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玻尔兹曼的宇宙
我相信，我们正以不可逆转的趋势奔向自由和民主——但情况也可能变化。
——丹·奎尔（Dan Quayle，老布什任期的美国副总统）
无限宇宙种种令人不安的意涵，在极端条件下考验着我们的科学方法以及我们对其的信心。另一个计算多重宇宙中存在观测者的可能性的方法是，计算某个观测者在宇宙中观测到某些结果的概率。可惜，仅仅这样还不够。如果无限宇宙中产生观测者的概率是有限的，那么他们生活的地方会有无穷多个，但在不同的情况下，他们看到的东西会以不同的概率出现。由于存在无穷多个观测者的副本，我们就无法准确地预测出，最有可能出现的是哪些观测结果。
说到“观测者”，通常会有一种批评说，我们局限于用一种太过沙文主义的思维方式来定义生命。我们只能把地外生命想象成有点儿类似我们的样子，由原子组成，有大脑，有肉体；他们也许像计算机，但这仍然是地球上的信息处理装置的一种外推。这种定义生命的考量与 SETI （地外文明搜索计划）＇53＇的搜索策略紧密相关。
从前，人们往往通过探测无线电信号来搜索地外文明的活动，或者高科技活动的迹象。所谓高科技活动的迹象，意味着高耗能、高混乱度、改变行星的轨道或者影响恒星的演化，所以可能被我们看到。1964年，苏联天文学家尼古拉·卡达谢夫（Nikolai Kardashev）甚至用文明所利用的能量形式来划分文明的等级，如是否能操纵行星、恒星以致整个恒星系。＇54＇我增加了Ⅳ型文明，也就是能够操纵整个宇宙，就像我们在本章前面看到的那样。＇55＇然而，高级文明更可能的是已经将它们的技术微型化了。我们自己的技术就是在稳步地向微型化迈进。量子技术的研究使我们得以操纵单个原子，并用少量的原子和分子制造机器。纳米技术和量子计算机技术激动人心的发展使得在微小的空间内存储和运行海量信息成为可能。考虑到高科技生物会面临环境退化和资源枯竭的问题，我们可以猜测这样的高级文明会不断推动技术的升级换代，进一步微型化。文明的等级水平或许更应该由操纵微小尺度的能力来衡量，而不是操纵巨大尺度的能力。＇56＇这意味着文明越高级，他们的技术活动就越难以察觉，因为他们的能耗更低，产生的废热更少。他们的空间探测器甚至会比一团原子或一团分子还要小。我们根本无法注意到这些探测器的存在。
宇宙学家已经考虑到了更加离奇的“文明”形式。正如我们在第 2章提到过的，1895年，早在膨胀宇宙的理论远未提出之前，奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼就已经开始冥思苦想，为什么我们发现无序度在随着时间的推移而增加（我们称之为热力学第二定律，或者“时间之箭”），而牛顿的运动定律却总是允许观测到的事件以相反的顺序逆着时间线发生。＇57＇
现在，我们已经知道，物理学定律既允许酒杯从桌子上跌落，碎了一地的解，也允许这个解的时间反演，也就是一地碎片自动组合成完整的酒杯。但后一种解所需的初始条件极难满足，所以我们从未见过这样的事情发生。无序转化为有序是一种时间反演的过程，要求必须满足极为苛刻的初始条件，这样所有的碎片都大小适当，运动方式也恰到好处，恰好同时拼凑成一个完整的杯子。这就像是把一万块拼图板扔出去，发现它们落地时刚好组合成了一幅完整的图案一样。
玻尔兹曼想知道，宇宙的不同部分是否出现或演化出了热力学中不同程度的不可能的状态。温度处处相等的状态是最可能的，而任何自发地偏离这种均匀性的状态就不那么可能出现了。他设想，宇宙大体上平均而言处于热平衡状态。但为了使生命能够出现，宇宙的不同时期必然存在一些偏离了平衡状态的涨落。在其中一些涨落之中，有序度会随着时间的推移而增加，而在另一些涨落中有序度则会减少，两种涨落的多寡体现出两种初始状态所对应的不可能程度。玻尔兹曼和他的学生恩斯特·策梅洛（后来成为著名的理论数学家）认为，我们必然生活在其中一个寿命相当长的涨落之中，随着时间的推移，它的有序度在减少。
关于无序度随着时间增加的原因，玻尔兹曼提出了两种可能的解释。第一个是说，一开始世界就处于高度有序的状态，因此，之后最可能发生的事情就是走向无序（我们看到酒杯摔成碎片）。另一个是说，一开始宇宙的不同区域就有不同的有序度和无序度，分别表现出不同的行为；有一些更有序，有一些更混乱，但是生命必须存在于一个从有序出发走向无序的区域中。玻尔兹曼设想了无穷多个独立的世界，每个世界都形成于平衡状态的一次罕见的涨落，世界和世界之间相隔千山万水——要比从太阳到最近的恒星，如天狼星的距离还要远 10100倍。他没有告诉大家他更喜欢哪一种解释，甚至还将第二种解释归功于他多年的实验助手（舒茨博士）。＇58＇我们在第2章中说过，实际上这种解释十多年前就由英国工程师、物理学家塞缪尔·托尔弗·普雷斯顿在各种场合中提出了。＇59＇普雷斯顿后来到德国攻读博士学位，师从玻尔兹曼，并于1894年获得了学位。我很想知道这个神秘的“舒茨博士”是否真的就是塞缪尔·托尔弗·普雷斯顿。
第二个人择涨落的解释吸引了一些有趣的评论者。著名的法国数学家、物理学家亨利·庞加莱（Henri Poincaré，1854～1912）就喜欢这个解释，因为如果人类生存在一个非典型的涨落当中因而最终的大混乱并非不可避免的话，那么这就可能使人类免遭宇宙的熵达到最大时的终极热寂。英国生物学家霍尔丹（J。 B。 S。 Haldane，1892～1964）则认为，适合生命存在的涨落的出现几率极低，因而地球上的生命应该是独一无二的。因为如果附近还存在相似的生命形式的话，我们就不得不解释为什么会出现这么大（更大就意味着更不可能出现）、大到超出让地球产生生命所需的一个涨落。换句话说，霍尔丹关心的是，其实我们只需一个无序度在逐渐增加、能够维持生命进而产生观测者的涨落。这个涨落只要跟太阳系一样大就够了。这比宇宙的尺度小得多，因而更可能出现，而我们已经观测到宇宙在大尺度上是遵守热力学第二定律的。＇60＇在人择涨落的解释里，想要让整个可见宇宙无序度都像我们在地球所见的一样不断增加是极为不可能的。
这个古老的热力学问题在现代宇宙学中留下了两个残留的影响。一个是罗杰·彭罗斯提出的，宇宙现在正处于一种极端有序的状态中，所以140亿年以前的宇宙应该处于一种更加苛刻的有序状态之中。＇61＇宇宙学家不太相信这个说法＇62＇，因为测量宇宙无序度（或“熵”）的大小就等于测量了宇宙的年龄，任何产生了恒星并形成了碳元素的古老宇宙必然伴有一个巨大的熵。更重要的是，暴胀就是一种产生局部有序度的方法，它能将无序赶出我们的视界之外，这样它们就看不到了。我们并不知道宇宙在整体上是否处于低熵有序的状态。我们只知道可见宇宙的这一部分如何，因此不能推断出整个宇宙的初始状态都是高度有序的，或者说现在整个宇宙都处于一种极不可能出现的状态之中。
最近，玻尔兹曼的解释又在宇宙学研究中再次出现。他的人择涨落意味着，为了能够产生文明和像我们这样的智慧生物，偏离平衡状态的涨落就得足够大，而这种几率是极低的，因而宇宙中一定充满了更小、有序度更低、无躯骸且转瞬即逝的智慧生物。在这个解释中，这样的生物比我们更可能出现，并且在一个无限的宇宙中应该已经随机出现了无穷多次了。
这些生物被称为“玻尔兹曼式大脑”。由此我们要面对这样一个悖论：在宇宙中，随机产生玻尔兹曼式大脑及其黄粱一梦的虚假记忆的几率，比起产生数十亿像我们一样拥有自我意识以及错综复杂真实记忆的生命的几率要大得多。＇63＇然而，正如我们在这一章所说的，尽管宇宙可能是无限的，并在某种意义上处于无限的随机过程之中，但这并不是事情的全部。存在物理规律主宰着事物变化的方式，还存在物理机制驱动了宇宙的快速膨胀，使得我们只能看到无限多重宇宙的某一个小角落，并且可能是个有点不一般的角落。这些进展，不论它们是多么纯理论，它们都清楚地揭示了一点，即我们的存在以及其他智慧生物的存在，都是我们在思考宇宙和检验理论时所必须考虑的因素。观测者对宇宙学理论很重要，对宇宙也很重要。
第11章
非主流的宇宙
理论啊理论，多得数不胜数，像一阵秋风经过，落木萧萧而下，像暴风掀开了巨大的造纸厂，碎屑纷纷而上，又像黑压压的尘云，挟裹在思想的飓风里。在这场席卷一切的干旱中喘着粗气，我差点忘了，每一粒尘埃之中都会带有一些真理的种子，大部分最后都干枯死亡了，但也有一些会活下去，产生更多的种子，变得至关重要。
——奥拉夫·斯德普尔顿（1886～1950，英国科幻小说家）＇1＇
黏合拓扑的宇宙
雷丁是个很有意思的地方，甚至连最推崇雷丁的人都喜欢提到它离别的地方很近。“从伦敦市中心坐火车到这里只要25分钟”，值班经理热情洋溢地说。“做大巴去希斯罗机场只要45分钟！”购物中心的咖啡店女服务员说。
——英国航空《商业生活》杂志＇2＇
如果宇宙能从“无”中产生而不违反物理定律的话，也许用这些定律就可以描述宇宙的创生了。相信宇宙存在开端的宇宙学家都习惯认为，物理定律在那个时刻失效了。物理定律是和空间、时间和实体的宇宙一起冒出