李淼李淼,理论物理学家,专业研究领域包括超弦理论、宇宙学和粒子物理,发表英文专著《暗能量》,科普著作《超弦史话》、《越弱越暗越美丽》,写过三百余首诗歌,最近也开始写科幻。

越弱越暗越美丽

2013-05-18北京
我大胆地假设了一个理论,在400多亿光年的那个地方,有一块我们看不见的、非常大的屏幕,它正在放着IMAX,你看到所有的这一切,你今天谈恋爱了,你今天早上吃了一个面包了,或者是宇航员升天了,所有这一切实际上是在那个大屏幕上在展示出来。
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越弱越暗越美丽

李淼 2013-05-18

我希望在我演讲完了以后,我的演讲就自动解释了这个题目的意思。

我想先给大家讲一个故事。1999年我回国,然后在这前一年,人类摊上了一件大事儿,什么大事儿呢,就是美国的两组天文学家利用哈勃天文望远镜,发现了宇宙正在加速膨胀。

我不知道这儿有多少人了解宇宙在膨胀这件事实。这是上世纪30年代天文学家发现的,然后到了上世纪60年代,天文学家肯定了宇宙在膨胀。由于宇宙在膨胀,那么宇宙在之前一定要比现在小很多,在138亿年前,宇宙确实起源于一场大爆炸。

这场大爆炸不是说像炸药包一样,从一个点向空间所有点爆炸,而是空间的每一个点都在爆炸,每一个点都在膨胀,这是我们宇宙膨胀的一个学说,现在看来应当是正确的。这张图最底下演示了宇宙是从一场大爆炸开始,然后最上面,就是到了我们现在。

为什么到了上面越来越平呢,是因为宇宙在加速膨胀。这件事让物理学家感到非常痛苦,不是说因为宇宙变得太大了而痛苦,而是说为什么?

因为在牛顿万有引力和爱因斯坦的广义相对论里面,引力永远是引力,如果宇宙一开始因为我们不知道的原因爆炸了,而且速度非常快,那么在万有引力之下,它应当越来越慢。

这就像我们向上抛苹果。比如说地球上的人一起喊一声,大家向上抛,然后你会看到一个苹果阵向上膨胀,可是这个苹果阵向上膨胀是会越来越慢的,然后到最后它会停止,然后降落。

换句话说,根据我们过去对宇宙学的了解,宇宙会膨胀,但是到了某一天,也许在50亿年以后或者100亿年以后,宇宙会停止膨胀然后开始坍缩,然后再变得非常小,然后再重新爆炸。

这是大概在1998年之前宇宙学家的想法,可是到了1998年,宇宙不仅仅在膨胀,而且还在加速膨胀这个新的发现完全改变了我们的观点。

这是非常非常稀罕的事,接下来所有的物理学家开始思考这个大问题。这是一件大事儿,我到最后会讲为什么是一件大事儿,不光是我们人类的大事,而且是整个宇宙的大事儿。

我们知道爱因斯坦是最最天才的一个物理学家,上个世纪,他发现了广义相对论,他认为万有引力的本质是时空的本质,就是说所有的引力是因为时空的弯曲所造成的,可是在他研究宇宙学的时候发现,他的宇宙学跟牛顿的宇宙学一样不稳定。

就是说假定我们的宇宙,太阳,行星,然后更远地方的恒星,更远的地方是银河系,甚至更远的地方是银河系之外的银河系,宇宙非常非常之大,但是为什么宇宙看起来是静态的,不坍缩呢?因为万有引力之下它会坍缩。

然后爱因斯坦就引进了一个所谓的「宇宙学常数」,这个常数唯一的用处就是让宇宙保持平衡。所以你想想,如果所有的东西都有引力的话,那么让宇宙保持平衡的一定是个斥力,正好他引进一个「宇宙学常数」,调节到一个非常非常精确的地方,让万有斥力和万有引力保持平衡。

可是在上个世纪30年代,哈勃望远镜发现宇宙是膨胀的,并没有静止,所以爱因斯坦就抛弃了他的静态宇宙,同时他认为「宇宙学常数」是不存在的,宇宙应当是在膨胀,并且在万有引力之下做减速膨胀。

到了1998年,既然我们发现了宇宙在加速膨胀,那么物理学家就把爱因斯坦80年以前的一个理论重新捡回来了,就是说也许宇宙里面有一个万有斥力。

但是爱因斯坦理论只是所有理论之一,还有其他的理论。比如像右上角这张图,也可能有其他在我们三维空间外面,有额外的维度我们的眼睛看不见,非常非常复杂,这是一种可能。

下面这张图更加有趣,这是另外一个理论。它认为我们的宇宙只是在一个更大的宇宙里面的一张板,但这张板不是两维的是三维的,假如说空间是四维的或者更高维,然后我们把三维想象成四维里的一张板,跟我们这张板平行还有其他的板。你看那里面有些结构,有些银河系,有些恒星,那是我们这个宇宙,然后对面还有一个宇宙,这个理论也可以解释宇宙加速膨胀。

就是说,物理学家到最后经过15年的努力,现在已经有上百种理论了,但是我们不知道哪个理论是对的,这是很奇怪的一件事儿。

接着讲我的故事。到了2004年,我就有了我的理论了。我喜欢开玩笑,我说,解释暗能量的理论和宇宙学家一样多,就是每个人都有一个理论。那么我的理论是怎么产生的呢?

那是2004年,我在中国科技大学做客座教授,访问一个月,我把我所有的学生都带过去了,这是中国的传统,每个人都得听老板的,爱去不去他非得去,我把他们都带去了。

这时我突然就想到,我们物理界有一个流行的看法认为,宇宙看起来是三维的,但是它本质上是两维的,就像我们在电影院看立体电影一样,3D电影或者是IMAX,形象呈展出来是三维的,但是它呈展的方式是两维的,它只是一个银幕,那么我们的宇宙看来也应当是这样的,只不过我们不知道这张银幕在哪儿。

因为我们是三维人,你知道我们生活在三维,当然我不知道我两维的影像在什么地方,但是有这种理论,所以下面这张图展示的就是那个理论。

基于这一理论,我在2004年就提出了一个理论:不管宇宙是怎么样的,也许它是有限的,比如说我们现在看到最远的地方是138亿年前的光发出来的,那么宇宙的半径大概应该有400多亿光年。

有人就会问,光不是跑138亿年吗,那么为什么宇宙是400多亿光年呢?这是很多人都问的问题,其实你想一想,当光走的时候宇宙也在膨胀对吧,就像说光从这一点发出的时候,它到达我这儿,宇宙已经到那儿了对吧,所以宇宙实际上是比光走的路还要大。

四百多亿光年,也许宇宙只有四百多亿光年那么大,半径啊不是直径,直径大概是再乘二,也可能是无限的,也可能在宇宙之外还有更多的宇宙我们不知道。

但是不管怎么样,我就大胆地假设了一个理论,就是说也许宇宙是有限的,也许是无限的,可是在400多亿光年的那个地方,有一块我们看不见的、非常大的屏幕,它正在放着IMAX,你看到所有的这一切,你今天谈恋爱了,你今天早上吃了一个面包了,或者是宇航员升天了,所有这一切实际上是在那个大屏幕上在展示出来,但是你不知道而已。

理论物理学是敢于想象的对吧?什么都敢想。假定如此的话,我立刻就可以构造一个理论来解释宇宙为什么是加速膨胀的。当然我今天就不解释了为什么会这样,因为这是很技术的一个话题。

从2004年到今年,已经9年了,我一直在研究这个理论。每年都有一些新的天文观测出来,比如说2009年,欧洲航天局有一个叫「普朗克」的卫星上天了,2013年的3月21号第一次发布数据,我们赶紧把它拿来再做研究,这篇文章正压在我的手里面,是一帮我的博士后和学生跟我一起做的,发现还是我的理论能最好地拟合最新的观测数据。

这儿展示了一张图,去年英国《每日邮报》展示的这张图是地球大撕裂的最后几天,非常恐怖。这张图片后面提到中国科技大学,以及我所在的中国科学院理论物理所等等,一帮中国科学家讨论大撕裂理论最恐怖的可能场景。

为什么会发生这样的景象呢,就是在我的理论里面,我们发现拟合所有的天文学观测数据,一个最好的结果是不光宇宙在加速膨胀,宇宙还在加加速膨胀,就是说加速度还有加速度,这是什么原因呢?

这是因为有一种暗能量,就是宇宙无所不在的一种看不见摸不着的,这跟我标题中的「越暗」有关,「越弱」是万有引力和万有斥力,虽然它们很弱,在宇宙尺度上就变得非常强大,这个暗能量的密度会越来越大,到最后会撕毁整个宇宙。

比如说有可能,我不确定,有可能在200亿年或者是300亿年,这跟我们的观测数据有多精确有关,我们今天不能敲死这个数目,是200亿年,还是300亿年,也可能是400亿年,但一旦比如再过10年和20年,我们得到更加精确的数据,也许我会告诉你,宇宙会终结在哪一天。

比如说大约200亿年后,突然这个暗能量变得无限大了,那么在200亿年前一年,有可能我们就看不到最邻近的恒星了,比如说三体星,最邻近的离我们大概4光年远,就是半人马座,这是著名的刘慈欣的《三体》所谈论的那个故事,我们可能就看不到了。

然后再过半年呢,我们有可能看不到太阳了,然后再过三个月我们可能看不到月亮了,然后再过两月,我们又看不到美国了,然后再过一天,你就看不到你的太太了,然后再过几小时,你的左手看不到右手了,然后你的身体的每一个分子和原子都被撕裂。

听上去是非常恐怖的事情啊,但是我不觉得,因为我们离200亿年还很远,也许过了不要200亿年而是2万年,我们人类就把自己给毁灭了。

这都不重要,因为宇宙是生生不息的,当然这是佛家的理论,也可能是暗合,因为佛家说总是在循环,我们要凤凰涅槃,涅槃以后再产生,也有可能在宇宙大爆炸,就我们这场138亿年前发生的大爆炸之前,就有过大撕裂,天知道,对吧,然后200亿年再发生大撕裂,我们会得到更新的宇宙也有可能。

这就是我提到的2013年3月21号「普朗克卫星」。这个卫星离我们大概有150万公里,相当远,我们知道月亮与我们的平均距离是38万公里,这个是月亮离我们距离的4倍左右。

它在地球的后面,就是说如果我们把太阳看作正面的话,它可以跟着地球一起绕着太阳动,就是说我们不会把它丢了,一直跟着太阳动,同时它不会受到太阳光和太阳其他的电磁辐射太大的影响。

所以它可以看到宇宙里面最精细的东西,它可以看到宇宙里面大概十万分之一,实际上是百万分之一的变动,因为它精度达到百万分之一的涨落,非常非常精确。

这是欧公署花了7亿欧元的这么一个东西,还是告诉我们宇宙会大撕裂。我的论文还在修改,我也不知道是不是肯定的,因为大家的理论都在竞争,数据每年都在更新,我们不知道最后结果会怎么样。

高更有一个著名的油画叫做《我们从哪里来 我们上何处去 我们是谁》。我今天没有跟大家讨论我们是谁,但我跟大家讨论了我们从哪里来,我们向何处去。当然我也不确切地知道我们向何处去,我想用下面六七分钟讲一下,我们从哪里来。

科学、艺术这些事情我想得比较多,因为我现在处于享老的时代,想这些事情比较多,会每天反思自己,反省自己,反思科学是哪里来的。

科学不是说文艺复兴时代就有的,它最原初的种子是在原始宗教里面。在人类刚刚有文明的时候就有了,网上有一个BBC的关于艺术和科学的纪录片,它谈了一件很有趣的事儿,就是原始宗教里面的一些画到底是什么意思,过去我们一直认为是写实,或者是人类最初的像三四岁的小孩儿刚刚突然开窍了,我可以把东西记录下来了,其实不是那么简单。

这儿有张岩画,是一帮人类学家在非洲的一个岩洞里面发现。最早的人画了一些画,你看这些牛身上有一些斑点,它不是写实的,人类学家就想到底怎么回事儿,后来他就走访了一些还保留着原始宗教的一些部族,如果大家知道人类是从非洲走出的,就知道我们实际上都从那儿来的,大概十万年以前。

所以那边的原始宗教一定是人类最原始的东西,他发现他们在做仪式的时候也有类似的东西,所以它不是一个写实的东西,它是跟宗教有关,跟人类想理解这个宇宙有关,所以原始宗教里面包含了最原始的科学起源,包含了最原始的艺术起源。

柏拉图提出了一个非常有趣的穴居人理想实验。他说假定有一帮人,他们不光在洞穴里面,而且被铁链绑在洞穴里面,他们没办法走出洞穴。

每天太阳和月亮交替升起,把外边的世界照进墙壁上,他们只能对着墙壁看,只能看见墙壁上的影子,然后他以为世界就是这个样子,然后他开始推测,世界是不是这个样子。其中最聪明的可能说,世界其实不是这个样子,因为有太阳的存在,这只是打进来一个影子。

而我们实际上也是这样,我们在地球上,当然我们比其他动物好一点,因为我们有最优秀的两个长处,第一个是语言能力,第二个是逻辑推理能力,这两个能力产生了文化、艺术和科学。

人类的文明在推进,推进到古希腊的时代就有了真正的理性的思考,就是最早的理性科学。当然那个时候大家谈的谈哲学更多,因为实证的办法还是比较少,因为那时候我们缺乏仪器。

这是著名的拉斐尔油画《雅典学院》,里面有柏拉图,有苏格拉底,有柏拉图的弟子亚里士多德,欧几里得都在里边,这是真正人类达到理性高峰的时代。第二个高峰就是文艺复兴之后。

但我还是最崇拜古希腊。有一位著名的英语诗人说过古希腊的人才是最文明的人,为什么?就像前面几个演讲者展示的,他们不光会告诉你哲学是什么,天体是怎么运行的,地上的东西是怎么运行的,人类的思维是怎么回事儿,而且他们每个人都是运动家,每个人都是诗人,每个人都是艺术家,而我们现在并不是。

到最后,我就说到一个科学态度的问题。我前面说到了我自己的成长,从研究超弦理论, 1998年人类摊上大事了,我就开始研究这个宇宙。我现在开始觉得自己变老了,我开始学点艺术,然后就问什么是真正的科学态度,因为科学实际是从原始宗教来的,是从艺术里面,它们是双胞胎。

那么我们现在怎么样对待我们不了解的事物?比如说中医,很多人说中医不是科学,所以中医全是错的,你想找死请你看中医去,都这么讲。但是我觉得我的态度不一样,因为科学是一个不断生长的过程,它是一个不断膨胀的领域,它在慢慢覆盖一些我们未知领域。

我们过去谁知道宇宙是从一场大爆炸来的,如果谁告诉你,当时的科学主义者一定告诉你,你这是伪科学,肯定会这样,同样现在我们对待很多不知道的事情,也是这样一个态度我觉得是不对的,至少说有一些人在实践一件事,它哪怕不是10%,也有5%是合理的。

我以我的一首诗来结束,题目叫《巴黎》。因为正好是整整一年前的5月份,我访问巴黎参加引力波探测空间站大会(LISA),回来之后写的。

某年某月

一只鸟穿过你的大半个市区

像撞过明亮的房间

一条河与河边栖息的人一样不真实

这条寻常的河曾三次

挂在我的胸前如飘带

而我的声音

滑过飘带

如陌生的水滴

麻雀之上煽动的懒散与彩笔一样粗壮

那些奥赛收藏的笔触在眼前展开

懒散之下不安和渴望的灵魂

哦Notre Dame

这些诗句中负重的鸽子

Notre Dame

一次凝视已经足够

我的某个部分留在巴黎

如同我的护照。