第七部分 迈向已知世界之外的第一步 第4章一片尚未被探索的现实

正如你现在所知道的,我们整个可见宇宙是一个半径为一百三十八光年的球体。在这么巨大的尺度上,我们所注意到的第一个图景是沐浴在气体与暗物质,以及更本质的各种量子场之中的巨大纤维状星系群。在那么远的地方我们无法直接看到它们,但它们能被感受到。它们是构成我们可见宇宙的物质。它们是希格斯场,希格斯场让所有能够拥有质量的东西拥有了质量。它们是暴胀场或者说暗能量,抵消了引力的作用,让宇宙膨胀发生得越来越快。

还有引力本身,将所有一切都拉得与其他一切更近。

你就在外面,看着这一切,现在你开始放大。

现在你已经能够看到星系,以及它们所包含的几千亿颗恒星。在它们的中心,质量巨大的黑洞喷射出你所能看到的最高能量的光线与质量。你看到了暗物质的存在。你看到这些暗物质防止了星系因自身的转动而将自己撕得四分五裂。

继续放大。

现在你已到达了恒星的尺度,那些巨大的火球包含着炽热的等离子体,发射出光芒,我们人类就是依靠这种光芒来探索遥远的宇宙。

接下来看到的是行星,这些球状世界体积过于渺小,无法成为恒星。

比行星更小的是小行星、彗星以及我们星球上一百公里厚的大气层之下所存在的各种生命。

然后是微生物、细胞、分子、原子、电子与光子、质子与中子、夸克与胶子。

再放大。

你已回到了量子场的世界。

在这里,引力已被各种量子作用力所盖过。

你接着放大,然后停了下来。

你还记得量子场的问题出在哪里吗?你还记得重正化——那个被量子理论物理学家用来消除纠缠他们的无穷大的戏法吗?你还记得以看待量子场的方式看待引力所带来的完全失败吗(因为那个在量子场的例子里大获成功的手法在这里无论如何都无法消除无穷大,因此令时空在任何一点都发生崩塌)?我们现在需要找出一种方法来消除这个无穷大。在这一幕的背后,你将看到我在上一章结尾处提起的那扇通往一个巨大全新现实的窗户。你现在很快就要穿过这扇窗户了。但首先我们需要去除这些讨厌的无穷大。

我们应该如何完成这个任务呢?让我们来看看,对于时空我们到底了解些什么。我们知道二十一世纪初对它的描述有着自己的极限。在非常大的世界里,这个极限发生在大爆炸之前的某处,在暴胀期之外,宇宙处于普朗克时期的地方。就空间和时间来说,这个极限位于我们现在所在的一百三十八亿光年之外。

在非常微小的世界里面,同样的极限依旧存在。发生在所有地方。

对着任何东西不停放大,或早或晚,你会到达普朗克尺度。

除非有什么东西阻止你到达那里。

因为霍金对于黑洞的研究,我们已经知道就算引力也无法逃脱量子效应,这种量子引力的确存在,虽然我们尚未了解在它统治的世界里这到底意味着什么。

在非常巨大的尺度与非常微小的尺度上,都存在着我们探索的极限,这个极限来自普朗克尺度。

在实验室中,有任何实验曾经到达过这种大小、能量或时间极限吗?

没有。至今一个都没有。那个极限实在太微小、实在太高能、实在太高速了。直到今天,这不仅是理论上的极限,更糟糕的是,这同时还是实际上的极限,因为没有人事实上能到达这个极限。

为什么?

因为在这过程中会产生一个普朗克尺度微小的黑洞,我在本书上一部分的最后已经提到过。为了探索黑洞之外的现实,我们需要输入更多能量,更多波长越来越窄的光,希望从中反射回来什么东西进入我们的眼睛,向我们揭示它所隐藏的秘密,但这不会发生。黑洞将会吞噬这些光,让自己变得更大,将量子引力隐藏得更深。换句话说,按现代知识和技术,普朗克尺度之外的世界是无法探测的。

那我们还有什么可做的?

我们可以试图变得更聪明一些。

比如,我们可以假设任何东西都无法阻止量子引力(或其他什么新的物理学)在到达普朗克尺度之前一直发挥作用。

我们有最现代最强大的粒子加速器,对天空观察能加以最好的利用,理论物理学家们颇有信心地说,从最宏大的尺度到最微小的尺度,他们已经了解了自然界。在那里,所有的量子场都融合成一个,那是一个大统一场的尺度。到达这个尺度所需要的能量大概是普朗克能量的百分之一。显然,这依然是一个很大的能量。它所对应的温度大约是十万亿亿亿度。但它并不是普朗克极限。

现在,你大概依然记得能量与体积是相关的:波的能量越高,相邻两个波峰之间的距离就越短。因此,普朗克能量的百分之一的确对应于一个很微小的世界,只是普朗克长度的一百倍。

这就意味着我们现在有一个尚未被认识的现实世界,它的尺度是从一百个普朗克长度到一个普朗克长度之间。

从实验上说,没有人知道在那里会有什么发生。

当理论物理学家面对实验空白时,我们不妨这样想象一下他的感受:假如你的视力只有一米的分辨率,想象一下你看到的这个世界会是什么样子。

通常情况下,你能以相当高的分辨率观察世界,你可以看到比人类头发丝还细很多的物体,但现在你却无法分辨任何尺寸小于一米的物体。你在观察周围环境时将无法看到任何细节。你甚至无法看到身边的婴儿。直到孩子们长到一米高,他们才突然出现在你面前……

我并没有说可能有某个婴儿身高不足一百个普朗克长度,但我们的确无法知道自然会把什么东西隐藏在那个尺度里。而且我们的现实正根植于非常微小世界的某个地方。因为这是构建我们世界的本质所在,也是构建我们自己的本质所在。因为至今没有实验探索到这个尺度,很可能在到达普朗克尺度之前,那里的时间与空间就开始与我们日常所感知的时间与空间产生不同。同样可能的是,正因为如此,引力、物质和光的本质在那里就已发生变化,甚至是非常巨大的变化。

比如,很可能它们都融合成一个概念。

到现在为止,你看到的大多是已知的知识。

然后,你看到了这些已知的知识所产生的问题。

你现在将要远远地超越这些已知。

我们将假设这些都是真实的,这样你才能穿越这个旅程,但你要记住,接下来的这一切都还只是纯理论。

这依然是我们这个时代一些最聪明的人通过几十年的努力所带给你的图景。

  1. 二〇一五年六月,位于日内瓦附近的大型强子对撞机达到的能量刷新了所有的纪录,让我们的认知几乎提高了一倍。但我们还得等上一两年,才有可能确认是不是真的有突破。​​​​​

《极简宇宙史》