利維坦按：如果拿地球來(lái)舉例的話，我們不論從南極走到北極，還是沿著赤道環(huán)行一周，都會(huì)發(fā)現(xiàn)地球是有限無(wú)界的——也就是說(shuō)，你始終不可能找到地球的邊界，但你并不能因此就認(rèn)為地球是無(wú)限的。如果按照霍金的觀點(diǎn)，宇宙也類似地球是有限無(wú)界的，只不過(guò)比地球多了幾維。多幾維怎么理解？試著想象一下魚在水中，對(duì)于它來(lái)說(shuō)，水面之上的空間就是另外一個(gè)維度了。

今天這篇文章，圍繞著一個(gè)核心問(wèn)題展開：我們?nèi)祟悓?duì)于宇宙的認(rèn)知能力是否是沒有局限的？對(duì)此，作者給出了否定的答案。

延伸閱讀：《“科學(xué)幻想”癥：一位科學(xué)記者的質(zhì)疑》（點(diǎn)紅字直接取閱）

文/Lawrence M. Krauss

插畫/Jackie Ferrentino

譯/lwl

校對(duì)/boomchacha

原文/nautil.us/issue/40/learning/how-much-more-can-we-learn-about-the-universe

人類的認(rèn)知能力是無(wú)限的嗎？

根據(jù)推測(cè)，大爆炸剛發(fā)生后的超光速暴漲過(guò)程產(chǎn)生了引力波。

作為一名宇宙學(xué)家，我在講座之后最常聽到的問(wèn)題包括：宇宙外邊是什么？我們的宇宙會(huì)膨脹到什么樣，會(huì)永遠(yuǎn)膨脹下去嗎？這都是些很尋常的問(wèn)題，但還有一個(gè)更加深刻的問(wèn)題困擾著我們——追根溯源，我們想要知道的是：人類的認(rèn)知有沒有邊界？科學(xué)有沒有不可突破的局限？

當(dāng)然，問(wèn)題的答案是，現(xiàn)在回答還為時(shí)尚早。除非真正遇到屏障，否則我們永遠(yuǎn)無(wú)法知道人類的認(rèn)知否有終點(diǎn)。然而，當(dāng)下并沒有任何跡象能夠表明我們將會(huì)面臨難以突破的瓶頸。也許，在探索宇宙的漫漫征途上，我們會(huì)遇到激流險(xiǎn)灘，但人類定能排除萬(wàn)難，駛達(dá)知識(shí)的彼岸。有些人對(duì)我說(shuō)：“我們永遠(yuǎn)不能知道宇宙何時(shí)誕生”，“我們永遠(yuǎn)不能知道大爆炸前發(fā)生了什么”。這些人著實(shí)剛愎自用，他們?cè)跄茴A(yù)知未來(lái)，斷言人類在未來(lái)不會(huì)知曉某些事物呢？那些言論簡(jiǎn)直就是無(wú)稽之談，迄今為止，科學(xué)史上沒有顯露出瓶頸的絲毫端倪。就拿我所從事的領(lǐng)域來(lái)說(shuō)吧，我們對(duì)宇宙的知識(shí)在不斷增長(zhǎng)，甚至50年前都沒有人能夠預(yù)見。

即使在最明朗的天氣里我們也無(wú)法看見永恒：理論上來(lái)講，我們最遠(yuǎn)只能看見453億光年遠(yuǎn)的地方。盡管這表明我們認(rèn)知有直接的極限，但這也無(wú)法阻擋我們探索自然界的奧秘的雄心壯志。圖源：NASA/Bill Ingalls

誠(chéng)然，這并不意味著自然對(duì)我們所能觀察到的事物范疇，觀察事物的途徑?jīng)]有任何影響。比如說(shuō)，海森堡不確定性原理①對(duì)我們所能觀察到的粒子在任意時(shí)間的位置做出了限制；光速限定了我們能看到、移動(dòng)的最大距離。但是這些限制最多只能給出人類無(wú)法觀測(cè)、而非最終無(wú)法知曉的事物。不確定性原理并沒有妨礙我們探索量子力學(xué)，了解原子的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)所謂的虛粒子（我們不能直接探測(cè)到，但確實(shí)存在的一種粒子）②。

宇宙的膨脹確實(shí)暗含著起源，因?yàn)槿绻覀兎赐苹厝?，那么在遙遠(yuǎn)過(guò)去的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，我們能觀測(cè)到的宇宙中的任何事物都共同存在于一個(gè)奇點(diǎn)中。在那一瞬間，也就是現(xiàn)在被稱之為大爆炸的時(shí)候，我們所知的物理學(xué)定律都不適用了，因?yàn)槊枋鲆Φ膹V義相對(duì)論無(wú)法解釋描述微觀物理的量子力學(xué)。但是大部分科學(xué)家都認(rèn)為，從根本來(lái)說(shuō)，這并非認(rèn)知的邊界，因?yàn)槲覀兿Ｍㄟ^(guò)改進(jìn)廣義相對(duì)論，使其與量子理論相互兼容。弦理論（String theory）就是個(gè)廣為人知的例子。

如果我們?cè)谝粋€(gè)方向上看得足夠遠(yuǎn)，就能看見我們的后方。

鑒于這樣一個(gè)理論，我們也許就能夠回答，大爆炸之前到底發(fā)生了什么（如果存在的話）。最簡(jiǎn)單的回答往往也是最不令人滿意的。狹義與廣義相對(duì)論將時(shí)間與空間統(tǒng)一為一個(gè)實(shí)體：時(shí)空。如果空間是在大爆炸時(shí)產(chǎn)生，那么時(shí)間可能也是如此。在這樣的情況下，就沒有時(shí)間上所謂“之前”的概念（因?yàn)樵谡Q生之前，時(shí)間并不存在）。那么，先前的問(wèn)題便不值得回答了。但這并不是唯一的解答，而且我們需要等到一個(gè)量子引力理論以及實(shí)驗(yàn)證實(shí)之后，才能對(duì)我們的回答有一定的把握。

接下來(lái)，從空間的角度來(lái)說(shuō)，我們是否能夠知道，宇宙的邊界是什么，外邊又是什么？我們不妨再次大膽猜測(cè)。正如我在新書《從無(wú)到有的宇宙》（A Universe from Nothing）中詳細(xì)討論的一樣，看似最有可能的是：如果時(shí)空自然產(chǎn)生，那么它的總能量可能為零，因?yàn)槲镔|(zhì)的能量恰好與引力場(chǎng)的能量相互抵消。簡(jiǎn)而言之，如果事物總計(jì)為零，那么它能夠從無(wú)到有?，F(xiàn)在，我們能夠查證的唯一總能量為零的宇宙，是閉宇宙③。這樣的宇宙有限無(wú)界。就像我們可以在球體表面一直行走而不會(huì)遇到任何邊界一樣，我們的宇宙可能也是如此。如果我們?cè)谝粋€(gè)方向上看得足夠遠(yuǎn)，就能夠看到我們的后方。

實(shí)際上，我們無(wú)法這么做，可能因?yàn)槲覀兛梢姷牡胤絻H僅是宇宙的一小部分。這個(gè)原因與被稱之為“暴脹”（inflation，宇宙暴脹，簡(jiǎn)稱暴脹，是早期宇宙的一種空間膨脹呈加速度狀態(tài)的過(guò)程）的概念有關(guān)。大多數(shù)在微觀尺寸上自發(fā)出現(xiàn)的宇宙會(huì)瞬間重新坍縮，而不會(huì)持續(xù)存在數(shù)億年。但是，在某些宇宙中，虛空會(huì)被賦予能量，并且這種能量，至少在短時(shí)間內(nèi)，能夠使宇宙以指數(shù)形式膨脹。我們認(rèn)為這樣的暴脹時(shí)間出現(xiàn)在大爆炸擴(kuò)張的初期，并且防止宇宙立即再次坍縮。在這個(gè)過(guò)程中，宇宙膨脹到難以想象，以至于在任何意義上，似乎是平坦并且無(wú)限的——比方說(shuō)，盡管位于一個(gè)叫做地球的巨大球體上，堪薩斯州的玉米地一樣看起來(lái)廣袤無(wú)垠。即使我們的宇宙可能是封閉的，這就是為什么我們?cè)谟^察宇宙時(shí)依然無(wú)法看到我們后方的原因。從理論上來(lái)講，如果暴脹沒有在我們可見的宇宙中重新開始，并且沒有存在于其他我們不可見的區(qū)域中，只要我們等得足夠久，就能看見所有事物。

考慮到我們還未觀測(cè)到，以及永遠(yuǎn)無(wú)法觀測(cè)到的區(qū)域可能正在暴脹——事實(shí)上，近期的理論表明，這種情況極有可能發(fā)生。如果我們認(rèn)為“我們的宇宙”指的是我們?cè)?jīng)能夠，或是終有一天能夠進(jìn)行交流的地方，那么，在我們的宇宙之外，暴脹通常還會(huì)創(chuàng)造出的別的宇宙。暴脹可能在我們所處的空間中很短暫，但別的地方則永遠(yuǎn)在指數(shù)膨脹，偶有像我們的宇宙一樣的孤立區(qū)域從中分離出來(lái)，既脫耦（decoupling）。正如同當(dāng)溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，在快速流動(dòng)的水面上能夠形成冰塊一樣。每一個(gè)這樣的宇宙都存在一個(gè)開端，限定于暴脹在它的空間體積中結(jié)束的時(shí)間。也就是說(shuō)，我們宇宙的開端并不一定標(biāo)志著時(shí)間的起始。這進(jìn)一步否定了大爆炸即認(rèn)知的天花板這種言論。

碰撞中的星系：這種宇宙的暴亂終有一天不復(fù)存在，遙遠(yuǎn)未來(lái)的人類可能永遠(yuǎn)不會(huì)意識(shí)到我們的宇宙曾經(jīng)是多么活躍。圖源：NASA

考慮到每個(gè)宇宙從背景空間中脫耦的過(guò)程不同，其中的物理學(xué)定律可能也不相同。我們稱這樣可能的宇宙集合為“多元宇宙”。多元宇宙的概念在科學(xué)界頗具吸引力，不僅可以解釋如暴脹之類的現(xiàn)象，還主張多個(gè)含有獨(dú)特物理定律的宇宙的存在。如此說(shuō)來(lái)，看似莫名其妙的基本參數(shù)，其實(shí)是在宇宙誕生時(shí)隨機(jī)產(chǎn)生的。

就算還有別的宇宙存在，我們也永遠(yuǎn)無(wú)法直接探測(cè)到。因?yàn)檫@些宇宙不但處于距離我們非常遙遠(yuǎn)的地方，而且以超光速后退。那么，多元宇宙理論僅僅是形而上學(xué)嗎？無(wú)法驗(yàn)證其存在，是否代表著我們的認(rèn)知有根本上的極限？答案是：非也，非也。盡管可能永遠(yuǎn)不能直接觀測(cè)到別的宇宙，我們依然能夠通過(guò)以經(jīng)驗(yàn)為主的方式檢驗(yàn)理論。比如說(shuō)，通過(guò)觀測(cè)暴脹產(chǎn)生的引力波，理論上能夠檢驗(yàn)宇宙創(chuàng)生時(shí)暴脹過(guò)程的詳細(xì)資料。這些波與最近被LIGO④探測(cè)到的引力波類似，只是起源于大爆炸的初期，既暴脹時(shí)期。就像我們?cè)诟鞣N各樣的實(shí)驗(yàn)中找尋遺留在大爆炸余暉——宇宙微波背景輻射中的信號(hào)一樣，如果能夠直接探測(cè)到這些引力波，我們就可以研究暴脹的奧秘，確定永久性的暴脹是否是這種物理現(xiàn)象的結(jié)果。因此，盡管無(wú)法直接探測(cè)到別的宇宙是否必然存在，我們可以間接證明這一點(diǎn)。

簡(jiǎn)而言之，只要我們足夠聰明，理解最深?yuàn)W的形而上學(xué)問(wèn)題也不是個(gè)事兒。我們之前或許認(rèn)為，我們永遠(yuǎn)不可能從經(jīng)驗(yàn)上探求這些問(wèn)題，比如宇宙存在的可能性。目前，依靠著推理以及實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，我們還沒有發(fā)現(xiàn)任何的認(rèn)知局限。

無(wú)限的宇宙引人入勝，并且激勵(lì)著我們不斷進(jìn)行探索。但是我們能夠自信地說(shuō)，我們的認(rèn)知也是沒有局限的嗎？這個(gè)嘛，不可以。

暴脹確實(shí)給我們的認(rèn)知設(shè)定了根本的限制——特別是對(duì)過(guò)去的認(rèn)識(shí)。暴脹在本質(zhì)上重置了宇宙，有可能摧毀了在此之前關(guān)于動(dòng)態(tài)過(guò)程的一切信息。在暴脹過(guò)程中，空間快速膨脹，在極大程度上降低了單位區(qū)域內(nèi)物質(zhì)的密度。所以，暴脹可能抹去了諸如磁單極子的蹤跡（理論上表明，磁單極子是一種在宇宙早期應(yīng)該大量產(chǎn)生的粒子）。這是暴脹的獨(dú)特功績(jī)之一：解釋了理論上存在、卻至今未觀測(cè)到磁單極子的原因。但在化解矛盾中，暴脹又抹去了我們的過(guò)去。

更糟糕的是，暴脹仍在抹去別的信息。我們現(xiàn)在顯然處在另一次暴脹過(guò)程中。我們與其他星系的間距正在擴(kuò)大，這表明宇宙正在加速膨脹，而非減速。這就好像占主導(dǎo)的引力勢(shì)能存在于物質(zhì)或輻射內(nèi)，而不是在虛空里。我們現(xiàn)在對(duì)這種能量的起源一無(wú)所知。每種潛在的解釋都對(duì)認(rèn)知的發(fā)展，甚至是我們自身的存在加以了限制。

如果宇宙經(jīng)歷某種相變⑤ （phase transition）——宇宙版的蒸汽凝結(jié)為液態(tài)水的現(xiàn)象，那么這種虛空的能量可能會(huì)突然消失。如果這種情況真的發(fā)生了，不但力的基本性質(zhì)會(huì)變，而且宇宙中所有我們能夠看見的結(jié)構(gòu)，從原子到人類，都有可能會(huì)變得不穩(wěn)定，甚至消失。

但是即使膨脹仍在繼續(xù)，未來(lái)的景象也相當(dāng)沉悶。在大約兩萬(wàn)億年后，宇宙內(nèi)的其他事物會(huì)從我們的視野里消失。兩萬(wàn)億年對(duì)人類來(lái)說(shuō)是個(gè)天文數(shù)字，但對(duì)宇宙來(lái)說(shuō)則不然。在這樣遙遠(yuǎn)的未來(lái)后，生活在群星中的觀察者會(huì)認(rèn)為他們周圍只有無(wú)盡的虛空，身處孤單的星系，沒有宇宙加速膨脹，更別提大爆炸的跡象了。正如我們失去了磁單極子的蹤跡，他們也無(wú)從得知我們已知的歷史（雖然某些現(xiàn)象當(dāng)下無(wú)法觀測(cè)到，但未來(lái)的他們，或許可以。所以我們也不應(yīng)有優(yōu)越感）。

不管怎么說(shuō)，我們都應(yīng)享受短暫的人生，盡力探索浩瀚的宇宙。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，汝當(dāng)上下而求索！

注釋：

①在量子力學(xué)里，不確定性原理（uncertainty principle，又譯作“測(cè)不準(zhǔn)原理”）表明，粒子的位置與動(dòng)量不可同時(shí)被確定，位置的不確定性越小，則動(dòng)量的不確定性越大，反之亦然。（摘自維基百科）

②虛粒子（virtual particle），意即虛構(gòu)粒子、假想粒子，是在量子場(chǎng)論的數(shù)學(xué)計(jì)算中建立的一種解釋性概念，指代用來(lái)描述亞原子過(guò)程例如撞擊過(guò)程中粒子的數(shù)學(xué)項(xiàng)。但是，虛粒子并不直接出現(xiàn)在計(jì)算過(guò)程的那些可觀測(cè)的輸入輸出量中，那些輸入輸出量只代表實(shí)粒子。虛粒子項(xiàng)代表那些所謂離質(zhì)量殼（off mass shell）的粒子。例如，它們沿時(shí)間反演、能量不守恒、以超光速移動(dòng)，每條看起來(lái)都和物理基本原理相悖。虛粒子發(fā)生在那些大致可被實(shí)輸出量相消的組合項(xiàng)中，因此才產(chǎn)生了前述那些不實(shí)的沖突。虛粒子的虛「事件」通?？雌饋?lái)是一個(gè)緊接著另一個(gè)發(fā)生，例如在一次撞擊的時(shí)長(zhǎng)中，所以他們顯得短命。如果在計(jì)算中略去那些被詮釋為代表虛粒子的數(shù)學(xué)項(xiàng)，計(jì)算結(jié)果將變成近似值，有可能較大地偏離完整計(jì)算得到的正確而且精確的結(jié)果。（摘自維基百科）

③閉宇宙（closed universe），如果宇宙內(nèi)的物質(zhì)多到足以抗衡大爆炸造成的膨脹，宇宙最終會(huì)坍縮回去。（譯自《牛津英語(yǔ)詞典》）

④激光干涉引力波天文臺(tái)（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，縮寫：LIGO）是探測(cè)引力波的一個(gè)大規(guī)模物理實(shí)驗(yàn)和天文觀測(cè)臺(tái)。2016年2月11日，LIGO團(tuán)隊(duì)于華盛頓舉行的一場(chǎng)記者會(huì)上，共同宣布人類對(duì)于引力波的首個(gè)直接探測(cè)結(jié)果。所探測(cè)到的引力波來(lái)源于距離地球13億光年處的兩個(gè)大約30倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞融合。（摘自維基百科）

⑤ 相變是指物質(zhì)在外部參數(shù)（如：溫度、壓力、磁場(chǎng)等等）連續(xù)變化之下，從一種相（態(tài)）忽然變成另一種相，最常見的是冰變成水和水變成蒸氣。然而，除了物體的三相變化（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)），自然界還存在許許多多的相變現(xiàn)象，例如日常生活中另一種較常見的相變是加熱一塊磁鐵，磁鐵的鐵磁性忽然消失。（摘自維基百科）

最后，可以看看利維坦之前推送過(guò)的1977年的著名短片《十的次方》，短片中運(yùn)用比例的概念，并把廣袤無(wú)垠的宇宙比作是碳原子的微觀世界：

（建議Wifi環(huán)境下瀏覽）每隔10秒，我們看到的畫面就會(huì)比10秒前遠(yuǎn)10倍……接著，鏡頭又快速拉近，每隔2秒，拉近10倍

“利維坦”（微信號(hào)liweitan2014），神經(jīng)基礎(chǔ)研究、腦科學(xué)、哲學(xué)……亂七八糟的什么都有。反清新，反心靈雞湯，反一般二逼文藝，反基礎(chǔ)，反本質(zhì)。