看来，这不过是并无光彩的侥幸。因为毕竟总会有人中奖。我们的宇宙正巧是一个交上好运的彩票中奖者，

对于人择原理的无选择滥用几近重新安排自然法则来适应我们生存的需要。基于此，维伦金从来不是它的崇拜者。“大多数物理学家尽量与它保持距离，我也不例外他说。然而在用多个宇宙作背景时，人择原理有了更多意义，并且避免了这种没有把握的迂回，对于一个宇宙学家来说，预言我们宇宙的特性，等于预言任何一个随机选择的宇宙特性，然后发问，按照理论，这个宇宙有多大可能同我们的宇宙产生的特性相同。（所谓特性，宇宙学家通常指的是基本自然常数 :光速、电子电荷、夸克质量。它们形成物理学的基础，并用来界定我们的宇宙）。宇宙学家们正在仔细研究这样的方程 :它们组成新理论的要素，提出每个常数可能值的范围?方程与钟形曲线一起，指示什么值是可能的，什么值是牵强附会的。

为了使新理论能被认为合格，必须克服物理学家对不近常情的厌恶。它必须预言我们的宇宙不仅可能，而且是可靠的。换言之，每一已知常数必须落在方程产生的值域中部，落在钟形曲线的最佳部分。要不然，如果已知常数落在钟形曲线极边沿，那末物理学家担心理论中遗漏了某种基本的东西，那就只好试着设计更好的方程了。

人择原理帮助减缩掉具有接近于零的宇宙常数的众多可能。在大批所有可能的宇宙中，理应有几个具有绝对的机会使其常数允许生命的滋生。可能宇宙中的大多数不会是这样：有些引力太强，自我消灭了；另外一些引力太小，形不成星体；有些宇宙电力太小，原子难以粘合成分子；另外一些则电力太强，使物质团集得太紧，无法形成恒星，如此等等。然而人择原理指出，我们可以取消任何不支持生命的宇宙。我们不须要考虑它。“一旦你提出，什么样的常数你有望在宇宙中观察到，你就已经提出了一个观察者的问题。”维伦金说。“在这种情况下，人择原理的考虑就是不可避免的了。”

当然，物理学家偏爱去发现造成基本常数精确值的机制，但是人择原理至少能帮助解释何以某些常数看上去有着如此不近常理的值。物理学家S. 温伯格（德克萨斯大学）应用人择原理去解释为什么宇宙常数这么小。他证明，一个大的宇宙常数，不管它是正是负，都要排除我们的存在。一个大的常数要产生势不可挡的反引力，使物质耗散，而不能团集成恒星和星系。如果常数是负的，引力要中止宇宙的膨胀，并使它坍缩。因为我们在这里活着，两种事件都不曾发生，所以宇宙常数一定是有限的，它比并非物理学家所希望的大值要小几万亿倍。当然，这个常数比观察所得的仍然大得多。但它已在正确的方向上迈出重大步骤。

新的重大突破

下一个重大步骤是维伦金采取的。1994年，他阅读理查德 · 道金斯（R. Dodgins）的著作：《自私的基因》。书中论述，成功（一代一代延续下去的）的基因是那些碰巧利用了它们自己有机组织的幸存机会的基因，从而基因也获得本身永存的机会。这纯属幸运。

“我对这一观点的印象很深。”维伦金说。“它促使我考虑人择原理。”尽管从完全不同的领域出发，下面两种意见具有一种类似的选择 :道金斯说，一种基因的存在反映了基因所体现的种种表观机遇作用的全部合理性，与此相似，人择原理说，我们的存在反映了我们的自然常数表现机遇的合理性。

维伦金仔细研究了这件事，然后作出一个独特的转折。温伯格在分析从大量可能宇宙中突然产生我们的宇宙的可能性时，已经应用人择原理缩小机遇的范围，就是不去计算从所有可能宇宙中出现的机遇，只考虑那些可能支持生命的机遇。但是他没有考虑到有些宇宙可能酿造比另一些宇宙多得多的文明。某一个宇宙可能很苛刻，只让生命勉强通过；而另一个宇宙则很丰饶，可能涌现许许多多有生命栖息的太阳系。

维伦金推论，如果是这样，那末一小部分宇宙会造成最大部分的文明。任何随机选择的文明（比如说我们的宇宙），来自那些文明高产宇宙中的某一个的可能性，远大于只有一两种文明的吝啬宇宙。如果你从地球上以兆计的人口中随机选取一个，被选中的他或她，来自人口众多的中国和印度的可能性，远比来自列支敦士登或卢森堡大。这个推理方法也适用于文明和宇宙。

维伦金从这样的深入探讨中得到一个结论：我们的文明很可能是存在于一个丰饶的宇宙之中。“为什么我们要假设我们有某种特殊的东西？”他说。“如果我们喜欢最多种的文明，那末我们大概是生活在一个有许多种文明的宇宙之中。”换句话说，我们的文明没有什么特殊之处。所以，他把这个新的准则称作“平凡原理”（principle of mediocrity）。

平凡原理缩小丁目标。转眼间我们就在寻求宇宙的性质了；这些性质不只是引向生命，而且引向生命的过剩。这些更具限制性的性质是什么？答案将成为预言——在我们的宇宙中我们很可能看到什么？

这些性质中最为重要的原来也是最为简单的，这就是：大小。宇宙越大，生命存在的机会越多。简单的统计学好像表明，我们的宇宙可能是宇宙中最大的宇宙之一。所以我们宇宙性质也一定是那样一些性质：它会产生最大的暴涨，同时支持丰富的生命。

由这些新思想武装起来的维伦金，开始形成关于我们新宇宙条件的结论。这些条件大体都与能量分布的方式有关。这些条件也导致在暴涨的短暂瞬间有几分不同的宇宙图景。尤其是，宇宙很大这个理论条件意味着它的暴涨比过去多数物理学家所想的更慢，花的时间更长（虽然还只是很小的几分之一秒钟）。我们知道，物质开始形成的那个点，在大爆炸后产生的时间比预期的要迟，宇宙弦大概扮演了更主要的角色，帮助物质聚集成团。令人遗憾的是，在用观察结果进行验证时，这些特性中没有一个能够得出唯一的可以证明他理论的结果。换言之，维伦金没有提出一个可测试的预言，直到他决定去考虑宇宙常数。

维伦金认识到，要最终得到一个支持丰富生命的宇宙，宇宙常数就应当落在狭小的范围之内。这对容纳生命和引出高暴涨都是必要的。这样一个宇宙，过大的常数对很好协调的膨胀，其效应是十分敏感的。即使是很小的常数，也可以施加足够的斥力，导致宇宙很快的膨胀 · 使物质过于分散而停止团集。而一个相当小的负常数则可以制止宇宙膨胀，并在生命有发展机会之前，使之坍缩。在这点上，宇宙常数有如吹口香糖泡泡比赛时的气候。你也许能在12级飓风中吹起普通大小的泡泡I但是你在要尽可能吹得最大时，最好确保平静无风。一个巨大的支持生命的宇宙，自我奋斗在暴涨之中，即使是很小的宇宙常数，它的作用也象吹泡泡时的—阵大风。

维伦金得出结论：宇宙常数应该是接近于零——实际上是从0到0. 9之间的某一个值。它是如此接近于零，以致至今它的效应微妙得足以逃避天文学家的测定。尽管科尔曼和其他人都已提出解释零宇宙常数的方法，维伦金的结论却具有精妙而十分重要的特征，他要求常数不是恰好等于零，只是要求它非常小。按照维伦金的理论，证明常数恰好是零，那是不可靠并且荒谬的。

一个小的、非零的宇宙常数是物理学家梦寐以求的那种预言。它与现在的观察结果大部分相符。但它与标准预言不同。所谓标准预言，是指可用它来证明哪一种理论更加正确。最重要的是，有希望在不久的将来，可以用观察结果来与标准预言摊牌。物理学家正在继续努力提高测量宇宙常数的精度I他们希望在几年之内能使测量精确得足以证明维伦金是否正确。维伦金说：“我等着瞧”。

暴涨理论的创始人古斯是期待者之一。他说：“在过去5年中，这个领域内的事情发展得很快，在下一个5年中我们将解决这个问题，这不是不可能的。”古斯没有为结局打赌。他指出了维伦金假设中若干潜在的问题。其中的一个是，人择原理依赖于有许多个可能的宇宙，它们的常数从一个到另一个随机变化，古斯还提出这种可能性：宇宙只有一个，可能常数R有一组；而且我们的存在并不能对它们起支配作用。另外一个可能的纽结是，在一个日益流行起来的暴涨模型中，暴涨永不停止，这正好把宇宙推开，延伸得越来越远。古斯赞成这种假设，即使它可能使平凡原理变得不相干。（维伦金宣称，他能使平凡原理在一个永远暴涨的宇宙中有效。）诚然，古斯承认，单一宇宙也好，永远暴涨宇宙也好，都还没有建立起它们稳固的图景。"如果物理定律允许有许多型式的宇宙，而且它们不是永远暴涨的，那末平凡原理看来具有实质意义。”

如果维伦金在宇宙常数上的意见正确，那末宇宙学会更加支持去面对别的难于测试的预言；那些预言是平凡原理的推论，比如宇宙弦的存在，也许在测量验证的鼓励下，还要用这个原理去诱导出更多的预言。

小 结

自从哥白尼拆除了地球的“支架”之后，人类中心说已经走向衰落。现在，维伦金说，我们的宇宙竟然是许多宇宙中的一个，宇宙法则是平凡的。

维伦金理论是建立在古斯暴涨论观念之上的；面对科尔曼蛀洞观念来说，维伦金没有相承关系，他对宇宙学所提供的又是一种新的选择。

[Discover，1996年2月]