宇宙
非常大
我们生活在一个名为银河的星系
银河系中有约一千亿颗恒星
如果你拿起相机
并把它指向空中的任何一处
打开快门并让它开在那里
只要你的相机接通着哈勃天文望远镜
这就是它会看到的
这里的每一小点
都是与我们的银河系大小相当的星系
每一小点中都有一千亿颗恒星
而在整个可见宇宙中
约有一千亿个星系
所以你记住一千亿这个数字就行了
宇宙的年龄 自大爆炸以来
在狗看来已过了一千亿年
（笑）
这就告诉了你 我们在这宇宙中的位置
面对这样的画面 你可以做的一件事便是欣赏
它极其美丽
我常想 在星系的照片还不存在的时候
究竟是什么推动了我们远在非洲大草原的祖先
让他们适应 进化
并欣赏这些星系的呢？
但除了欣赏 我们也想要了解它们
作为一个宇宙学家 我想问问 宇宙为什么是这样的呢？
宇宙随着时间流逝的演变 是一条重要的线索
如果你选中一个星系并测量它的速度
你会发现它正离你远去
而如果你选中的是一个更远的星系
你会发现它正以更快的速度离你远去
所以说 宇宙正在膨胀
当然 这就意味着过去所有的一切
彼此之间都比较接近
曾经的宇宙密度比现在高
它也比现在热
如果你把东西紧捏在一切 温度便会上升
听起来有道理吧
而让我们觉得没道理的
是宇宙初期 大爆炸之后那个
极度光滑的宇宙
你或许觉得这并不值得惊讶
这房间里的空气便十分光滑
你也许会说 “大概这些东西就是会自己慢慢平滑掉的”
但大爆炸不久之后的环境 与这房间里的空气相比
十分 十分的不同
特别是一切的密度
当时的地心引力
比现在强很多
我们不得不想想
这个宇宙里有一千亿个星系
而每个星系里都有一千亿颗恒星
在宇宙初期 那一千亿个星系
被挤压到这么小的空间
毫不夸张 当初就这么小
我们得想象一下这个挤压过程
这个完美的过程
毫无瑕疵
这里比那里多一两个原子也不行
如果真有任何瑕疵 地心引力也会把它们
压成一个巨大的黑洞
让初期的宇宙保持在极度光滑的状态并非易事
这是个极为精细的布置
这条线索意味着初期宇宙
并非任意选择的产物
是某些东西把它造就成那样的
而我们想知道那是什么
19世纪的奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼
给予了我们不少对此的了解
玻尔兹曼的贡献在于他帮助我们理解了熵
你们听见过熵
在某些系统中 它是随意性 是不规则 是混乱
玻尔兹曼给了我们一条
被刻在了他墓碑上的公式
让我们得以在数量上解释熵
这条公式所说的 不过是
我们可以重新组合
构成一个系统的各个要素 而在宏观上
你看不出任何变化
在感受这房间里的空气时
你不可能注意每一个原子吧
如果能够组合出某个布局的方式屈指可数
那这个布局的熵值就会很小
反之 若能组合出某个布局的方式很多
这个布局的熵值就会很大
对这一点的领悟极其关键
因为它帮助我们解释
热力学第二定律——
在整个宇宙 或是被隔离开的部分宇宙中
熵值只可增大
熵值增大的原因很简单
只因呈现出对应于大熵值的布局
比呈现出对应于小熵值的布局的方式多得多
虽说领会到这些很奇妙
但还有被遗漏的部分
值得提及的是 正是熵值的增大
推动着我们的时间之箭
造就着过去与未来的不同
过去与未来
它们之间的所有区别
都呈现于熵值的增大
正如你能记得往事 却无法去记住将来所要发生的
又如你出生 成长 死亡的过程
这些不变的顺序
都源于熵值的增大
玻尔兹曼解释道 如果你从小熵值出发
它会很自然的增大
因为处于大熵值状态的途径更多
但他并没有解释
为什么最初的熵值那么小
宇宙初期的小熵值
意味着的莫过于
初期的宇宙非常非常的光滑
而我们想要理解它的原由
那便是作为宇宙学家的我们的任务
遗憾的是 我们并没有
给予这个问题多大的关注
如果你问一个现代宇宙学家
“我们正研究着的问题有哪些？”
这不会是回答中你最先听到的问题之一
认识到这个问题的重要性的其中一人
便是理查德·费曼
50年前 他给了一系列的演讲
他面向大众的讲座
成了《物理之美》
他面向加州理工学院本科生的讲课
成了《费曼物理学讲义》
他面向加州理工学院研究生的讲课
成了《费曼引力学讲义》
在上述的每本书 费曼的每个讲座中
他都强调了这个难题
为什么初期的宇宙有着那么小的熵值？
我就不模仿他的口音了
他说：“虽说宇宙中包含着的能量巨大
某些原因使它曾一度拥有小熵值
而从那以后 熵值不断增大
直至我们能够真正理解 而非单单推测
整个宇宙历史的 开端的秘密
时间之箭
便无法被完全理解”
这就是我们的使命
这是费曼50年前说的 你也许在想：“那么久了
我们现在弄清了吧”
错了 我们到现在也没弄清
非但没把问题弄清
它还变得更糟糕了
因为在1998年
一个关于宇宙的新发型展现在了我们面前
宇宙不仅在膨胀
而且在加速膨胀
如果你看见一个星系正离你远去
十亿年后再回来看它时
你会发现它远去的速度加快了
各个星系离我们远去的速度都在不断加快着
所以我们说这个宇宙正在加速膨胀
与宇宙初期的小熵值不同
虽然我们没有答案 但要解释这现象
我们至少还有一套不错的理论
如果那理论是正确的
我是在说暗能量理论
它说 真空区自身便有能量
这空间中的任何一立方厘米中
无论那里有没有东西
无论那里有没有粒子 物质 辐射 或任何别的什么
那里仍有能量 就这空间中便有
在爱因斯坦看来
这能量推动着宇宙
这是一股永恒的冲量
使各星系之间的距离越来越大
因为暗能量 与物质和辐射不同
它不会因为宇宙的膨胀而被稀释
即便宇宙越来越大
每立方厘米中的能量
都将保持不变
这对宇宙未来的发展
有着关键的影响
其中之一 便是宇宙会永远膨胀下去
当我像你们那么小的时候
我们并不知道宇宙是否会膨胀下去
某些人认为 宇宙将会再坍缩
爱因斯坦就很喜欢这想法
但如果有暗能量 而暗能量又会永远留在那里
宇宙便会永不停息的 这样膨胀下去
从140亿年前
狗的一千亿年前
直至无数年以后 直至永恒的未来
在此期间 不论我们有什么意图或目的
宇宙空间在我们看来都是有限的
宇宙或许有限 或许无限
但因为它正在膨胀
我们看不到它的某些部分
也将永远无法看到
能让我们获取信息的宇宙空间非常有限
它被边界包围着
所以即便时间不停下它的脚步
宇宙空间对我们来说还是有限的
最后 真空区有它的温度
在70年代 斯蒂芬·霍金告诉我们
虽然你认为黑洞是黑的
它其实会辐射
如果把量子力学考虑进去的话
黑洞周围的空间曲率
是会导致真空量子涨落的
黑洞也就会辐射
根据霍金与加利·基本斯的 一个类似的精确计算
如果真空区里有暗能量
整个宇宙便会辐射
真空区的能量
带来量子涨落
所以虽然宇宙是永恒的
而且一般的物质和辐射会被稀释
但某些辐射会永远留下
某些热涨落
即便那是真空区
这也就是说
宇宙好比一盒气体
永恒的气体
这又意味着什么呢？
玻尔兹曼在19世纪对此进行了研究
他说 熵值只会增大
因为让宇宙处于大熵值状态的方式
比让它处于小熵值状态的方式 多得多
但那是一个概率性的称述
它可能会增大
而且这可能性奇大无比
我们不需要担心
这房间里的空气不会挤到一处 并让我们窒息
这可能性极小极小
但如果门被锁上
我们被关在这里直至永远
这便会发生
所有被允许的
这房间里的分子的布局
都终究会出现
所以玻尔兹曼说 你可以从一个
处于热平衡状态的宇宙出发
他没听说过大爆炸 也没听过宇宙膨胀
他以为牛顿对时空做出了充分的解释
时空是绝对的 它被永恒的固定在那里
所以他在眼中的自然宇宙里
空气中的分子都平均的分散在各处
所有的分子
但如果你是玻尔兹曼的话 你知道 如果你等的够久
那些分子无规则的涨落
会偶尔使它们
处于小熵值的布局
但肯定的是 在那之后 随着自然规律
它们会涨回到分散的状态
所以说 并非是熵值必须要增大
涨落会带来小熵值
带来更规则的状态
就这样
玻尔兹曼接着发明了
两个听上去很现代化的概念
多元宇宙与人择原理
他说 热平衡的问题在于
我们无法生活在这样的状态下
记得吗 生命本身便依赖于时间之箭
如果我们生活在热平衡的状态下
我们将无法处理信息
没法新陈代谢 没法走路 没法说话
如果你想象一个很大很大的宇宙
一个无限大的宇宙
粒子间无规律的碰撞
会偶尔带来小熵值下的小涨落
然后它们会复原
但也会存在大涨落
偶然造出个行星
恒星 星系
或是一千亿个星系
所以玻尔兹曼说
我们只可能生活在多元宇宙里
这无限大的涨落中的粒子群里
允许生命的那部分
也就是有着小熵值的区域
也许我们宇宙的诞生不过就是
那些时而发生的事之一
你们的回家作业
是去好好想想这些 这到底意味着什么
引用卡尔·萨根的名言
“要做个苹果派
你必须先造出个宇宙”
但他说错了
根据玻尔兹曼 如果你想要做个苹果派
你只需等着 让原子不规则的运动
帮你做个苹果派
这比等着原子不规则的运动
造出个苹果园
造出些糖和烤箱
然后再帮你做个苹果派
可能性大得多
这论点包含着某些预测
这些预测包括
造出我们的是最小限度的涨落
即便你想象我们现在的这个房间
真实的存在着 而我们也就在这里
我们不仅有着我们的回忆
也坚信着这房间外面还有东西
有加州理工学院 有美国 有银河系
让这些想法通过不规则的涨落进入你的大脑
比起让这些涨落真正造出加州理工学院
造出美国 造出银河系 要容易得多
好消息是
这论点行不通 是错误的
它预测我们应该是个小涨落
即便你忽略我们的星系
你也没法弄到一千亿个其他星系
费曼也明白这一点
他说：“假设这世界便是涨落
那这也就意味着 如果我们
对从未观测过的那部分世界进行观测
我们会发现它很混乱 与我们之前观测的
大熵值的部分不同
如果我们的秩序来自于涨落
我们便不会认为除了刚注意到的秩序 另外还有秩序
所以我们断定 宇宙并非涨落
这算是好了 但正确的答案又是什么呢？
如果宇宙不是涨落
初期宇宙的熵值为什么那么小？
我很乐意回答你 但我没时间了
（笑）
我们告诉你的宇宙 对应着
真正存在着的宇宙
我刚刚给你们看过这画面
一百多亿年来 宇宙不断膨胀着
它也冷却着
但我们现在对宇宙的了解
足够让我们说出更多的
如果暗能量留在周围不动
我们周围的恒星将用尽他们的核子燃料 它们将停止燃烧
它们会变成黑洞
我们将生活在一个 除了黑洞
空空如也的宇宙
那宇宙将会存在10的100次方年
比我们的小宇宙长寿多了
为了比过去长得多
但就连黑洞也不是永恒的
它们会蒸发
除了一个真空宇宙我们将一无所有
这真空宇宙将会是永远的
但你意识到 因为真空区也会有辐射
所以热涨落其实存在着
它以存在于真空区中的
有着各种不同组合的
自由度之间 不断的循环着
所以即便宇宙将永远的存在下去
能够在宇宙中发生的事
却是有限的
它们都在10到10的120次方年
这段时间内发生
我想问你们两个问题
第一：如果宇宙会存在10到10的120次方年
我们为什么出生于
最初的140亿年间
出生于这大爆炸带来的温暖 舒适的环境中？
我们为什么不在真空区？
你也许会说：“那里根本没有活着的东西”
但这不对
你可以来自空无一物中无规则的涨落
而你为什么不是呢？
还有些回家作业要布置给你们
如我所说 我并不知道答案
就让我来谈谈我最喜欢的情形吧
也许它本该如此 根本没有解释
这就是个不容争议的关于宇宙的事实
你必须接受它 并不再询问任何问题
或者说 大爆炸
并非宇宙的开端
一只完整的鸡蛋 处于小熵值的状态
但当我们打开冰箱时
我们不会想：“哇 能在冰箱里看到这样一个
小熵值状态实在太惊人了“
那是因为一只鸡蛋并非一个封闭系统
它是某只鸡生出来的
也许整个宇宙都是一只宇宙鸡生出来的
也许通过物理定律的发展
某些东西会自然的导致
这个宇宙
以小熵值的形式诞生
如果那是正确的话 它不会只发生一次
我们会是巨大的多元宇宙的一部分
这便是我最中意的情形
组织者们让我以一个大胆的推测结束我的演讲
我大胆的推测
便是我将会绝对的被历史维护
今后的50年间
我现在所有疯狂的想法都会
被科学界以及整个社会 接受为现实
我们将全都相信 我们的小宇宙
不过是更大的多元宇宙中的一部分
不仅如此 我们将理解大爆炸时发生的一切
将有一套能够
被观察支持的理论
这只是预测 我也许错了
那么多年来 作为人类
我们不断思考着 曾经的宇宙
是怎样的 而它又是怎么变成它当时的样子的
令人兴奋的是 或许终有一天我们会找到答案
谢谢
（掌声）