# Hakeem Oluseyi: Quantum physics breaks every human intuition \| Full Interview - Channel: [Big Think](https://www.youtube.com/channel/UCvQECJukTDE2i6aCoMnS-Vg) - Published: 2026-05-22 - Source video: [Watch on YouTube](https://youtube.com/watch?v=pyhB7B3JWts) - Read on ReadTube: https://www.read.tube/p/videos/pyhB7B3JWts - Language: Simplified Chinese ## Summary **量子与宇宙多重真实** 这段视频用三个层次解释宇宙：量子领域、宇宙学领域和多重宇宙，并强调物理学更多是在用数学逼近真实，而不是完全凭直觉理解真实。奥卢塞伊反复指出，量子场、时空弯曲、宇宙膨胀与多重宇宙都在挑战人类常识，但这些观念正在被观测和理论不断支撑。 奥卢塞伊从量子领域讲起，说明微观世界并不是由我们熟悉的“物体”组成，而是由遍布时空的量子场构成；粒子更像是场中的激发，电子、光子、夸克都可理解为不同场的振动。他强调波函数是描述量子态的数学工具，能极高精度地预测测量结果，但其“真实样貌”仍然成谜；叠加、测量、纠缠和虚粒子等现象都表明，量子世界的运行方式与经典直觉根本不同。 ## Article ### 量子领域的基本图景 我是哈基姆·奥卢塞伊。我是一名天体物理学家，也是新书《为什么我们存在？：使你成为可能的宇宙九大领域》的作者。今天在 Big Think 上，我们要讨论其中的三个领域：量子领域、宇宙学领域，以及多重宇宙领域。 ### 第一章：量子物理的奇异世界 量子物理之所以古怪，是因为它打破了我们在日常世界里习以为常的每一种直觉。规则失效了，确定性失效了，事物变成概率性的；事物会凭空出现、消失，物体会穿过墙壁。它很奇怪。 我们应该如何看待量子粒子？它们不是“东西”。它们不是像我们周围世界里的那种东西。量子粒子是构成物质的基本成分，它们聚合起来，建构出我们周围的世界。所以，质子和中子是由称为夸克的基本量子粒子构成的。光是由称为光子的基本量子粒子构成的。电子也是一种基本量子粒子。它们以某种方式结合起来，产生新的性质，给了我们一个与创造它们的现实根本不同的现实。 当我们看一幅艺术家描绘原子是什么样子的图时，通常会看到一个像三维太阳系的东西，对吧？你会看到电子绕着原子核运行的那些线条。但事情并不是那样，对吧？围绕太阳运行的行星，本质上是在围绕太阳下落。就像一个物体在地球大气层里下落一样。过程是一样的。电子并不是围绕原子核下落。还有一点是，它们也不是我们想象中的那些小小的球体。当你从它们的基本层面去看时，它们有一个特定的性质，那就是每一个电子都是完全相同的。比如说，你无法把一个电子和另一个电子区分开来。对我来说，这就给出了一个线索，说明它们到底是什么。 所以我喜欢把它们比作音乐音符。如果我听到一个音符，譬如一个 C，每一个 C 都是 C，都是相同的。但是 C 本身是真实存在的东西吗？真正真实的东西是振动并在空气中制造出这种振动的乐器或者声音。空气中的那个振动才是真实的东西。而我们对 C 的感知，是从那个振动中产生出来的。那么，你怎样创造一个振动？你给琴弦或者给你吹奏的乐器加能量。现实也做同样的事。在最基础的层面上，存在着量子场这个概念。这些量子场渗透整个时空。我们所谓的粒子，就是能量被注入到其中某一个量子场里。我们把电子称作量子电子场中的激发。归根结底，我们就是量子场中一首由音乐音符组成的交响乐。 真正有趣的是，如果把这个类比推到极致呢？如果我有一件乐器，比如一把带弦的吉他，如果我不拨弦，琴弦就不会振动，对吧？嗯，不对。事实证明，如果我放大并非常仔细地看那根弦，我会发现它一直在振动。同样，那些量子场也一直在波动。这意味着有两种振动：一种是你输入能量并得到一个激发，从而产生一个音符；但它仍然以同样的频率振动，只是非常微小。那就是我们在量子力学中所说的虚粒子。所以，这两种都可以存在于这些量子场中。 让我觉得量子场非常不舒服、而且我曾经以为这可能只是一个数学类比的地方在于：它们没有某种来源。比如磁场，你会想，“哦，这里有一颗恒星，这里有一颗行星，它是这个场的来源。”如果你有一个电场，你会想：“哦，这里有某种电荷。这个电荷创造了那个电场。”而且，通常我们关心的大多数场——电场、磁场、重力场——都与物质有关。这些量子场却没有来源。它们并不一定像我们通常理解的那样与物质相关，即某种具有某种性质的物质产生了量子场；它们似乎就是在那里，似乎就是遍布整个空间而存在。于是我当时就在想，天啊，这根本不可能是真的，这不可能。 然后在 2012 年，我们发现了希格斯场——一种遍布整个空间的标量场，它把质量赋予这些量子粒子。到了那一步，这就再也无法否认了。量子场是真实的，而且它们……你知道，在物理学中，“场”这个词的意思其实非常简单。它只是意味着某个量在每个位置都有一个取值，对吧？比如说，如果我有一个电场，我就可以用它在房间里每个地方的强度和方向来表征它。如果我把一个电荷放进房间，这个电荷就会从我们称为电场的那个力场中感受到一个力。所以它是真实的东西。 当我们做物理计算时，比如做量子力学计算，或者我们总是会用到这个词：势能。势能。那是什么意思？事情是这样的。一个场在空间中不同位置上有不同的取值。所以势能就是与所处位置相关联的能量，对吧？这与动能不同，动能与运动方式有关，对吧？与你运动得多快、你有多少质量，或者更概括地说，你有多少动量有关。所以，量子场看起来确实是真实的物理实体，它们就在那里，而且无处不在。 那么，你该如何理解这些粒子？天哪，自从我们发现它们以来，物理学家一直在问这个问题。有时候它们是粒子，有时候它们是波；但归根到底，人类之所以会问“这些东西到底是什么”，是因为我们想要做出计算，以便理解某件事或完成某件事。根据你想完成什么，这就是你建模的方式。所以，有时候你把它建模成波。有时候你把原子看成原子核里的一个电子，通过一根弹簧连接着。有时候你确实把它想成一个小球。有时候你把它想成分布在整个材料之中。每次你做计算时，你都能用量子力学的物理得到正确答案。 那么，它到底是什么？我们不知道。什么是波函数？波函数是对一个量子实体的数学描述。它存在于这种奇特的数学空间里，这种奇特的向量空间里。所以，在最基本的层面上，我们测量事物：它在哪里？它运动得有多快？而这个波函数，尽管它并不具有我们在经典力学中习惯的那种可触摸的现实性，却能以极高的精度给出我们对所做测量的正确答案。因此，它是一个极其有价值的工具，但对于生活在量子领域之外的人类来说，它几乎没有什么直观基础。你知道，最大的难题是…… ### 量子态、向量与纠缠 量子力学，以及把它翻译给别人听，难点在于：它建立在一种很古怪的数学之上，足以让人看得眼睛发直。那套数学就是**向量数学**。我们很多人都接触过向量。最常见的地方，是在 `xy` 平面上画一根箭头；你可以从箭头向下画到 `x` 轴，看到它在 `x` 轴上的截距是三，再看看它在 `y` 轴上的截距是四，于是可以把这个向量写成 `3x + 4y`。 ### 时空中的量子场 遍布于这个空间之中。所以，你会以为它们是存在于一个时空里，对吧？等我们进入多重宇宙的领域时，你会看到时空存在于一个空间里，对吧？因此，现实是多层次的。量子场似乎是根本性的，时空似乎是根本性的；有人认为时空是涌现的，我则认为时空是根本性的，因为同样地，如果场是根本性的——而这似乎就是情况——它们就需要一个几何结构来存在。那个几何结构就是空间。能量似乎也是根本性的。能量是造成变化的东西。要有变化，就必须有之前和之后，所以时间必须存在。因此，空间和时间必须存在，量子场和能量才可能存在。那么，它们是不是同时出现的？这有点像星系里的超大质量黑洞。我们看到它们都不可或缺，也都在那里，却分不清哪个先来，哪个后到，像鸡和蛋的问题，对吧？这就是那种问题。 我能给你解释量子纠缠吗？谢谢你对我的信心。量子纠缠是量子力学中的一种现象，当两个或更多实体表现得仿佛它们是单一实体时就会发生；而这些实体如果是单一实体，就必须遵守一些规则。一般来说，它们必须处于互补态。这是那种事情，在物理学家之间，我们很多人都相信：哦，这里没有神秘，只不过是相关性而已，而我们在周围随处都能看到相关性，对吧？但也有人会说，不不不，这里真的有些非常怪异的东西。我在这场争论里是个骑墙派，因为它确实是一种相关性。让它变得非常怪异、非常奇特的地方在于，你可以测量这些相关性。 我通常会给出的类比是：拿一对双胞胎来说；你知道，他们在这个意义上是相关的——当一个坐着时，另一个总是站着。然后你把他们分开，隔着光年，送到宇宙的两端，再给他们各自配一组记录员，记录每一次他们坐下和站起。你会发现，几年以后，当宇宙两端的记录员聚到一起并对照笔记时，他们会注意到这种相关性仍然成立，而且根本不可能有信号在那种瞬时的时间尺度上从一个传到另一个。 但这里有一个大问题，那就是这在某种程度上依赖于在大约相同的时间进行测量。那么，什么叫相同的时间？这就进入了“现在”的定义，对吧？我们把现在定义为一组同时发生的事件，对吧？这就是现在的定义：所有这些事情都在同一时间发生。可是，阿尔伯特·爱因斯坦告诉我们，对于一个观察者来说是同时发生的事件，对另一个观察者来说并不同时，如果他们的运动状态不同，如果他们处于不同的引力能量状态，对吧？后来，这又被扩展成所谓的仙女座悖论，说明这种效应会随着距离的增加而叠加。所以，不同的观察者看待极其遥远的事物时，对吧，比如我们那对相隔甚远的双胞胎。一个人可能会把两个事件看成同时发生，另一个人却可能把同样的两个事件看成相隔几天、几年，甚至几个世纪，只要距离足够大。 所以，在大距离下，观察会失效。是的，我们已经测量过量子纠缠，跨越了很远的距离，比如从地球表面到一颗卫星，但我们还没有在宇宙实际存在的那种超大尺度距离上做过这种测量。所以，这很奇怪，很诡异。它背后的真实底层现实到底是什么？我们还没弄清楚。有些人确信自己已经弄清楚了，但其中存在一个很大的悖论。我选择停留在无知里，停留在谜团里，停留在问题里，停留在好奇心里。 当我谈到量子领域时，我很确定你的脑海会想到你看过的某个视频网站上的视频，或者你看过的某部电影。你知道，《蚁人》进入量子领域，对吧？当我们听到新信息时，我们会试图通过类比，或者把它和我们已经知道的东西联系起来，来理解它。但没有任何我们已经知道的东西和量子领域相像。所以，当你的大脑试图理解它时，反而会让你更困惑。你几乎必须把你的大脑清空，把它扔掉，然后用这种奇怪的数学，从零开始建立整个新的现实，对吧？这就让它对我们大多数人来说都很晦涩。即使是我们物理学家，一旦进入数学里，也还是那句话，我们生活在一个对我们来说讲得通的世界里。量子领域却不是。所以，如果你对这到底是什么毫无概念，你并不孤单。 第二章，宇宙学领域。当你想到宇宙学领域时，要想到动态时空。而这些动力学主要通过两种方式表现出来：时空曲率，以及时空运动，主要是拉伸和波动。所以，宇宙学的领域就是动态时空的领域。我还是研究生的时候，我的博士导师转过来对我说：“嘿，太阳辐照度差不多是每秒10的30次方，或者某个10的30次方的数。”我说：“我不知道。”他看着我，说：“什么？你自称太阳物理学家，却不知道太阳辐照度？”那是一种近乎厌恶的表情。我当时想，老兄，你得把自己的水平提上去。你得把这些东西搞清楚。” ### 宇宙尺度如何改写直觉 数字开始嵌进我的脑子里。于是，我开始用这些数字去理解天文尺度上的现实。我逐渐明白，嘿，你知道，月球的质量只有地球的 1%，但直径却是地球的四分之一。火星的质量是地球的 10%，但直径只有地球的一半。太阳的直径是地球的一百倍。随着这些数字不断留在我的脑海里，我继续忙着做学生该做的事。我在天文台教观测天文学。有一个夜里，我从天文台离开，那已经很晚了，大概凌晨 4 点。那是一个晴朗的夜晚。我看着月亮，开始思考这样一个事实：月亮的大小只有地球的四分之一，而且它离我们大约是 60 多个地球半径的距离，对吧？如果你问一个人，“如果这是地球的大小，月亮有多大、离得多远？”你大概会得到这样的答案，对吧？但实际上，它离我们是 60 多个地球半径。也就是说，那个距离的 60 倍，已经到了这边墙的另一侧，对吧？你知道，于是当我意识到那个东西离我有 60 多个半径远，而我又看到它在天空中的样子时，我突然能以三维的方式看到天空了。 夜空里还有木星，我知道它在太阳的另一边，而且它比地球大 10 倍。看到它在夜空里显得多么大，结合这些距离，对吧；你知道，东西越远，看起来越小。知道这些距离之后，我就想：“天哪，木星竟然如此巨大，对吧？” 但后来有一个夜晚，我有个朋友，他在学校表现得并不好。我们就这么说吧。他不是那种学术型的人，但他的好奇心极其疯狂。有一天，他邀请我去加利福尼亚海岸山脉里、埃尔克镇外他父亲的家里。他说：“嘿，兄弟，带几台望远镜来。”于是我带了两台望远镜上去。然后我在那儿做我的事，基本上有点忽视他。他对我说：“嘿，兄弟，天上那个模糊的东西是什么？”我说：“什么？”他又说：“对啊，伙计，我不用望远镜都能看见它。”我当时想：“滚开吧。”对，当然，我当时说得比这更粗鲁一点。他说：“对啊，伙计。”而且他声音里那种真诚让我一下子愣住了。我心里想，我唯一知道的、肉眼可见的模糊天体就是仙女座星系。而我们所在的方向、当时的季节，根本不是看仙女座的时候。这个家伙在说什么？我以为他一定是搞错了。于是我去看他的目镜，果然，它就在那儿。我心想，他说他不用肉眼就能看见它。于是我把头移开，顺着望远镜筒朝天空看去，它果然在那里。然后我突然意识到了。我一直知道，在足够黑的地方，仙女座星系是可以用肉眼看到的，但我也知道那必须非常黑，而我一直没有真正去尝试过。你知道，我一直没有机会。但它就在那儿。现在，你只能看到它的隆起部分，但在夜空里，对吧，它比满月大好几倍，对吧？它横跨 3°，对吧？月亮大约只有半度。那是六倍大。而那东西离我们有 250 万光年。所以现在再一次，我知道我正在看的是一个距离我 250 万光年的东西。它在我的夜空里看起来那么大。我的脑子炸开了，因为我能感觉到那东西有多大。它实在大得不可思议。这就是宇宙尺度领域最疯狂的地方，对吧？一个原子宽约 `10^-10` 米。一个原子核是 `10^-15`。这听起来小得离谱，而且确实如此。但仅仅是我们的星系，你知道，往小里看是 `10^15`，往大里看是 `10^21`。我就像在想，兄弟，我到底在哪里？这到底是什么？现实到底跟我开了多么残酷的玩笑？你想让我把我的大脑绕过这一切吗？ ### 时空、光速与相对论 bigness？哇，伙计，哇。阿尔伯特·爱因斯坦得到了这个时空观念的大量功劳，但它其实起源于明可夫斯基。这里的意思是，空间和时间之间存在某种关系，而且我觉得这种关系比我们在日常生活里理解到的还要更基础。 我们对这种关系其实是有直觉的。我们知道空间和时间之间有关联。我可以说，我以前住在空间海岸，或者说奥兰多离这里有某个距离；我也可以说，奥兰多离这里要一个小时。对吧？我可以用空间来描述，也可以用时间来描述，而且我们用光也是同样的方式。哦，你知道，太阳距离我们 9300 万英里，或者大约 8.4 光秒。空间和时间之间有关系，这一点是直观的。 如果我要描述一条线，描述二维 `xy` 空间里一个线向量的长度，我会说勾股定理，`a^2 + b^2 = c^2`，对吧？我们都熟悉这个。可是一旦你加上时间坐标，它就不再是加号了，而是变成减号。于是空间和时间就像在彼此拉扯，对吧？而其结果就是，我们得到这样一种观念：你始终有一个穿越空间的速度，也有一个穿越时间的速度。就像勾股定理里 `a^2 + b^2 = c^2` 一样，你会得到：你穿越空间的速度平方，加上你穿越时间的速度平方，等于光速平方。 所以，你永远不会在时间里静止，是吧？除非你——你知道，因为你永远不可能以光速运动。嗯。那这告诉我们什么？这告诉我们，宇宙中的一切在任何时刻都在穿越时空，因为一切都在穿越时间，而彼此之间我们有速度，对吧？如果宇宙里只有一个东西，速度这个概念还有什么意义呢？但如果有两个东西，而且它们在运动，那么你就有了相对于别的东西的速度。由此推出的是，你穿越空间的速度和穿越时间的速度，对每一个物体来说都会不同。所以，每一个物体因为穿越空间的速度不同，就必然有不同的穿越时间速度，而这对我们人类的直觉是彻底的打击。 时间似乎像是以一个稳定的速率滴答向前。对吧？地球每天自转一圈，沿着轨道绕太阳一周，对吧？看起来就是这样。我们的年就是一年。秒就是秒。分钟就是分钟。其实，不是。所有这些都源于这个四维时空：空间和时间彼此拉扯。你以光速穿越时空。你不是以光速穿越空间。你也许是在接近光速地穿越时间，而光速是最大速度。但在任何时候，你和宇宙里的其他一切都在以光速穿越时空。不是以光速穿越空间，不是以光速穿越时间，而是穿越时空。这个组合，就有点像伽利略发现的那个道理：一个处于静止或运动状态的物体，除非受到外力作用，否则会保持静止或运动。对吧？为什么会这样？同样地，你穿越时空的运动是一个常数。它是不变的，但它会在空间和时间之间切换。 比如说，如果你孤零零地在太空里，你会以最大速度穿越时间。但假设你靠近一个有引力的天体，比如行星或恒星，你的运动方向就会改变。所以有些物理学家喜欢说，引力会把穿越时间的速度转化为穿越空间的速度，对吧？这就是你在引力天体附近会加速的原因。你知道，这很难真正装进脑子里。它在相对论的数学里清清楚楚，容易得很；但当你第一次被告知、第一次发现它的时候，它确实是个脑袋粉碎机。不过它也解释了许多谜团。比如你也许会想，为什么光速被认为是宇宙中的速度上限？好吧，换个角度想。 如果我相对于你静止，对吧？相对于彼此，我们在空间上没有运动。所以我们一起以光速穿越时间。现在假设我开始快速地穿越空间。这就意味着我必须更慢地穿越时间。于是，为了让我在空间里跑得更快，我就必须借用时间速度；我必须从我的时间速度里减掉一些。可我一开始有多少时间速度呢？是光速那么多。好了，那这就是我能借走的最大量。如果我把空间速度提高，把时间速度降低，最后我就会把所有时间速度都用完，而我就会以光速在空间中运动。 当然，任何有质量的东西都做不到这一点；与此同时，任何没有质量的东西，比如引力波、光，都必须那样做。但这里有个真正古怪的地方。如果你用这个类比来看光，对吧？你会得到这样一种现象：东西跑得越快，时间膨胀得越厉害，对吧？也就是说，它穿越时间的部分越少。不仅如此，距离也会收缩。所以，速度越快，距离就变得越短。于是你可能会觉得，光既不经历空间，也不经历时间。但这不对。事实并非如此。为什么？原因在于，当我说我以光速穿越时间时，如果我们彼此静止，我和你一起以光速穿越时间，我实际上调用了一个叫做静止系的概念。好吧，猜怎么着？光没有静止系。所以你根本不能做这种定义。那是毫无意义的。你不能说光不经历空间或时间。它没有静止系。所以，你知道，关于以光速穿越时空、生活在四维时空中的这些后果，确实绝对是个脑袋粉碎机，但你必须小心这些类比，以及你思考它的方式，因为一路上到处都有细微差别，可能会把你引向错误的结论。 宇宙怎么会既弯曲又平坦？所谓平坦，就是没有曲率。嗯，这有点像说地球既是球体又不是球体，对吧？或者，给我那些爱较真的书呆子们说，扁球体有点像蛋形。不过它到底是怎么运作的呢？你可以把宇宙和时空曲率分成两个尺度来看。有一个大尺度的宇宙，也有局部宇宙。所以，是的，在像地球这样的行星旁边，时空是弯曲的。太阳附近，时空是弯曲的。银河系附近，时空也是弯曲的。对吧？比如我喜欢这样想：如果你想一想我们的银河系，它周围有一个巨大的光晕，向外延伸大约是银河系半径的 10 倍，对吧？所以如果你想象那张布上的凹陷，或者 ### 宇宙膨胀与整体曲率 漏斗模型里，那巨大的暗物质光晕包含了大部分质量。所以，它会制造出一个很深的凹陷，对吧？然后你还有星系物质在那里的集中。那里还会有另一个很深的凹陷。再往正中央，因为密度很重要，你有我们的超大质量黑洞。就是，右？所以，这就像，嗯，你知道的，几乎像你在空间和时间里钻一个洞，因为一切都在绕转，对吧？一切都在旋转和公转。 所以，局部来看，时空的性质有很多曲率，也有很多特征。但是你知道，就像地球一样，它有山脉，有天坑，有沟壑，有山谷。地球表面有很多特征。可如果我后退一步，从远处看地球，它看起来就是一个光滑的蓝白色球体，对吧？宇宙也是一样。尽管有这些局部特征，如果你站得足够远再回头看，它看起来就非常平滑。存在大尺度的整体无曲率时空，也存在局部高度弯曲的时空，以及基于质量、密度、能量和压力而具有不同大小和强度的曲率。 而这种整体的时空行为，发生在一个并非静止的宇宙里。宇宙正在膨胀。所以，当你开始谈论宇宙在宇宙学尺度上的时候，你必须把时空曲率和时空膨胀都考虑进去，而这再次完全打破了我们的直觉。我们在地球上体验到的时空曲率的唯一表现，我们把它叫作重力，你知道的，我们只是用一个单一的数字来表征它。但在时空里，事情非常不同。空间在流动。空间在起波。空间在拉伸。我们的日常存在里没有任何类比能让我们为此做好准备。这就是为什么理解宇宙学要花很长时间。一旦你明白了，它看起来就有点简单了。但要把这种对我们如此陌生的东西想明白，尤其是那些宇宙学尺度上的东西，而后你又要把那些仍然隐藏着的现象的引力效应也考虑进去，它真的会把你的脑子撑爆。 #### 用球体类比宇宙膨胀 我们经常做的一件事，是为了给学习者创造一个类比，来理解时空膨胀是如何工作的。我们拿一个球体，在上面画上纬线和经线，然后把星系放在这些纬线和经线交点上，接着把球体放大。对吧？这样，经线和纬线交点之间的线段会变长，但星系本身仍然留在那些交点上。对。于是空间扩张了，但它们在那个特定坐标系里并没有移动。 这个类比非常有效，因为宇宙真的非常大。所以宇宙的大部分都离我们很远。也就是说，宇宙的大部分正在非常快速地膨胀。这意味着我们观测到的星系运动，大部分并不是由于它们在那个坐标网格中的运动，而实际上是由于网格本身的膨胀。对吧？所以我们有一个概念，叫作膨胀拖拽。它几乎就像，嗯，它膨胀得越快，就越会减慢它的内禀运动，与那个时空运动相比更是如此。 我喜欢举的一个例子是河里的蝌蚪。假如我站在河岸上，从河边看向河中央，你会发现靠近河岸的水会和河岸发生相互作用。那会让它比河中央的水移动得更慢。所以，如果我看着此时此地的几只蝌蚪，我会看到它们相对于水在移动，对吧？它们来回游，来回游，对吧？水呢，你知道的，就像它们存在其中的背景。但是如果我看流道中央的蝌蚪，它们就会被顺着河流带走。当然，它们会甩动它们的小尾巴，也会相对于某个局部坐标系来回移动。但是从我站在岸边、远远看过去的角度，河流速度才是它们运动的特征。我会把它们看作基本上相对于承载它们的那一团水是静止的，尽管它们在里面拍打个不停。 时空的作用方式完全一样。星系在运动，对吧？它们彼此绕轨道运行。它们呼啸而过。但是因为它们中的大多数离得更远，真正主导它们运动的，是它们穿过时空的那种运动。所以，就好像它们被钉在那个空间位置上一样，然后只是被这部电梯，或者这条传送带带走。在这种膨胀情景里，如果你看得足够远，你会得到一些远离你的速度超过光速、甚至还更快的天体，对吧？这打破了我们的直觉，因为我们认为没有任何东西能在时空中移动得比光速更快。但拉伸在把东西带离你的速度方面，几乎是没有上限的。不过在局部，没有任何东西移动得比光速更快。 当我们谈论整个宇宙时，它如何打破我们对“一个普遍的现在”的概念，对吧？这就是宇宙的年龄。这就是宇宙现在是什么。好吧，伙计，它以多种方式打破这一点，对吧？第一种方式是，我们知道宇宙中每个实体的时间流逝速率，都取决于它的能量状况，对吧，它处在多深的引力井里，对吧？重力会减慢时间，所以这意味着，当你在飞机上，或者绕地球轨道运行时，你的时钟会比地面上的人走得更快；而且速度也有影响。你相对于别的东西移动得越快，你的时钟相对于那个别的实体就走得越慢。所以如果你环顾宇宙，引力地形是变化的。你知道，星系之间有这些巨大的空洞，那里几乎没有物质。然后你还有所谓的纤维状结构，这种纤维状结构里暗物质和普通物质汇聚在一起，形成我们所说的宇宙网。在宇宙网里，时间会比在这些空洞里流逝得更慢。 那么，我们究竟如何拥有“宇宙的年龄”或者“现在”这样的概念呢，既然每个地方都有自己的时钟？事实证明，我们可以用两件事。第一件是宇宙中事物的演化。恒星正在把元素烹制成其他元素。所以，你知道的，复杂性正在出现，对吧？因此，在一段时间之后，你可以得到一些在那之前得不到的不同矿物，因为它们必须按特定顺序被“烹制”出来，才能存在。对吧？而同样地，充满宇宙的光也具有一种把宇宙中的事物平均化的性质。它叫作宇宙微波背景辐射。 所以，光具有一个性质，对吧？光与时空强耦合。因此，当时空膨胀时，正在穿过那个时空传播的光， ### 宇宙时间、演化与观测参照 它的波长会被拉伸，拉伸的程度和光在其中传播时空间扩张的程度一样。于是，所有的宇宙微波背景，哪怕沿着不同方向、不同视线、膨胀速率稍微有点不同，宇宙微波背景辐射也会把这些干扰参数大致平均掉。所以它可以充当一个方便的钟。涌现也可以充当一个方便的钟。尽管基本现实是并不存在一个普遍的“现在”，我们仍然有这些方便的钟，它们给我们一个参照，给我们一个信标式的参考，让我们可以这样说话。 在缺少普遍“现在”的情况下，宇宙学家仍然可以谈论宇宙在某个给定时间切片上的样子，因为有宇宙学原理，它说宇宙是均匀且各向同性的。这意味着，宇宙在各处由同样的东西组成，并不存在特殊的位置、取向或方向。对吧？问题在于，这种均匀性是空间中的均匀性。各处在某种意义上都差不多，尽管又并不完全一样。对吧？你知道，在太阳上和在地球上，或者在星际空间里，都不是同一回事，对吧？但在足够大的平均尺度上，我们可以说它们都由同样的东西组成。 不过每一个时刻都是独特的，对吧？宇宙中会发生这种涌现的模式，对吧？力在宇宙中会“冻结”下来。你会从一个只有等离子体的宇宙，过渡到一个只有气体的宇宙。然后你就会得到恒星和星系，并且你知道，结构会形成。所以当你环顾宇宙时，你可以说，好的，这已经演化到了这个程度。所以我可以把这个时间附着在它上面。你还有宇宙微波背景辐射，它的光在各个方向上都在均匀拉伸。那确实给了你一个平均意义上的时钟。 还有另外一点。当我们把宇宙建模、在做宇宙学时，你会做这些假设。你假设宇宙不是由纤维状结构、这些东西组成的斑块状团块。你假设它是一团均匀的气体，而这就允许你写出整个宇宙的能量守恒方程，对吧？以及宇宙的加速度方程。你知道，这些方程让我们能够进行计算，去看过去，也去看未来。它们非常有用。有些人说天文学是一门历史科学，因为我们总是在看过去。嗯，我会说，如果你在看你面前的设备，你也是在看过去。所有观看都是在看过去，因为光必须传播到你这里。现在，对我们来说，光移动得非常快，但那只是因为我们太小了。宇宙很大。光到最近的星系要花两百五十万年。所以从宇宙的角度来看，光并不快。你在思考宇宙时，必须把这一点考虑进去。 ### 视界、宇宙幼年与可观测极限 他真的让人觉得不可思议：我可以看着宇宙在今天的样子；我向离我们一定距离之外看去，就能看见宇宙在一亿年前、三百亿年前、十亿年前、五十亿年前，或者一百亿年前的样子。我之所以能做到这一点，是因为光需要时间才能到达我们这里，而我们正是通过这些光来做观测。 但我做不到的一件事，是看见我自己一百万年前的样子，或者看见太阳一百万年前的样子。因为那道光早就发出来了，我得比光速更快，跑到太阳一百万年前发出的光之外，然后再回头看它，说：“啊，那就是太阳一百万年前的样子。”如果你在科幻作品里有虫洞，当然可以做这种事，但我们做不到。那就是生命的限制之一。 他说他以前打很多篮球，也经常受篮球伤。他会对自己说：“天啊，想象一下，如果我们不会受伤，这项运动该有多好。”他只是很喜欢和别人撞在一起，真的很喜欢身体对抗。比如，如果他能全速奔跑、直接狠狠干过去，生活就会很有趣。但我们有这些限制，而且必须与它们共处。光速作为速度上限，就是我们必须接受的一种限制。要理解宇宙、理解我们如何观测宇宙，以及时间和距离在这种关系中的联系，就得接受这一点。 #### 宇宙膨胀带来的视界 生活在一个不断膨胀的宇宙中，有一个后果，就是会有多个视界，定义我们能看多远。宇宙在膨胀，而且宇宙膨胀的速率对每个观察者来说都会随着距离而变化。你离得越远，宇宙中的每个人看到的东西都会一样。每个人都相对于自己静止。我在任何时候都相对于自己静止；无论我相对于你移动得多快，我相对于自己始终静止。 如果光从遥远的深处朝我传播，它会根据它所走过的距离以及它移动的速度，也就是光速，抵达我的位置。比如，如果你以每小时 50 英里的速度移动，1 小时之后，你就会走了 50 英里。那意味着什么？那意味着随着时间前进，来自越来越远处的光会到达我这里。所以如果我是一个观察者，而我在看我观测范围的极限，那么它会是围绕我的一个球体，而且会随着时间增长，因为来自更远处的光会随着时间推移抵达我的位置。 但是现在，我们把宇宙膨胀这个事实也算进去。这意味着，如果我把距离加倍，事物的退行速度就会变成两倍；距离变成三倍，速度就变成四倍、三倍；一百倍的距离，就是一百倍的速度。最终，你会到达一个点，宇宙膨胀的速度会达到光速。我们把那定义为哈勃球。如果某个东西正以光速远离你，并且它朝你的方向发出光，你能看到那道光吗？答案是：能，你最终会看到那道光。但在那之外有一个点，你就看不到了，而那个哈勃球本身也会随着时间膨胀。 然后你会到达宇宙事件视界。这个边界表示：今天发出光的天体，如果距离超过那个界限，它们的光将永远不会到达我们，因为它会穿过一片以极快速度远离我们的时空区域，以至于即使它在努力朝我们过来，那种膨胀也会把它拉回去。 #### 跑步机类比 你可以把它想象成你站在一台跑步机上，而跑步机正把你往后送。你可以想象一台慢速跑步机、更快的跑步机、更快的、更快的。作为一个人类跑者，如果你向前移动得比跑步机把你往后拉得更快，你就会取得前进。但如果你把跑步机的速度不断提高，最终你就没法再向前推进，最后你会开始被带走。这就是宇宙事件视界的工作方式。最后你会到达这样一个点：时空膨胀得太快，以至于你今天发出的任何光都永远不可能到达你。 但注意，我说的是“今天发出的光”。如果你看那些最遥远、其光今天正到达我们的天体，它们在遥远的过去离我们更近得多，那时它们的光开始朝我们传播。只是后来，时空的膨胀把它们带到了我们的宇宙事件视界之外。所以这些天体，尽管它们的光正朝我们来，而且最终会到达我们，但这些天体本身已经在宇宙事件视界之外。 这就定义了第三种视界，叫作粒子视界。它不是针对今天发光的天体，而是针对今天到达我们这里的光对应的天体。因此，如果你看宇宙事件视界，它大约在一百六十亿光年之外；哈勃球大约在一百四十亿光年之外；粒子视界则更像是四百六十亿光年之外。所以，我们可以看到来自现在距离我们四百六十亿光年的天体的光。 #### 宇宙的幼年 这个不断膨胀的宇宙改变了一切。在遥远的未来，虽然“遥远”这个词是相对的——按照我们能够外推的宇宙年龄来看，宇宙还会存在非常非常久。所以在他看来，我们仍然处在宇宙的幼年时期。如果他看宇宙被认为将持续存在多久，尤其是其中还有恒星存在的时候，他会打个比方：假设那个在未来继续存在的已知宇宙，相当于一个一百岁的人，那么宇宙现在相当于多大？相当于两三天大的婴儿。对，现在差不多就是这样。 他说他喜欢说宇宙仍处于幼年时期，因为你之所以还能观测到它，正是因为这一点。只有一个新的宇宙才是可观测的，因为这种膨胀最终会把所有星系——除了那些和我们引力束缚在一起的，比如仙女座星系——都推到我们的宇宙事件视界之外。到了遥远的未来，我们最终将无法再看到它们。 而仙女座星系和银河系将会合并，或者说碰撞并结合，形成哈基银河系，或者你也可以叫它“银仙座”。到那个时候，我们整个可观测宇宙就会…… ### 多重宇宙、测量问题与暴胀宇宙 #### 我们还能测量什么 ……将只由这座星系和这些宇宙背景组成。其他一切都会从我们的视线中被扫出去。我们仍然可以做测量。你知道，我们可以用脉冲星来测量穿过这个宇宙的引力波，并做一些宇宙学。我们仍然可以测量宇宙微波背景辐射，测量它的偏振、涨落和变化，并做一些宇宙学。可是，至于观测星系，那一局就结束了。 #### 第三章：我们可能生活在的两个多重宇宙 物理学家说“多重宇宙”时，是什么意思？这个概念源自我们说“宇宙”时的意思。宇宙是有特征的。而其中一个特征，有点像定义一个活细胞，对吧？定义一个活细胞的东西，是它包含一个把自身包围起来、并将其与其余存在分隔开的体积。所以，宇宙也是这样：它是一个与其他存在相分离的体积。在这个宇宙内部，有一些特定的物理常数，它们刻画了这个宇宙内的物理和这个宇宙内的相互作用。比如引力常数、我们称为普朗克常数的作用常数，或者你知道的，把能量和温度联系起来的那个常数，我们称之为玻尔兹曼常数，对吧？然后还有一些更晦涩的常数，比如精细结构常数。但这些常数、这些数值，并不是我们推导出来的，它们就是这样存在着。对吧？所以每一个宇宙都会有自己的一套常数，用来定义物理如何在那个宇宙中发生，而且它会是一个从其他这类体积中切割出来的体积。 #### 量子力学的多世界解释 多世界诠释想解决什么问题？它试图解决我们所说的测量问题。这个想法是：当我们做一次量子测量时，描述系统状态的那个向量，会从被表达为系统所有可能构型之和的形式，变成——对吧——在被测量时，它只会在一个状态中被发现。但在测量之前，我们把这个状态描述为所有可能状态的组合；一旦你做了测量，它总是只会在那些可能状态中的某一个里被发现。那么那里到底发生了什么？在第一种情形里，在初始状态中，你有一个由这些和组成的状态矢量；然后在测量之后，状态矢量只剩下那个和中的一个分量。那么这种转变看起来是什么样的？测量是不是以这种方式改变了系统的状态？一些物理学家，也就是他们所说的哥本哈根诠释，会说是的，系统在测量时坍缩到那个单一状态。但另一些物理学家提出了不同的想法，他们说这里发生的是，每个状态实际上都存在，而每个状态都对应着它自己的一个宇宙。所以，你得到的那个测量告诉你，你在哪一个宇宙里。也就是说，所有可能性、所有可能状态都会在每一次测量中发生，但它们只是发生在不同的宇宙中。这意味着，我们宇宙中的一切都有不同的副本。每做一次测量，你就会“弹出”这些新的宇宙。你知道，这很奇怪，非常、非常奇怪，也很怪诞。它似乎违反能量守恒。而且还有一点是，我们甚至并没有真正定义“做一次测量”到底是什么意思，对吧？它只是一次相互作用吗？ 举个例子，如果我有一个光子和一个电子相互作用，对吧？一束朝着某个原子前进的 X 射线，而那个原子有一个电子。物理学里有一个著名实验叫康普顿散射实验。这是一个展示光具有粒子性质的实验，它显示光会像粒子那样交换动量，就像两个台球碰撞一样。在那次相互作用中，相互作用之前，电子和光都被描述为波；但在相互作用中，它们都表现得像粒子，对吧？那么，这种相互作用会不会创造出一个新宇宙，在那里每一方都从叠加态变成一个确定态？所以你想想，许多星系团都充满了这种炽热的 X 射线辐射气体，而那些包含难以想象数量电子的星系，都在这种一百万度的热气体中运行，它们正不断遭受 X 射线轰击。每一次相互作用都会把一个宇宙“发射”出去吗，对吧？这太疯狂了。 而且即便如此，你知道，当你谈到那个在测量前状态中的状态矢量，也就是那个波函数时，测量前状态本身就包含了概率。测量的概率到底是什么意思？如果每一次测量在某个宇宙里都具有概率为一，对吧？每一次测量在某个宇宙里都具有确定性。那么，这些概率到底意味着什么？有些人认为，你知道，在边缘地带的人会觉得那可能是真的；而有些人则是因为他们觉得波函数坍缩这个想法太不物理了。所以一定还有别的解释。而这就是其中一种诠释。我觉得这两种解释都可以。我认为我们缺了点什么。我认为这里有些事情我们还没有正确解释，还没有正确理解。你知道，我喜欢生活在神秘之中。我喜欢无知，对吧？一旦你知道自己无知，你就能修正它。你可以设计一个实验。你可以设计一个思想实验。你可以设计数学来追查到底。我觉得，这个问题一直在推动年轻而好奇的人和年长而好奇的人做的，正是这件事。但如果你接受其中一个或另一个，你就会以为自己把它解决了。现在假设，当然，我们可以推测。拥有一颗人类大脑的好处就在于，你可以…… ### 多重宇宙的实验线索 想象那些从未被观察过的事物——你知道，它们也许永远不会被观察到，甚至也许永远不会存在，但你仍然可以想象它。你可以想象一个宇宙，在那里“多世界诠释”经受住了某种实验检验，而我们会惊呼：“天哪，它竟然是真的。”这对我们的现实意味着什么？这是否意味着我们现在有可能接触那些其他宇宙？ #### 新观念带来的新可能 你会发现，一种对自然的新洞见，本身就有点像一种新技术，对吧？互联网创造了一个全新的经济。然后，建立在互联网之上的智能手机又创造了一个全新的经济。所以，每当你拥有像弦理论这样的新观念时，虽然它并没有在物理学中真正奏效，但从数学上讲，它却创造了全新的探索领域，对吧？它带来了一个非常丰富的数学理解与探索领域。 第一件事就是：你不知道自己不知道什么。所以，如果这个多重宇宙的想法——也就是多世界诠释——最终被证明是真的，那是否意味着我们将永远与那些其他宇宙隔绝，永远无法接触它们？目前，大多数物理学家的看法是：是的，如果它是真的，那大概就是情况。但如果它真的被证实，人们会开始以完全不同的方式思考。而在这种探索中，某些聪明的研究团队很可能会找到宇宙之间相互作用的方法，对吧？他们可以提出实验。比如，曾经有人提出过这样一种想法：重力之所以比其他所有力弱得多，是因为它泄漏到了某个平行宇宙里；而我们在我们宇宙中看到的暗物质，其实是附近平行宇宙中物质的引力拉拽。他们甚至提出了一个实验思路：如果你能在足够短的距离上测量重力，就会突然看到重力增强，因为在那之前它还没有泄漏到另一个平行宇宙里。这个现象从来没有被测量过。但关键在于，他们想出了一种测量它的方法。 我认为，如果我们真的发展到这样一种状态：是的，这里面确实有点东西，那么我们不会就此停下。我们会继续探索。而谁知道这会带来什么。 #### 宇宙学中的多重宇宙 物理学调用多重宇宙概念的另一种方式，发生在宇宙学中。这一思路来自一种假说，它被用来解决宇宙学中研究者在20世纪后期开始注意到的几个问题。这些问题叫作“平坦性问题”和“视界问题”。解决方案就是所谓的“暴胀”。暴胀指的是，在我们宇宙最早的时刻、最早的瞬间，宇宙一次又一次地翻倍增大，在极其微小的、你知道，10的负若干位数秒的时间里完成，也就是十亿分之一的十亿分之一的十亿分之一的十亿分之一秒之类的量级。 其后果是：今天宇宙中那些看起来在当时彼此的宇宙事件视界之外、因此永远不可能彼此通信、永远不可能彼此交换能量的区域，当我们今天观察它们时，却显示出相同的温度，就像它们曾经彼此接触过一样。比如，如果我看来自那个方向的宇宙微波背景辐射，再拿它和来自这个方向的辐射相比，二者大致都表明宇宙处在相同的温度。怎么可能这样呢？按照标准的大爆炸热模型去计算，这么大的区域本来只相当于满月大小的两倍左右，而这些区域却应该有相同的温度，对吧？但整个天空的温度却是一样的。这意味着，如今看起来仿佛永远处在彼此视界之外的宇宙区域，曾经有一段时间位于彼此的视界之内，而那次宇宙的快速膨胀把它们推得如此遥远，以至于今天才呈现出这种外观。 #### 视界与未来光锥 那么，我说的“视界”是什么意思？在相对论里，每一种未来可能性都受到光速的边界限制。对吧？所以如果你以光速运动，你能到达的有一个范围，而你不能到达那个范围之外的任何地方。于是你有一个所谓的“未来光锥”。如果你去看早期宇宙中所有区域的未来光锥，那么如果我们把这些区域拿到今天，再往回推，它们看起来会彼此处在对方的光锥之外。但显然，它们曾经处在彼此的光锥之内。而这次暴胀事件正是让这一点能够以物理方式显现出来的原因。 但接着你还需要一个理由：它为什么会发生？当我们开始研究它到底如何发生时，这直接把我们带到了这样一个想法：在宇宙学领域，多重宇宙可能是真实存在的。 #### 暴胀泡泡与不同宇宙 在多重宇宙中存在的宇宙类型，与多世界诠释里看到的那些宇宙有着根本不同的性质。你可以把它想象成烤一条面包，对吧？你把面包烤起来，面包会膨胀，而在面包内部有一些小气泡、空气囊，对吧？于是每个气泡都有自己的历史，而这条面包本身也有自己的历史；每个气泡都彼此独立。这就类似于暴胀宇宙会创造的东西。 但不同之处在于，底层背景、整条面包——也就是那个宇宙本身——一直在那里。它在超级快速地膨胀，它在做自己的事情。而当它“弹出”气泡时，它并不是在同一时刻把它们都弹出来，对吧？这些从暴胀状态中脱离出来、随后核化为新宇宙的气泡，是一个接一个“弹”出来的。如果另一个气泡恰好在它附近形成，因为更大的空间膨胀得如此迅速，那么到它核化出来的时候，它已经远远地被推开了，以至于这些气泡会永远彼此分离。 如果由这一过程——即所谓“永恒暴胀”——生成的宇宙学多重宇宙是真的，那么就会存在多个时空。存在一个更大的时空背景——我不太想用“背景”这个词，因为以前有一个旧模型叫作“膜”和“体积”，但真正说来，那里存在一个更大的空间，而每个宇宙都有自己独立的时空，有着自己的历史；一旦那个更大的空间孕育了它，它就会从那更大的空间中分离出来，独立演化。每个泡泡宇宙的性质都会略有不同，每一个都有自己的历史，每一个都有自己的时空曲率。 我对地球上这种动物——我们称之为智人——感到无比钦佩。你知道，不久前，你还在非洲平原上吃着捕食者剩下的残羹剩饭。到了某个时刻，你决定要敲碎岩石，把它们变成工具。然后你一路发展到熔化沙子，把它变成量子技术，进行实验，并理解我们生活在一个正在演化的宇宙中。你还对这残留下来的光进行测量。 从宇宙起源的**宇宙微波背景辐射**开始。你的物理学告诉你，嘿，它应该具有各种各样的涨落。如果这个多重宇宙的事情是真的，那么就应该存在一种叫作**超视界涨落**的东西。你做这个仔细的测量。你走到这样一个地步：你把**普朗克卫星**送上去，而它就在那里，清清楚楚，明明白白。超视界涨落的信号就在那里，你就会说：“哇，永恒膨胀看起来是真的，而且看起来我们身处一个宇宙中。” 所以，我们已经到达了**多重宇宙的实验验证**这一点。但这是一个很大的说法。所以，这并不是决定性的证据，而是一个非常强的间接证据。有些物理学家确实说它是决定性的。我非常尊敬的一些物理学家说，在他们看来，它就是决定性的。可我还不相信它是决定性的，因为我自己还没有完全理解这一切。呃，不过我正在研究它，和我正在做的其他事情一起。 你知道，我们已经到了这个实验层面。你知道，天哪，大自然和存在本身真是一个迷人的地方。我们在物理学中一再看到的是，方程式里会冒出一些东西，把我们引向新的发现，对吧？比如麦克斯韦通过操弄所谓的麦克斯韦方程，发现了光是一种电磁波。但是，更多时候，方程里冒出来的东西其实并不是真的。你必须想办法说：“哦，这就是我们如何使用它。”对吧？原来方程的这部分是现实，那一部分只是数学垃圾，是残留物。 与此同时，我们还有像**阿尔伯特·爱因斯坦**这样的人出现，他写下例如广义相对论这样的方程，而它又创造出像黑洞和引力波这样的现象，这些现象可能几十年后才可测量，甚至要等一个世纪之后才可测量。对吧？所以，我们的方程有些预测可能完全是胡说八道，而另一些则可能是对宇宙的洞见，但我们现在没有办法测量它们，因为我们的技术还没有发展到那个水平。 这告诉我的是，我们需要认真对待这些预测，我们也需要作为一个社会继续资助人们去追寻这些问题，因为每一次我们发现某种新的现实基本性质，它都会引出新的工程技术，让我们能够利用这些东西。边缘研究、对这些前卫思想的研究，才是发现的沃土，而那正是我们必须探索的地方。不要只是把它们一笔带过，说那不可能是真的。宇宙从来不在乎你认为什么可能是真的。我们要做的是倾听宇宙，并且问宇宙：嘿，宇宙，你是什么？而我们的观察和我们的计算，就是宇宙在我们发问时回答这些问题的方式。 想要支持这个频道吗？加入 Big Think 会员社区，在那里你可以**提前**并且**免费**观看视频。