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哈勃超深空圖（圖片來源：維基百科）
撰文 徐一鴻（A. ZEE）翻譯 喬輝 2016年8月24日，天文學(xué)家在距離太陽最近的恒星——比鄰星——周圍發(fā)現(xiàn)了一顆行星。該行星體積和地球相當(dāng)，并且與比鄰星的距離合適，恰好允許液態(tài)水存在。 事實(shí)上，目前天文學(xué)家經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)可能支持生命存在的系外行星。然而，這顆行星的發(fā)現(xiàn)更加令人振奮！這是因?yàn)樗嚯x地球僅4.25光年。如果我們能夠制造出以光速10%飛行的星際飛船，那么僅需花費(fèi)40多年就可抵達(dá)！ 鑒于銀河系內(nèi)驚人的恒星數(shù)量，至少上達(dá)數(shù)千億顆，更不用說整個(gè)宇宙中了。因此，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為宇宙中充斥著大量的外星生命。然而，目前最大的未知是，智能生命出現(xiàn)在支持生命的行星上的概率有多少。 為了便于討論，我們在此假定：地外智能生命廣泛地存在。 理論上而言，現(xiàn)在隨時(shí)都有可能發(fā)現(xiàn)地外智能生命。如果發(fā)現(xiàn)了地外智能生命，這絕對是人類歷史上最大的事件。尋找地外智能生命，是一個(gè)共同努力的終極目標(biāo)，且非常有趣。我打算今后在《賽先生》的新專欄中進(jìn)一步探討。在此，我想先詢問一個(gè)更宏大、可能更令人興奮的問題。 宇宙，可能自我創(chuàng)生，或者是被某種實(shí)體、某種存在、甚至某種理論所創(chuàng)造。為了避免與宗教權(quán)威有所糾葛，我們不為宇宙創(chuàng)造者設(shè)定任何可能的特質(zhì)，只給予它們創(chuàng)造宇宙的能力，并稱它們?yōu)椤案哽`”（Superior Beings）。 那么問題來了，在已知的物理定律范圍內(nèi)，“高靈”是如何為所有的智能生命發(fā)送信息的呢？ 十多年前，Steve Hsu[1]和我就這個(gè)問題開展過討論[2][3]。我們從不推測“高靈”的特質(zhì)，也不推測宇宙有多大概率是它們啟動(dòng)的[4]。我們只問：如果“高靈”想讓我們知道宇宙是有意地被創(chuàng)造的，那么它發(fā)送信息的載體和內(nèi)容是什么呢？ 說到信息，我們必須區(qū)分信息載體和信息內(nèi)容。 我想強(qiáng)調(diào)的是，這完全是個(gè)嚴(yán)肅的科學(xué)問題，雖然帶有揣測性成分，但仍可以在當(dāng)代物理的大框架內(nèi)給出答案。 大眾媒體上經(jīng)常充斥著從哪里能夠找到這些信息的建議。舉一個(gè)例子，有人認(rèn)為這種編碼的信息存在于人類基因組中。我們認(rèn)為，既然人類可能不是一個(gè)多么特別的物種，因而所謂“上帝的神指”應(yīng)當(dāng)不會(huì)在人類進(jìn)化的某個(gè)過程中對其基因組序列進(jìn)行重組。更荒謬的是，在美國有些持有某種特定信仰的人認(rèn)為，上帝的懿旨可能編碼在了“大峽谷”的石頭中，這種說法簡直太無語了。 稍微復(fù)雜一點(diǎn)的說法是，這種信息可能深入隱藏在圓周率的數(shù)位中或某種迷人的數(shù)學(xué)構(gòu)造里，例如黎曼zeta函數(shù)。但是，我們?nèi)匀粵]有辦法知道各個(gè)外星文明是如何處理數(shù)學(xué)的。也有一說，信息是隱藏在素?cái)?shù)序列中的，但是外星文明不見得對素?cái)?shù)感興趣[5]。 另一種物理上的可能性是，信息被隱藏在了量子電動(dòng)力學(xué)“精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)”中或其它物理參數(shù)里。且不說精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)在不同能量下測得的數(shù)值不同[6]，從實(shí)驗(yàn)上考慮，任何常數(shù)都很難測量到105比特的精確度。（注：以下會(huì)簡述105的意義）。 好，既然對上述這些可能性我們不以為然，那么，我們的觀點(diǎn)是：如何對信息載體做出選擇。 如果是我創(chuàng)生了宇宙，并且想要宣布這件事，那么我會(huì)理所當(dāng)然地想讓全宇宙中的高等文明（注：例如，基因組序列是針對碳基生命而言，或許并不普遍）都知道，而不僅僅只局限于銀河系內(nèi)。我們相信，信息的載體必須獨(dú)特，而在已知的物理框架內(nèi)，僅只有一種選擇：即利用宇宙微波背景輻射( Cosmic Microwave Background Radiation)。 對宇宙微波背景輻射不是太熟悉的讀者，在這里我簡要解釋一下。大爆炸后不久，膨脹的宇宙冷卻到夸克能夠形成質(zhì)子和中子的溫度。此時(shí)，大爆炸初期那些奇異的粒子消失了，只剩下電子、光子、質(zhì)子以及中子了。帶負(fù)電荷的電子與帶正電荷的質(zhì)子相互吸引，試圖形成電中性的氫原子，但周圍的光子還沒有冷卻下來，只要看到氫原子形成，這些高能光子就把它們重新拆散成電子和質(zhì)子[7]。隨著宇宙的繼續(xù)冷卻，光子的能量變得越來越低，直到再無力拆散氫原子。瞬間，宇宙中到處亂竄的電子和質(zhì)子結(jié)束了單身生活，結(jié)合成了氫原子。 （作圖：Stella Zee） 這是我們宇宙演化史上的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[8]，稱之為“解耦合”（Decoupling），意思是說，光子不再與電子、質(zhì)子耦合在一起。此時(shí)，光子與氫原子的電磁相互作用，比之前光子與電子或質(zhì)子的電磁相互作用弱了很多。 許多讀過通俗物理書籍的朋友，在這里常常產(chǎn)生疑惑。他們會(huì)問：“光子與周圍的原子不發(fā)生作用嗎？” 是的，以人類的標(biāo)準(zhǔn)，它們的確經(jīng)常發(fā)生相互作用。在日常中，光子與原子的互動(dòng)正是形成我們視覺的基礎(chǔ)：光子進(jìn)入我們的眼睛，與視網(wǎng)膜上的原子和分子發(fā)生相互作用。但是，光子-原子的相互作用比起光子-電子，或光子-質(zhì)子的相互作用，幾乎少得可以忽略不計(jì)。況且，宇宙中光子的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子和質(zhì)子的數(shù)量[9]，即使有一小部分光子與新形成的原子發(fā)生作用，絕大多數(shù)光子仍不受原子的碰撞而自由馳騁。 我們知道，經(jīng)歷“解耦合”事件，千古萬年，宇宙仍持續(xù)冷卻，光子的能量進(jìn)一步降低。目前，那些光子，大部分已與宇宙中組成物質(zhì)的原子“解耦合”，也就是說不再發(fā)生關(guān)聯(lián)，而其能量越來越低。現(xiàn)階段的能量水平僅相當(dāng)于微波爐中光子的能量（注：一個(gè)普遍的誤解是，微波爐中的輻射一定相當(dāng)強(qiáng)，因?yàn)樗軌蛴脕頍妥鲲?。其?shí)，這是由于微波爐輻射中包含大量光子的原因，而微波中每個(gè)光子的能量相較于可見光的光子能量非常微小。）而這些從'解耦合'后剩余的光子，形成了宇宙微波背景輻射。 宇宙微波背景輻射，就像一個(gè)在天空中巨大的布告板，全宇宙的智能文明都能夠看到[10]。 在“解耦合”時(shí)期中，宇宙各區(qū)域的溫度不可能絕對相同。量子漲落就會(huì)導(dǎo)致不同區(qū)域在溫度上出現(xiàn)的微小差異[11]（注：僅有十萬分之一的差異），且這種差異性是能夠探測到的。因此，我們提出，一種普適性的信息是可以隱藏在這些溫度漲落的統(tǒng)計(jì)關(guān)系中的[12]。 宇宙微波背景輻射的圖像相當(dāng)于宇宙嬰兒期的照片，其中不同的顏色代表不同的溫度區(qū)域。 宇宙微波背景輻射全天圖（圖片來源：維基百科） 下一個(gè)問題是，信息的內(nèi)容應(yīng)該是哪方面的呢？我們想過許多可能性，最后我們認(rèn)為，任何智能文明都有能力探測宇宙微波背景輻射，而且應(yīng)該都能夠知道四種基本相互作用中的三種——電磁相互作用、強(qiáng)相互作用、弱相互作用——受到規(guī)范理論的支配，基于一些基本李代數(shù)[13]。 因此，我們建議，其中隱藏的信息應(yīng)該是一則簡單的公告：“嘿！宇宙是受規(guī)范理論支配的，而相關(guān)的代數(shù)是這般這般等等?！?/p> 數(shù)學(xué)上而言，李代數(shù)是由嘉當(dāng)矩陣唯一決定的，但對于我們的目的來說，它僅僅是一個(gè)幾乎為零的序列數(shù)，零星散布著2’s或?1’s，以便于利用相對較少的比特來進(jìn)行編碼。 我們進(jìn)一步估計(jì)，利用宇宙微波背景輻射的溫度漲落來編碼的信息量，不會(huì)大于105比特。如此，能夠足夠地[14]給出前幾十個(gè)嘉當(dāng)矩陣，以建立編碼所需的模式，以期最終的結(jié)果能夠指定規(guī)范代數(shù)的使用，以及夸克和輕子是如何在規(guī)范代數(shù)下表現(xiàn)的。 當(dāng)然，這僅是個(gè)建議?；蛟S我們的科學(xué)發(fā)展仍不夠先進(jìn)，所以不足以猜讀出宇宙布告上的信息。打個(gè)比方，超弦理論學(xué)家或許會(huì)說，這個(gè)信息是告訴我們，哪個(gè)是正確的超弦理論，假設(shè)超弦理論是對的。 總之，在宇宙微波背景輻射溫度漲落中，有很大可能可以揭示出“高靈”留下了什么信息給我們。在我的書《可怕的對稱》中，我更喜歡使用“終極設(shè)計(jì)師”( Ultimate Designer )這個(gè)詞。而這種可能性，是迷人又有趣的。 那么，即使看到了隱藏的信息，我們的討論仍不需要涉及“高靈”是否具有神性的特質(zhì)[15]。我自認(rèn)為一個(gè)最貼切又有趣的情節(jié)是：我們的宇宙，可能是多重宇宙中的一個(gè)高中生完成的學(xué)校指定的科學(xué)作業(yè)[16]。他、她或它，像小孩般天真地玩著“螞蟻農(nóng)場 ( ant farms ) ”的游戲，在這樣的狀態(tài)下開啟了各層宇宙的創(chuàng)造，然后一個(gè)接一個(gè)，無心地把它們藏放在地下室、車庫或是衣柜間的某個(gè)地方，連父母也礙不著！或許至今，此“高靈”或“終極設(shè)計(jì)師”，他、她或它，對自創(chuàng)的這些宇宙失去了興趣，也忘記了，任其自生自滅。因而有些宇宙膨脹，有些塌縮，沒有目的和意義。但是，仍可能會(huì)有蛛絲馬跡的信息，留給宇宙中的居民。 另一方面，這位“高靈”或“終極設(shè)計(jì)師”可能是個(gè)滿臉青春痘的高中生，或許住在一個(gè)有神論的另一層宇宙中。宇宙可能是多層次的，而“高靈”或“終極設(shè)計(jì)師們”，層層入主。 而我們這層的宇宙，現(xiàn)在了解到是最底層的（注：最底層是因?yàn)槲覀儾粫?huì)創(chuàng)造宇宙，所以再往下看就沒有層了?。赡苤皇亲匀簧裾摚╠eism）的，但上層或其他層的宇宙可能并不盡然，而是有神論（theism）的。此外，一個(gè)有階層概念的宇宙，比起一個(gè)以散漫連結(jié)的宇宙，更為動(dòng)人！ 最后總結(jié)：我們應(yīng)該正視，創(chuàng)造我們宇宙的“高靈”是有可能埋下天機(jī)，給我們留下信息的。 在目前的物理框架內(nèi)，傳遞信息的載體，只有宇宙微波背景輻射，才能夠觸達(dá)宇宙中所有的智能文明。 至于信息的內(nèi)容，是有討論的空間的，但以目前我們所能理解的物理來看，其內(nèi)容也幾乎是獨(dú)特的。也就是說，目前僅有的信息內(nèi)容，指定規(guī)范代數(shù)是最簡潔的和最重要的。 今后，當(dāng)能獲取更為精確的宇宙微波背景輻射數(shù)據(jù)時(shí)，我們力促對所有可能的模式仔細(xì)地進(jìn)行分析和釋義。 注釋 [1] Steve Hsu目前是密歇根州立大學(xué)物理系教授，并擔(dān)任副校長，主管研究和研究生事務(wù)。 [2] S. Hsu and A. Zee, Mod. Phys. Lett. A (2006), pages 1495-1500. [3] 我們的工作已記述在多種通俗物理書籍中。參見Marcus Chown的書“The Never-Ending Days of Being Dead: Dispatches from the Front Line of Science” （《死亡的日子永無止盡——來自科學(xué)第一線》），費(fèi)伯出版社 2007；也可參見Z. Merali將于2017年出版的新書“A Big Bang in a Little Room: The Quest to Create New Universes” （《小屋中的宇宙大爆炸：追尋創(chuàng)生新宇宙》）。 [4] 宇宙由“高靈”創(chuàng)生的想法不僅出現(xiàn)在從古至今的宗教思想中，而且在科幻中大量運(yùn)用。 [5] 據(jù)我所知，中國人從未系統(tǒng)性地研究過素?cái)?shù)。如果我的所知有誤，請讀者知會(huì)我。 [6] 這些變化源于量子場論效應(yīng)，我們對此理解得很好。讀者無需關(guān)心這種細(xì)節(jié)。 [7] 更多細(xì)節(jié)請參見徐一鴻的書《愛因斯坦的宇宙》又名《老人的玩具》（牛津大學(xué)出版社），中譯本由清華大學(xué)出版社出版。主要讀92頁及往后的內(nèi)容。 [8] 為了簡化這個(gè)故事，我們沒提“復(fù)合”（recombination）事件，該事件與“解耦合”（decoupling）事件是不同的。 [9] 嚴(yán)格來講，每一個(gè)電子對應(yīng)大約10億個(gè)光子。 [10] 同樣有宇宙中微子背景輻射和引力波背景輻射，但中微子和引力波的性質(zhì)難以捉摸，看起來光子是承載該信息的最佳選擇。 [11] 一個(gè)非常重要，但我不想在這里說太細(xì)的技術(shù)要點(diǎn)是，因?yàn)樘炜罩械牟煌瑓^(qū)域是無法發(fā)生因果聯(lián)系的，只有“高靈”才能在宇宙創(chuàng)生時(shí)期預(yù)置信息。 [12] 現(xiàn)今物理學(xué)家認(rèn)為原初漲落是由量子效應(yīng)造成的，但在我看來，根據(jù)我們目前掌握的量子力學(xué)和宇宙學(xué)，這幾乎可以肯定是好笑和幼稚的。因此，我們不要追究信息是如何寫入這些漲落中的細(xì)節(jié)問題。或許“高靈”能夠以我們難以想象的方式，隨意操縱量子漲落呢。 超出計(jì)算層面，我們還不理解量子力學(xué)?；蛟S在當(dāng)光子解耦合時(shí)，“上帝的神指”就把想要的漲落寫在了宇宙微波背景輻射中了。然而這種對整個(gè)宇宙施展積極介入的做法，比起把秘密寫進(jìn)我們這顆不起眼行星的巖石中至少要合理得多。 [13] 對于不熟悉李代數(shù)的讀者，可以在徐一鴻寫的“Group Theory in a Nutshell for Physicists”（《寫給物理學(xué)家的群論》，普林斯頓大學(xué)出版社，2016）中找到簡單介紹。對于熟悉李代數(shù)的讀者，相關(guān)的代數(shù)是U(1)?SU(2)?SU(3) ? SU(5) ? SO(10) ? E(6)。一個(gè)非常有趣的事實(shí)是，這個(gè)序列E(6) → SO(10) → SU(5) 可以通過在E6的Dynkin圖上依次刪除小圓圈來得到。數(shù)學(xué)上，我們可以把SO(10)可以看作E(5)，把SU(5)看作E(4)。 [14] 在我們看來，一些后來跟進(jìn)的物理學(xué)家沒有從第一原理出發(fā)，做出了一些武斷的假設(shè)，并對我們的估計(jì)有爭議，給出了一個(gè)較低的數(shù)字，大約300比特。但嘉當(dāng)矩陣一個(gè)吸引人的特點(diǎn)是，它們僅需非常少的比特進(jìn)行編碼，因此即使300比特仍然夠用。 [15] 探討有神論和自然神論，可參見徐一鴻的英文版“Fearful Symmetry”（普林斯頓大學(xué)出版社）第293頁。該書2016年再版，正好是首版出版30周年。此書中文簡體版由清華大學(xué)出版社出版。同時(shí)另有日文、德文、韓文、西班牙文和中文繁體版等。 [16] A. Zee, “Fearful Symmetry”, page 295. 投稿、授權(quán)等請聯(lián)系：iscientists@126.com 賽先生系今日頭條簽約作者 |
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