漂浮在宇宙中的幽灵“大脑”

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  “‘好,’猫答应着。这次它消失得非常慢,从尾巴尖开始消失,一直到最后看不见它的笑脸,这个笑脸在身体消失后好久,还停留了好一会儿。
  “‘哎哟,我常常看见没有笑脸的猫,’爱丽丝想,‘可是还从没见过没有猫的笑脸呢。这是我见过的最奇怪的事儿了。’”
  这是《爱丽丝漫游奇境》中一段关于柴郡猫的有趣描写,想必每个人读到这里都要忍俊不禁。可是假如有一天你身边的所有东西,比如桌子、椅子,甚至地板,都像柴郡猫一样突然消失在空气中,你还会处之泰然吗?
  你也许会说,这种事情不可能发生。的确,这种事情发生的可能性非常小,以至于哪怕你活到上几十亿年也很可能碰不上一次,但并非绝对不会发生,——至少在理论上是这样。
  不仅如此,只要给予足够的时间,一个具有自我意识的生命从虚无缥缈的空间冒出来也并非完全不可能,尽管它也许只存在了短短的十分之一秒钟,还来不及说一声“喂,我在这里!”,然后就像柴郡猫一样神秘地消失了。
  这可不是跟你开玩笑,物理学家还慎重其事地给这种在宇宙中凭空冒出来又神秘消失的生命起了一个特别的名称,叫“玻耳兹曼大脑”,以纪念19世纪奥地利伟大的统计物理学家玻耳兹曼。
  谁也没见过玻耳兹曼大脑,所以这一切都只是理论上的设想。那为什么要提出这么一个古怪的设想呢?这里有一段来历。
  宇宙中的秩序从哪里来?
  每天一觉醒来,当心情好的时候,你的第一个感觉是,这个世界多么美好:窗外小鸟在歌唱,花儿在吐着芬芳,晴空万里,白云悠悠……这是一个井然有序的世界,万物处于和谐之中。
  有序不单单是指一般人所理解的把每样事物摆放整齐。当我们仰望天空,看到行星有规律地绕着恒星转,亿万颗恒星组成星系,星系又组成星系团等等,我们就说,天体系统是有序的;当我们俯视生命,看到细胞、组织和器官以及那么多的有机分子为了维持生命,有条不紊地工作着,我们就说生命系统是有序的。
  为了描述一个系统的有序程度,物理学上引进一个“混乱度”的概念(在物理学中,正式术语叫“熵”)。譬如说,一块冰融化成水,原先在冰晶里排列比较有序的水分子,变得可以随处乱跑了,我们就说混乱度增加了;在一块铁里,铁原子自旋的朝向本来是杂乱无章的,但磁化之后,朝向基本上一致了,我们就说混乱度减少了。
  19世纪,物理学家总结出一条定律:孤立系统总是要朝着混乱度增加的方向演化。这就是著名的热力学第二定律。用这条定律,我们可以解释很多事情。譬如说,为什么一杯冷水和一杯热水倒在一起之后,就会趋于均匀混合,再也不能分开?为什么鸡蛋打碎了,就不能自己复原回去?为什么人会衰老,最后不免一死?等等。
  可是一旦物理学家把整个宇宙当作一个孤立系统来研究时,他们就困惑了。在玻耳兹曼生活的那个年代,宇宙大爆炸理论还没有提出,人们认为宇宙在时间和空间上都是无限的。既然在这之前已经存在了无限长的时间,那么宇宙作为一个孤立系统,混乱度早就应该发展到最大了。宇宙在混乱度最大的时候处于一种“热寂”状态,所有的物质,包括地球、地球上的生命、恒星和星系都统统解体,只留下单个的原子、分子在狂乱地飞舞。从这种混沌中,任何有序的事物都不能够产生,更别说目前这个生机盎然的世界了。
  尽管后来随着大爆炸理论的提出,人们知道宇宙在时间和空间上并非是无限的,但这个难题依然没有消除。因为既然宇宙演化到今天,还依然这么有序,那么根据热力学第二定律倒推回去,宇宙在早期就应该更为有序。而宇宙学家普遍认为,宇宙在极早期处于夸克、电子和光子均匀混合的混沌状态,不可能有任何有序的结构存在;我们现在所看到恒星、星系,甚至连最普通的由质子、中子和电子组成的物质,都是宇宙冷却之后的产物。
  既然这样,那么目前我们所观察到的宇宙中的秩序是从哪里来的呢?
  我们不过是更大宇宙的一个涨落
  设想有一瓶气体,当它达到混乱度最大的时候,气体分子均匀地分布在整个瓶子里,比如说平均每立方厘米含有1万个分子。但这些分子时刻都处于无规则运动之中,并不排除出现这样的可能:在某个时刻某个地方,分子数密度偏离了这个平均值,比如说有的地方是9999个/立方厘米,而有的地方是10001个/立方厘米,有的地方甚至达到1.5万个/立方厘米。这种比平均值少或者多的状态,我们称之为“涨落”。像9999个/立方厘米或者10001个/立方厘米,偏离平均值才1个/立方厘米,属于小涨落,而1.5万个/立方厘米偏离平均值达5000个/立方厘米,已经属于大涨落了。不难理解,出现小涨落的概率比出现大涨落的概率要大得多。
  涨落是对最混乱状态的偏离,而且这是在任何情况下都避免不了的,不违反热力学第二定律。混乱度最大对应最无序状态,所以涨落意味着在小范围内暂时(因为涨落是随机产生的,很快会解体)产生了一个稍微有序的结构;涨落愈大,有序程度就愈高。
  根据这样一种思想,奥地利物理学家玻耳兹曼提出一个观点,认为我们所观察到的有序的宇宙也许是我们还未观察到的一个更大、更无序的宇宙的一个涨落,而且因为我们这个宇宙的有序程度是这么高,可见这还是一个大涨落。我们知道,涨落不分大小,都受制于偶然性的支配,所以我们这个宇宙之所以这么有序,也并没有什么特殊的原因,不过是巧合罢了;这个涨落迟早要消失,掉回到无序状态中去,——当然在别的地方,也许又会有新的有序宇宙诞生。
  让我们打个比喻。有50个男人和50个女人,由一位盲人抓阄来决定把他们分别关进10间屋子,每间屋子关10人。一般来说,每间屋子最可能出现的男女比例是5:5;4:6或者6:4也很常见;9:1或者1:9就比较罕见了;最不常见的是10个人都是男人或者女人的情况。假如你是游戏的参加者,发现自己身边所有人都是男性,你也许会纳闷:这是怎么回事?那个瞎子在分配的时候是不是有意安排的?而其实呢,这完全是一种巧合。   玻耳兹曼认为,人类对宇宙为何有序的发问也与游戏中你的发问类似。假如你有机会考察其他屋子的情况,或者假如人类能观察到那个更大、更无序的宇宙,那就不会提这种问题了。
  飘浮在宇宙中的“大脑”
  这个解答很有说服力,如果考虑到我们的宇宙正在加速膨胀,那就更显得有说服力了。
  宇宙在加速膨胀,意味着等待我们宇宙的是一个大撕裂的结局:首先星系彼此分离,其次星系本身也将撕裂成碎片,紧跟着还有恒星、行星和普通物质都将解体,生命当然更不用说了。宇宙的有序程度将不断降低,终有一天,作为大宇宙的一个涨落,我们这个宇宙要回到无序大宇宙的怀抱中,好比溅起的浪花掉回到大海里一样。
  但这个解答产生了一个副产品,那就是玻耳兹曼大脑。
  前面我们说过,对于一个处于混乱度最大的系统,小涨落出现的概率比大涨落要大得多;我们观察到的这个宇宙,不仅天体系统是那么井然有序,还出现了高级生命,而你要知道,高级生命的有序程度比天体系统还高,还不容易产生。就算外星人不存在,单地球上现在就超过了70亿人口,他们平均存在的时间少说也有50年,如果作为一个物种,人类存在的时间还将更长。
  既然这个世界作为一个大的涨落尚且还能存在这么久,那么比这小得多的涨落,出现的概率自然比这要大得多。这些小涨落包括,比方说,一些原子、分子经过偶然的组合,恰好在某个时刻组装出一个具有自我意识的生命,这个生命不需要它绵延不绝,只要存在十分之一秒钟好了。这个产生和消失完全受制于偶然性的生命,就是物理学家所说的玻耳兹曼大脑(这里,我们只是借“大脑”来代表具有自我意识,能思考的生命,并不一定是名副其实的脑袋)。这种神秘的幽灵似的“大脑”不仅在无序的大宇宙中应该数量很多,甚至连我们所在的宇宙中也应该存在。
  这层意思就好比说,假如有一天你在海里看到一个滔天巨浪,那么你闭起眼睛来也不难猜测,海面上一定还出现了许多规模虽不及、但数量上却胜过滔天巨浪的大浪。如果我们身处的有序的宇宙是这个滔天巨浪,那玻耳兹曼大脑就是这些数量上相当可观的大浪。
  宇宙的两类观察者
  按理说,这些旋生旋灭的玻耳兹曼大脑反正成不了气候,我们就由着它们好了。但有些宇宙学家可不这么想,他们害怕玻耳兹曼大脑的数量超过人类大脑,于是我们在宇宙中就会沦为“少数民族”。
  为什么要担这份心呢?他们给出的理由是:长期以来,人类在从事科学研究的时候就怀揣着一条不言自明的假设,那就是,人类在地球上得出的科学规律具有普适性,可以适用于整个宇宙。就这一点来说,人类以及人类的经验是宇宙生命的典型代表,当我们说“能量、动量守恒”、“真空中光速不变”、“物质是由分子原子组成的”、“热力学第二定律”等等自然规律或者事实时,倘若存在别的宇宙生命,它们对此也不应该持有异议。
  打个比喻。假如你一觉醒来,走到大街上,发现街上所有人都是头着地,脚朝天,用手走路的,唯有你是例外,那么你的地位就显得太特殊了,你的许多经验对于其他人就不适用,你也就不能代表别人。人类在宇宙中也不应该占有这么一个特殊的地位,我们的经验应该是宇宙生命的普遍经验。
  可是这些宇宙学家担心,对那些仅仅靠偶然性组合出来的玻耳兹曼大脑,它们对宇宙的理解很可能迥异于我们,根本不认同我们的经验(为什么不认同?宇宙学家自己也说不清楚。)
  于是,宇宙中就出现了两类观察者,一类是我们这些普通的观察者,另一类是玻耳兹曼大脑这类奇特的观察者。这样一来,我们和玻耳兹曼大脑之间就有一个争夺宇宙解释权的问题,看看谁说了算,看谁是宇宙生命的代表。
  怎么争夺?按这些宇宙学家的看法,那就去数人头,看哪一方的人头多!宇宙的解释权掌握在多数派手里(为什么靠数人头就可以解决问题?他们也说不清楚。他们想到这一点,大概是受了西方选举制度的影响。)
  所以你自己也看到了,这些宇宙学家给出的担心理由在逻辑上是很成问题的,怪不得另一些宇宙学家反驳说,其实在地球上,昆虫的数量就超过人类,难道对宇宙的解释权掌握在昆虫手里?(而对此的反驳是,昆虫不能思考,不能充当宇宙的观察者。)
  不过,暂且不管这些逻辑上的破绽(你当然也可以把这一段当作奇谈怪论来读),我们不妨继续听听他们要干什么。
  争夺宇宙的“选票”
  这些宇宙学家经过计算发现,宇宙在早期,在数量上将由我们这些按部就班进化来的普通观察者占优势。比如说,宇宙大爆炸至今才137亿年,就已经进化出了人这种具有自我意识的高级生命;可是要全凭运气组装出一个玻耳兹曼大脑,这点时间却远远不够。但是从现在起再过200亿年,情况就完全不同了。由于宇宙大撕裂的前景,那时宇宙中玻耳兹曼大脑在数量上将占优势。因为尽管玻耳兹曼大脑是小概率事件,但随着时间延长下去,实际产生的数量还是相当可观的。举个例子,比如说一种病,在人群里发生的概率只有一亿分之一,这个概率已经很小了吧,但乘以目前地球上总人口70亿这个基数,那地球上得这种病的人可能就有70个呢。更何况宇宙膨胀加速,意味着宇宙膨胀将无限延长下去,将膨胀为无限的宇宙,任何一个小概率,一乘上很大的数,都可能大得不得了。
  宇宙学家的一项任务就是确保在他们的宇宙模型里,普通观察者的数量压倒玻耳兹曼大脑的数量,以确保这个宇宙是我们的,而不是玻耳兹曼大脑们的。这来自模型本身要自洽的要求。因为我们要知道,当宇宙学家提出一个宇宙模型的时候,都暗含着一个不言自明的假设,即这是我们眼里的宇宙。但假如这个模型最后推导出玻耳兹曼大脑占优势,宇宙变成是他们的了,那就与前提相矛盾了,这种宇宙模型也就要不得了。
  这种限制跟宇宙学家在他们的模型中要确保大爆炸137亿年后,宇宙的有些地方要产生适合人类生存的环境是一个道理。假如一个模型得出结论说,宇宙至今所有地方都还处于1万度的高温,根本没有人类的容身之地,那二话不说,这种模型就该pass掉了,因为我们的存在就是对它的最好反驳。
  这就是目前玻耳兹曼大脑的实际功用——帮助我们甄别和筛选宇宙模型。比如最近有人提出,一旦玻耳兹曼大脑的数量大于我们普通观察者的数量,宇宙就会自动启动自杀机制,所以宇宙的寿命比我们预期的要短得多。尤其是希格斯粒子发现后,有人提出希格斯粒子的质量可能让宇宙处于亚稳定态。而处于亚稳定态的宇宙终有一天要毁灭,这就相当于宇宙的一场自杀(见本刊2013年09A《上帝粒子决定宇宙末日》一文)。还有人提出,宇宙的加速膨胀不会永远进行下去,目前很多人认为宇宙加速膨胀的幕后推手是爱因斯坦的宇宙常数,若果真这样,那么宇宙常数就不再是一个真正的常数,而是会随时间变小……等等。总而言之,玻耳兹曼大脑已经有点介于科学和玄学之间了。
  哎呀!忘了提醒你一声,当此刻你在读这篇文章的时候,边上会不会冒出个玻耳兹曼大脑呢?
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