第19章 宇宙永生？

《三体Ⅲ》一书的副标题是“死神永生”，这是为什么？一方面，“万有引力号”飞船广播了三体星的位置，三体星在不到四年间被光粒摧毁，因为三体星中的一颗恒星被“质量点”光粒所摧毁。太阳系的坐标也被暴露了，处于太阳系中的人类文明最终被拥有“神一样”智慧的“歌者”用二向箔所摧毁。宇宙中不同的文明就是这样互相攻击的，二向箔到处都在用，这也被“万有引力号”飞船和“蓝色空间号”飞船在四维空间中看到的“墓地”所证实。宇宙中到处都在降维，文明之间的战争将本来十一维的宇宙逐渐降到三维再降到二维。死神永生，大概就是这个意思。

刘慈欣预言，在宇宙开始之后的170亿年，程心和关一帆旅行到宇宙的时间尽头，他们进入了云天明赠送的小宇宙。可是，不久他们就收到了大宇宙的广播：

程心和关一帆平静下来后，仔细阅读信息的内容，两种语言书写的内容是一样的，很简短：

回归运动声明：我们宇宙的总质量减少至临界值以下，宇宙将由封闭转变为开放，宇宙将在永恒的膨胀中死去，所有的生命和记忆都将死去。请归还你们拿走的质量，只把记忆体送往新宇宙。

程心和关一帆把目光从回归运动声明上移开，相互对视着。从对方的眼睛里，他们看到了大宇宙黑暗的前景。在永远的膨胀中，所有的星系将相互远离，一直退到各自的视线之外，到那时，从宇宙间的任何一点望去，所有的方向都是一片黑暗。恒星将相继熄灭，实体物质将解体为稀薄的星云，寒冷和黑暗将统治一切，宇宙将变成一座空旷的坟墓，所有的文明和所有的记忆都将被永远埋葬在这座无边无际的坟墓中，一切都永远死去。

为了避免这个未来，只有把不同文明制造的夫量小宇宙中的物质归还给大宇宙，但如果这样做，小宇宙中将无法生存，小宇宙中的人也只能回归大宇宙，这就是回归运动。

当然，程心、关一帆和智子都回到了大宇宙。因此，《三体Ⅲ》的结尾是光明的，宇宙永生。

宇宙的终极来源

人到底有无可能创造小宇宙？如果能，我们是否能够进人我们创造的宇宙？我们所在的这个宇宙到底是自然生成的，还是别的智慧创造的？最后，有没有这样的可能，我们这个宇宙并不是真实的存在，而是像电影《黑客帝国》中描述的那样，是虚拟世界？

为了回答这些问题，物理学家和天文学家已经花费了巨大的精力和物力研究了至少40年，提出了很多理论。遗憾的是，直到今天，我们仍然无法在这些理论中作出一个大家都认同的选择。

我们在第五章《宇宙的生与死》中谈到了暴涨宇宙论，这个理论的主要预言已经被近20年的宇宙学观测——特别是微波背景辐射的观测——所证实，也许在不远的将来就会被毫无异议地证实，例如这个理论所预言的宇宙最初一刻发出的引力波被观测到（2014年3月一个美国观测小组声称观测到了），提出这个理论的古斯的成就也许将被诺贝尔物理学奖所肯定。

然而，宇宙学的终极问题之一是，宇宙暴涨的起源是什么？在短到10 ^-32 秒的暴涨期之前，宇宙是什么样子？回答这个问题，是回答前面几个问题的基础。

下面，我们从众多理论中挑出几个来介绍给大家。

轮回说

首先，我们要提到与佛教轮回相似的循环理论。佛教中的轮回说，不同的人有不同的理解，哪怕是学佛的人，解释也很不同。有的人会说，轮回一个循环很快，就像莫言的小说《生死疲劳》中的那个主角，一世为人，是个不幸的地主，被枪毙，后来一世为驴、一世为牛、一世为猪、一世为狗、一世为猴，经过了六道轮回。这是普通人眼中的轮回。再看“正统佛教”中的六道，是天道、人间道、修罗道、畜生道、饿鬼道、地狱道，和莫言的说法又不一样。无论如何，六道轮回的说法肯定是一种对普通人的道德警戒，警戒要起作用，轮回的周期就不能太长，所以这种轮回与宇宙的生与死没有关系。但佛家也有天地成败的“劫”，一劫到底有多长？有一种说法，劫波（kalpa）来自早于佛教的婆罗门教，一劫大约是四十三亿二千万年，虽然比现在的宇宙年龄短，却是一个量级的。其他说法都是百万年量级的，太小。

宇宙学家早就提出过类似佛教轮回说的宇宙膨胀-收缩-反弹再膨胀-再收缩……的说法，这种说法给宇宙起源提供了一个理由：宇宙在大爆炸之前是另一个宇宙，在另一个宇宙之前还有一个宇宙，等等，如此前溯无穷无尽。

假设我们前面的一个宇宙在膨胀到一定时候开始收缩，这需要什么条件？从爱因斯坦方程看，膨胀转为收缩的时候，宇宙的膨胀速度等于零，这需要宇宙中的能量密度被另一个项抵消，从而使得宇宙膨胀速度为零，空间的曲率项恰好能够提供这一项，而且，空间曲率必须是正的。无论宇宙是在膨胀还是在收缩的时候，能量密度这一项比空间曲率这一项要大，至少不能小，否则爱因斯坦方程不成立。在宇宙膨胀的时候，只要能量密度减小的速度比空间曲率减小的速度要大（后者总在减小），到了某个时刻，两项变成一样大，宇宙的膨胀速度就变成零了，然后才可能从正变成负。一个负的膨胀速度自然就表示宇宙开始收缩（半径越来越小）。

在宇宙收缩的时候，空间曲率项变得越来越大，同时能量密度也变得越来越大。如果宇宙收缩只是宇宙膨胀的反演，那么，当宇宙半径收缩到零的时候，变成了大坍缩，另一个宇宙奇点就出现了，我们就会像无法解释宇宙的起源一样无法解释宇宙的结局。可是，聪明的宇宙学家们可以发明很多种可能。其中一种可能就是，当宇宙收缩到一定程度的时候，能量密度因为某种原因不像我们预期的那样增大得总是比空间曲率项快，而是变慢了。在宇宙半径达到一个极小值却不为零的时候，能量密度变得和空间曲率项一样大，这样，宇宙收缩的速度也变成零了，在这个节点上，宇宙开始反弹膨胀，这就是我们这个宇宙的大爆炸。

学术上，宇宙学家将这一类宇宙模型命名为反弹模型以及循环模型，大爆炸不过是大坍缩的反演，宇宙有一个极小半径。这类模型要求空间曲率是正的，也就是说，空间是一个三维球面，这样，至少我们所居住的宇宙是有限的，虽然时间无穷无尽。

在暴涨论成为主流理论之后，人们需要修改这一类模型，使得在大爆炸时出现一个暴涨时期，那么，大坍缩未必就是大爆炸的时间反演，在大坍缩的过程中，未必会出现一个能量密度几乎不变时期，而宇宙暴涨期能量密度确实是几乎不变的。

永恒暴涨论与多元宇宙

这是一个在过去十几年中非常流行的理论。

我们在第五章中介绍暴涨理论的时候，只提到了鼻祖古斯，却没有提暴涨论最忠实的信徒、有力的研究者林德。暴涨论只是一个概念，具体模型有很多，而林德是现在很多流行暴涨模型的提出者。

古斯最初提出的模型有这样和那样的缺陷，林德紧接着提出了可以避开那些问题的新模型，叫作新暴涨论。当然，今天我们谈论的暴涨论其实是林德的暴涨论，我们不再用新旧来区分这种模型了。

1983年，林德提出了一个令人非常吃惊的想法，他认为暴涨的起源几乎无所不在，他将这个模型命名为混沌暴涨论。在这个模型中，驱动暴涨的是一个永远在做量子涨落的场。当这个场涨落到一些地方使得场所含的能量足够大时，暴涨就发生了。例如，即使在我们现在这个安静的宇宙中，这个场也无时无处不在涨落，万一它涨落出一个足够大的能量密度，那个区域就会发生暴涨，从我们这个母宇宙中产生一个小宇宙，那个小宇宙剧烈地膨胀，很快，一个崭新的大宇宙就从我们这个母宇宙中产生了。

我们是否可以说，程心进入的小宇宙就是这样产生的呢？当然不能，因为他们进入的那个小宇宙实在太安静了，没有什么剧烈的膨胀发生，简直就像从我们的大宇宙中移植过去的一个花园。

在混沌暴涨论中，新的宇宙不断产生，暴涨永不停止，而暴涨的真实起源是量子涨落，所以这个模型又叫永恒暴涨模型。如果世界真是这样的，那么，在我们这个宇宙之外，应该还存在很多很多大大小小环境完全不同的宇宙。

宇宙之外还有宇宙，每个宇宙不仅大小不同，年龄不同，甚至连物理规律也可以不同。这样的宇宙图景，叫多元宇宙。

多元宇宙理论当然解决了宇宙起源的问题，我们所在的宇宙不过是大大小小众多宇宙中的一个，它和其他所有宇宙一样，都是量子涨落的结果。

多元宇宙论还利用人择原理来“解决”一个看上去有趣却很难的问题：我们这个宇宙中的很多物理学常数为什么被微调成有利于生命和智慧的产生？确实，有些物理学常数只要稍有不同，人类就不可能存在。例如，如果电子电荷比现在大一倍，一些重元素就不可能存在，因为那些原子核中的正电荷太大导致原子核不能形成。而某些重元素是碳基生命的必需品，例如碘和硒。电子电荷也不能太小，否则一些复合化学物质也不会存在。

当然，最终检验永恒暴涨和多元宇宙论的方法不是什么人择原理，而是实验和观测。到目前为止，物理学家还没有发现我们的宇宙并不孤独的任何证据。

从无到有

这是霍金一直引以为傲的理论。

霍金在《大设计》中非常详细地介绍过这个理论，并以这个理论为基础声称他能够证明上帝是不存在的，结果引起了宗教界人士的反对。这是一个什么样的理论，居然能够排除上帝？

牛顿在试图解释太阳系起源的时候，最后将地球和其他行星的绕日运行归结为第一推动。事实上，在整个牛顿体系中，因果律是最为普遍的，一个原因只导致一个结果，相反也成立，因此我们从现在可以倒追过去，一直追溯到再也无法进行下去的时候。在牛顿时代，宇宙是静态的，我们自然只能问永恒的太阳系是否有一个开始，如果有，这个开始是谁设定的？在现代宇宙学中，我们只能问，在暴涨期开始的时候，宇宙的状态是怎么来的？所有这类问题，问的是初始条件的来源。

1983年，霍金和美国物理学家哈特尔一同提出了宇宙的无边界理论，在这个理论中，宇宙是从“无”生成的。也就是说，并不存在一个初始条件，如果这个初始条件存在的话，也是物理学规律本身所决定的。

这种想法当然超越了牛顿的决定论理论所能应付的范围。在决定论体系中，初始条件完全独立于运动规律，所以人们才会不断地去问，为什么开始的时候是那样的。可是，在量子理论中，有一种特殊情况，波函数的初始值并不是人为给定的，而是由自洽条件决定的。

在量子力学中，任何一个系统的状态都是由一个波函数决定，而不是固定的经典状态。波函数只能告诉我们这个系统处于各种状态的概率，虽然这个系统不再存在一个固定的历史，但波函数本身存在一个历史，只不过一个波函数只能告诉我们这个系统各种状态的概率。美国物理学家费恩曼将系统的历史总结成多历史的数学形式：这个系统同时经历过各种不同的历史，到达目前的状态之前，事实上它同时通过了各种不同的历史。图19-1演示了一个粒子的多历史情况。

图19-1

其中，B是终点，现在，A是过去，过去的某个时刻。我们看到，即使要求我们知道粒子现在状态B的概率，我们也需要知道它在过去一个时刻处于A状态的概率。因此，费恩曼多历史图像并不能解决初始条件问题。

如果我们将多历史图像推广到整个宇宙，情况会如何？同样，宇宙现在处于什么状态的概率，取决于大爆炸开始那一刻处于什么状态的概率。哈特尔和霍金如何绕过这个问题？他们假设，宇宙在空间上是闭合的，那么，宇宙在大爆炸那一刻就是一个奇点，真正意义上的点。我们知道，将整个空间收缩为一个点，这个空间的历史其实都归结到一个点的状态，这个点的状态可以任意，只要在数学上，这个状态是连续演变的。这样，他们就不必再问初始条件问题了。读者会反问，如果初始的空间不是一个点，这个空间上的状态不也是可以任意的吗？为什么一个点是特别的？回答是：如果初始空间不是一个点，我们还需要对空间上各种不同的状态给一个概率，如果空间收缩为一个点，这个点上状态的概率就直接被费恩曼多历史的数学形式给出了。就这样，哈特尔和霍金逃避了初始条件问题。

永恒的主题

我们还可以举出更多解决宇宙起源的方案，所有这些方案都可以写成一本书。

哈特尔-霍金的宇宙从无生成论曾经占据了宇宙学家视野整整20年，直到多元宇宙论出来取代它的主导地位。而多元宇宙论的出现又与宇宙加速膨胀即暗能量的发现密不可分，这是因为宇宙学家要解释宇宙为什么是这样的，暗能量为什么这么大，这样，就自然想到宇宙不一定是这样的，在我们的宇宙之外还存在其他宇宙。多元宇宙的基础是永恒暴涨以及弦论中的各种不同宇宙的可能性。

其实，弦论不仅派生出多元宇宙论，还派生出另一个不那么主流的理论，即永恒振荡的膜。我们在第九章中提到过弦论中的膜，弦论的最后推广叫膜理论，在膜理论中，存在各种各样的膜，最简单的膜是零维的，也就是粒子。其次是一维的膜，也就是弦。比弦高一维的是两维的膜，就像肥皂膜一样，但膜理论中的膜比肥皂膜可要结实多了，这是由其强大的张力决定的。比两维膜再高一维的是三维膜，我们所在的宇宙就是三维的。在膜理论中，有这样两种可能：一种可能是，我们的宇宙还存在其他看不见的微观的空间维度，整个世界其实是高维的，只不过我们感觉不到，我们身\_体中的粒子无时无刻地在高维中运动；另一种可能是，我们的三维空间不过是浸在高维空间中的一个膜，这很像《三体》一书中“蓝色空间号”飞船和“万有引力号”飞船上的乘员看到的情景。不过，在膜理论中，三维膜中的任何物体都是不可能脱离三维膜跑到高维空间中去的，我们被“囚禁”在三维膜上。

如果膜理论正确，那么，很有可能，我们的宇宙就是一个维度更高空间的宇宙中的一个膜，它在这个更大的宇宙中飘浮着。那么，我们就要问，我们的三维膜的大爆炸是怎么来的？宇宙现在为什么会膨胀？

美国物理学家斯坦哈特和英国物理学家图拉克提出，如果在我们的三维膜之外还存在另一个平行的三维膜，就可以解释大爆炸。在他们的平行三维膜理论中，不仅大爆炸得到了解释，暴涨也得到了解释。

在大爆炸发生之前，我们的三维膜在向另一个平行的三维靠拢，如下页图19-2所示。

图19-2

两个三维膜之间存在吸引力，这个力的起源类似万有引力，只是形式有些不同。膜之间的吸引力以及膜的本身质量导致两个膜在靠拢的过程中膨胀，当它们非常靠近时，这种膨胀变成暴涨，这是平行膜理论的暴涨期的起源。

在膜与膜发生极短的暴涨之后，两个膜碰撞了，碰撞的能量完全转化为物质，这是热大爆炸的发生。热大爆炸就是两个膜的碰撞，碰撞之后，两个膜又开始分开，但总存在着一定的吸引力，这个吸引力对我们这个膜产生的影响比起物质产生的能量导致的宇宙膨胀效应要小得多，这就是为什么在宇宙大爆炸模型中我们看不到另一个膜存在的原因。

此后，就是我们所熟悉的正常的宇宙演化史了。斯坦哈特和图拉克模型的与众不同之处在于，我们的宇宙不会像现在这样永远冷却下去，很多亿年之后，两个膜在高维空间中的吸引力又开始占据上风，两个膜结束了相互离开的过程，又开始相互靠拢，与循环宇宙论不同的是，两个膜在靠拢的过程中，宇宙继续膨胀，不会发生收缩。当两个膜靠得足够近时，下一轮的暴涨又发生了，接着是两个膜的碰撞和新的热大爆炸。宇宙就这样循环往复地继续下去，斯坦哈特和图拉克也将他们的理论称为循环宇宙模型。

我们看到，宇宙学家在过去几十年中不断地提出新的模型，用以适应宇宙学的新发现。当然，宇宙学家们不会满足于现状，可以想见，在未来的几十年中，随着新的宇宙学观测的展开以及新发现的出现，宇宙学家还会不断地提出新模型，修正过去的老观念。我相信，今后20年还将是宇宙学的黄金年代。

我们能制造小宇宙吗？

我们到现在还没有回答这一章开始时提出的问题，我们能够像云天明那样，在实验室中制造出一个小宇宙，然后送给我们所爱的人吗？

暴涨论的发明人古斯就研究了这个问题，但并没有确定的结论。他倒不是像刘慈欣那样对制造宇宙感兴趣，他感兴趣的依然是那个老问题——宇宙在暴涨发生之前到底处于什么状态？

古斯发现，如果将暴涨不断地向前推，宇宙还会遇到一个空间奇点，这个奇点避免不了。于是，他换了一个问题——如果我们在实验室中制造一个会发生暴涨的宇宙，我们该怎么做？

当然，我们可以设想在实验室中的某个非常小的空间中聚集巨大的能量，然后利用这个能量制造一个空间虫洞，在虫洞的另一端，是我们制造的小宇宙。因此，即使那个小宇宙发生暴涨也发生热大爆炸，我们的实验室也是安全的，不会被炸掉，原因是，小宇宙不在我们的宇宙中，而是通过虫洞和我们的宇宙相连。见下页图19-3。

图19-3

但是，古斯在研究中发现，只要我们希望小宇宙发生暴涨，那么不可避免的是，我们在实验室中准备初始能量时，必须制造一个空间奇点，这是物理学所不允许的。

当然，我们会想到林德的永恒暴涨模型。在那个模型中，存在一个场，这个场的量子涨落不小心就会在母宇宙中产生一个发生暴涨的小宇宙。因此，解决古斯奇点问题的办法可能还是利用量子论，就像人们在量子论出现之前试图解决原子问题一样，经典理论是无能为力的。

在一个完整的量子永恒暴涨理论出现之前，我们无法判断是否能够在实验室中制造小宇宙，并让小宇宙发育成大宇宙。

与宇宙创生息息相关的是，宇宙将如何结束？我们在第五章中也探讨过这个问题，要回答这个问题，我们必须对暗能量以及暗物质的本质有更多的了解。我个人打的赌是，再过10年或20年，我们将发现暗能量是变化的，且密度越变越大，最后，我们的宇宙死于大撕裂，但是，更多的宇宙将在大撕裂后诞生。

且让我们相信，宇宙背后的力量是神奇的，它将会让宇宙生生不息下去。

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