龐加萊復現定理：宇宙會無限重演我們的未來嗎？

把一滴墨水滴進一杯清水中,會發生什麼? 這滴墨汁會慢慢擴散,逐漸融入整杯清水, 讓原本透明的水變得浮濁。 從微觀的角度來看,水分子和墨水分子相互交織, 幾乎不可能把它們完美分體。 如果從熱力學角度思考,這個過程其實就是一支典型的傷針。 墨水進入杯子後,系統的無序度增加了,而傷針正是宇宙運行不可避免的趨勢。 自從傷針定律被提出,它便深刻地改變了人類對宇宙的體解和想像。 也正因為如此,關於宇宙最終命運的討論也層出不窮。 其中最著名的就是熱計說, 在這種設想下,宇宙會隨著時間的推移逐漸走向極端無序, 直到一切恆星熄滅,能量無法再被利用,整個宇宙都陷入一片死寂。 雖然現代體論表明真正的熱計或許不會發生, 但類似的宇宙結局彷彿卻在遙遠的未來等著我們。 隨著恆星的數量越來越少,體積越來越小, 總有一天它們將會全部熄滅。 儘管這個未來比我們想像的要遙遠得多, 但在沒有意外的情況下,它就是宇宙的歸宿。 然而,宇宙未必只有一個結局,單靠一條理論去預測一切未免過於片面。 畢竟我們探索的宇宙只是浩瀚整理中的局部, 我們甚至無法確定在遙遠的區域,物理定律是否依然有用。 根據現有的一些推測,宇宙中可能還存在蟲洞,甚至理論上的白洞。 這些奇異的假想天體似乎為宇宙的命運丟下了一線餘地。 那麼,話題再回到最初的問題,如果宇宙真的是永恆存在的話, 那麼在極端漫長的未來,有沒有可能墨水重新從水裡面分離出來呢? 答案是真的有可能,但最需要的時間幾乎無法想像。 這種不可思議的現象被稱為彭加萊回歸。 彭加萊回歸指出,在一個完全封閉的系統中, 任何一個粒子只要時間足夠漫長,將會回到無限接近它最初的位置。 它或許無法完全回到起點,但會無限逼近。 而這樣的循環往復,正是我們今天要探討的核心——彭加萊回歸。 其實這並不是一個單純的猜想,而是一個被證實的真實存在的現象。 在2018年,研究人員就已經在量子系統中證實了彭加萊回歸的真實性。 相關的研究成果也被發表在了科學雜誌上。 共循環宇宙論和彭加萊回歸提出的觀點都非常接近。 從桑珍的角度來思考,桑珍是永恆且不可逆的, 但是在無限的時間中,任何事情都有可能發生。 假設宇宙中是一個封閉且有限的系統, 那麼在無限的時間中,桑肯定會不斷地自然長落。 就像微觀世界中,雖然整體是能量守恆的, 但是在短暫的時間中,突然之間的量子長落, 並不違背宏觀的能量守恆一樣。 如果我們的宇宙在未來存在的時間, 真的可以支撐到一次完整的彭加萊回歸, 那麼我們現在經歷的一切,可能在遙遠的未來也曾發生過。 我們犯過每一次錯誤,經歷過每一次挫折, 都已經重複了無數次。 宇宙在不斷地循環,歷史在不斷地重演, 不過每一次都會和上次存在一些差別, 不可能每次都完全一樣。 千百年來,我們一直認為時間是一條單向的長河, 我們出生、成長、衰老、死亡, 恆星燃起、閃耀,最終都會熄滅。 宇宙似乎是三增定律智慧下,堅定地從有序走向無序, 從炙熱的開端走向冰冷的終結。 然而,在物理學和數學的殿堂深處, 卻隱藏著一個足以震撼我們現行時間觀的定體, 它就是彭加萊回歸定體。 它告訴我們,在某些嚴格的條件下, 宇宙中一切看似隨機的運動, 其實將最終回到它的原點。 在一個有限的封閉系統中, 只要能量守恆,系統中的每一個狀態, 在無限長的時間裡, 幾乎必然會無限次地回到一個極端接近原始的狀態。 我們的故事要從19世紀末開始說起, 瑞典國王奧斯卡二世, 為了慶祝自己的60歲生日, 設立了一項數學大獎, 全想解決當時困擾了牛頓以來所有物理學家的難題——三體問題。 即在萬有引力的作用下, 三個天理的運動軌跡是否存在一個精確永恆的數學公式? 法國數學家、物理學家亨利·彭加萊接受了這個挑戰, 他並未能像解決二體問題那樣, 給出一個完美的解析解。 但在他試圖證明三體系統穩定性的過程中, 他開創了一個全新的領域——混沌理論。 他發現, 三個系統是一個對初始條件具有極端敏感性的確定性系統, 初始位置的速度哪怕有微乎其微的差異, 都會在時間的推演下導致最終的結果出現天壤之別。 正是在研究這種複雜、混沌但又遵循確定性法則的系統時, 向空間——一個包含系統所有可能狀態的抽象時間時, 彭加萊得出了一個意外想不到的複雜評。 他證明,如果這個系統的向空間體積是有限的, 並且系統隨機時間的演化保持不變, 那麼系統中幾乎任何一個狀態只要經過足夠長的時間, 都必然會回到其初始狀態, 彭加萊回歸並不是萬物必然輪迴的結果, 而是一個有著嚴格前提條件的數學定理, 它就像是一場宇宙遊戲的規則, 只有在滿足所有規則的情況下, 回到起點的結局才會發生。 條件一,一個有限的體積的封閉系統, 這是最核心的條件,系統必須是有界的, 不能無限延伸。 我們可以用一個簡單的思維來體解, 想像一個絕對封閉、堅不可摧的盒子, 裡面裝滿了紀律分子, 這些分子永不停歇地隨機運動、碰撞, 因為盒子是封閉的, 所有的分子都被限制在這個有限的空間內, 它們所有可能的位置和速度組合也是有限的, 就像一隻被關在籠子裡的老鼠,無論它如何奔跑, 它的活動範圍終究是有限的, 它必然會重複踏上自己走過的路, 條件二,系統中不存在能量損耗, 系統必須是孤立的,不能與外界有能量的交換, 在我們的氣體盒子模型中, 這意味著分子每一次碰撞都必須是完美的彈性碰撞, 沒有絲毫的能量因為摩擦而轉化為熱能並散失掉, 如果存在能量損耗, 整個系統就會像一個慢慢停下來的陀螺, 最終所有的分子都因為能量損耗而寂靜地在盒子底部, 初始的活躍狀態將永遠無法回歸, 系統必須保持它的全部活力, 才能不斷地探索所有的可能性, 並最終找到回家的路。 條件三,粒子數能量必須有限, 這個條件進一步強化了系統的有界性, 確保了系統的轉狀態數是有限的, 即使這個數字可能是一個天文數字, 滿足了這些條件,回歸就變得幾乎必然, 這裡的幾乎是一個數學上的嚴謹措辭, 它意味著可能存在一些特殊極端的永遠不會回歸的初始狀態, 但這些狀態在所有可能的狀態中所佔的比例幾乎為零, 就像摘一張紙上隨機投證無限細的針, 投中某條預先畫好的沒有寬度的細的線, 概率為零,對於現實世界而言, 幾乎必然就等同於必然。 病體雖然成立,但它隱藏了一個魔鬼般的細節, 回歸所有的時間尺度, 這個時間被稱為彭加萊回歸時間, 它的長度往往是超乎想像的, 可能遠超宇宙當前的年齡。 我們可以藉助無限猴子定理來類比, 該定理指出, 如果讓一隻猴子在打印機上隨機敲打無限長的時間, 它幾乎必然能夠打出莎士比亞拳擊。 彭加萊回歸可以看作這個思想在物理系統中, 一個更樸實更嚴謹的版本。 讓我們回到那個氣體盒子, 假設盒子不大,裡面只有幾十個氣體分子, 我們是否可以計算出, 這些分子在某一個瞬間, 全部自發地聚集到一個盒子的一半空間, 而另一半空間則呈現出真空狀態的回歸時間? 答案是可以的,但結果令人絕望, 這個概念極其微小。 而等待這一世界發生的時間, 它的長度可能是宇宙年齡的數萬億億倍。 這就是彭加萊回歸的殘酷現實。 宏觀世界裡,我們感受到的時間是線性的, 系統發生朝著上升的方向, 朝著更紛亂的狀態發展。 一個打碎的杯子不會自動復原, 正是因為構成杯子的所有粒子要在同一時間回到它破碎前的狀態。 它的彭加萊回歸時間是一個實際上不可能達到的天文數字。 那麼這個定體能不能用到宇宙本身呢? 根據目前主流的宇宙學模型, 我們的宇宙正處於加速膨脹之中。 一個不斷膨脹的系統,它的體積是無限增大的, 這直接違反了彭加萊回歸所需的有限體積這一核心解謎。 如果宇宙將永遠膨脹下去, 那麼物質和能量將變得越來越稀疏, 最終走向冰冷的熱季,回歸將無從談起。 而量子力學和一些前沿理論, 為宇宙的終極循環留下了一絲可能性。 根據量子理論,在一個有限的宇宙區域內, 由於伯朗克常數的存在, 其所能包含的量子狀態總數是有限的, 儘管這個數字也極其巨大, 如果宇宙能夠存在的時間無限長, 那麼根據概率,這些有限的狀態必然會開始重複, 這意味著在未來的某個遙遠的時刻, 一個與我們當前宇宙狀態極其相似的宇宙, 可能會因為量子降落而重新出現。 在這個新的宇宙輪迴中, 一個與我們銀河系一模一樣的星系, 一顆與太陽別無二致的恆星, 以及一顆與地球毫無差別的行星, 都有可能再次形成。 宇宙是無限的,同時又是一個整體, 每個人對宇宙即使單一的影響因素, 也是無限的可能。 人體由數億萬一個細胞組成, 它們以不同的速率生成,工作或者死亡, 組成一個完整的整體。 作為整體,身體的壽命是有限的, 但細胞的過程中對於當下時刻來說是無限的。 因為我們可以通過抽象思維能力來認識自己, 無限和一結合在一起, 就產生了無限的星系宇宙。 每個星系都有自己獨特的智慧光韻, 在這些光韻中有十億個單獨的光韻, 有些是恆星,有些是行星, 生命在行星中顯現。 在所有這些無限的數字中, 從來沒有兩個完全相同的創造物。 該系統的精妙設計 適應了獨特的意識和獨特的物理表現。 在我們新的意識密度中, 大規模生產和可重複事件的舊能量將變得健康, 創造力將開始以新的方式展現。 無強大是一個數學概念, 在現實中沒有對應的事物。 我們真正擁有的只是難以想像的非常大的數字, 我們已經確定了宇宙的有起點和可能的年齡。 因為儘管它非常大, 但根據我們所知道的, 它不能被認為是無限大的, 在無限多個宇宙中發生的一切都可能再次發生。 我們沒有其他的宇宙或者其他的維度來證明它們的存在, 甚至玄體論都沒有對此提供任何證明, 它只是一個數學構造。 考慮一下,恆星的誕生,恆星的燃燒,最後恆星的死亡, 這一點證據來自我們先進的科學。 如果尚未誕生的未來恆星不遵循時間無限的推理, 那麼它們就不會燃燒,也不會死亡。 我們的星球已經經歷了五次滅絕事件, 但生命依然存在。 這在我們不斷發展的宇宙中發生過嗎? 當然,我們不可能是宇宙的數百億年間第一種生命形式。 一旦人類滅絕後,我敢肯定, 另一種佔有統治地位的生命形式將會在地球上發展, 研究我們的骨骼,並最終像你一樣提出這樣的問題。 即使宇宙是無限的,所有的事物也都在進化, 物質、能量和信息的新組合還在形成, 最好的描述就是不斷增加了傷。 這裡重要的是,雖然宇宙的大小可能是無限的, 但它在時間上是有限的,宇宙的年齡估計有138億年, 這就為它進化留下了充足的時間, 空間上的無限並不是暫時的無限。 但如果這種有限確實是暫時的,我們認為我們永遠無法瞭解。 愛因斯坦和我們獨道科學家們都說時間是一種幻覺, 每個瞬間都存在於每時每刻,真的沒有所謂的瞬間, 而它就像小樹一樣無窮無盡,秒與秒之間仍然存在時間。 由於某些原因,我們仍然要用大腦處理信息, 所以時間似乎在流動,而實際上時間一直都是現在, 所以過去仍然在發生,未來也是。 哲學家們可能會這樣想,一切都可以做的事是指無窮多的事情, 而一切都已經做過的事在這種情況下是無窮多的。 不一定,比如說,沒有一個原子存在140億年, 這將會發生,但是現在還沒有, 事實上任何需要時間超過宇宙年齡的行為都還沒有發生, 即使在一個無限的宇宙中。 有句話叫做人死不能復生,這是一句殘酷的現實, 但在物理學家眼中,世界上並沒有絕對的生與死, 只有粒子變成了無序,最後又回歸了有序。 換句話說,就是人死了還能活過來, 只不過不是立刻,而是需要經歷很長很長的時間。 如果要問我們的宇宙是有序的還是無序的, 大部分人可能回答是有序的, 他們會以我們的太陽系為例子, 八大行星都在自己的軌道上圍繞太陽旋轉, 可如果我告訴你我們的宇宙其實是無序的, 其實這也很好理解,熱力學第二定律就解釋過, 事物都自發地朝向上升的方向發展, 上升就是物質從有序變成無序。 我們穩定的太陽系也好,銀河系也好, 有序只是暫時的,整個宇宙還存在著一股力量, 在延緩這個無序的發生。 大約140億年前,一個點發生了大爆炸,產生了宇宙。 爆炸產生的能量使整個宇宙開始膨脹, 直到現在膨脹依然在進行。 天文學家預計,當這股能量耗盡,宇宙就會停止膨脹, 現在看到的一切天體都會脫離原來所在的位置和運動, 成為宇宙中無序的一員。 然而,宇宙沒有永恆, 宇宙又會在某個時刻重新回歸有序的狀態, 開始一個輪迴。 所以,最後宇宙還是會回歸無序, 但是很快又會回到有序的狀態, 因為有足夠多的原子, 它回歸的概率大約是1, 依此類推,這個回歸可以放到任何事物上, 比如我們人類本身,人是由細胞構成的, 細胞是大分子蛋白質組成的,而分子又是原子組成的。 因此,人類也是有多原子的集合體, 我們的死亡就是體內的原子走向無序的過程, 人吃東西就是往體內增加能量,維持自身原子的有序。 這個過程本身是違背熱力學第二定律的, 人不可能永遠這樣,所以人的壽命是有限的, 最終走向無序,也就是死亡。 但是,人死了,人體內的原子不會死亡, 他們會出現在地球上任何一個地方。 用龐加萊回歸進行推導, 那麼人體內的原子會在一個天文數字的年後, 回到他們原來的地方,也就是原來的那個人的身體內。 這就意味著他們會重新組建一個人類, 原來的那個人就復活了嗎? 可是有一個問題,人復活後,他的記憶還備有嗎? 他還是原來的那個個體嗎?龐加萊不是醫學家。 他無法解釋記憶是否算作原子, 那個復活的人僅僅是生命而已, 無法確定他是否保留原來的思想和記憶。 如果再擴大了看,整個宇宙中的一切可能出現這樣的輪迴, 包括宇宙自己, 誰能肯定140億年前的大爆炸是整個宇宙的第一次爆炸呢? 又或者不止一個宇宙的存在? 根據質量守恆定律,宇宙的原子數量是恆定的, 但是宇宙沒有很永恆,一些心理會消亡,比如我們的太陽。 地球上所有的人都知道,太陽將會在50億年後熄滅, 因為它是靠自己上面的氫發生核聚變產生的能量, 所有的恆星在滅亡前都會發生碳素和爆炸,質量越大,爆炸就越狠。 爆炸的時候會將它的原子甩出去大部分,形成星雲。 而這些星雲是一個恆星形成的前提條件, 也就是說太陽的死亡可能伴隨著一個新的恆星誕生。 如果按照龐加來回歸,這些死亡的原子可能回到原來的地方,再次形成星系。 這不禁讓人想像,我們的太陽系也許就是曾經的某一個星系。 我們的地球在某個過去的時候和現在可能是一模一樣的, 也許整個地球上的生物也是一種回歸, 我們不記得可能是真的這個回歸裡面不包含記憶。 想起獅子王說的,都在這個循環裡生生不息, 生物圈著名的碳循環可能也是龐加來說的回歸。 人類的大腦是一個極其複雜的器官, 我們甚至至今都沒有搞清楚記憶屬於什麼物質。 有一種說法是,記憶是一段腦電波被儲存在大腦的某個地方, 當下一次遇見頻率相似的電波時, 就會與儲存的腦電波形成共振,加速腦部的運轉。 那麼體論上,記憶是一種電磁波,具有波力二向性,還是有粒子的存在, 只要有粒子,都可以參加龐加來回歸。 這麼看來,全副回歸的個體應該具備有記憶, 假設這個說法成立,那就可以解釋記憶閃現這種東西。 人們有時候總會在腦海中出現一個沒有的記憶, 比如一個從來沒有去過的地方,或者從來沒有見過的一個人。 有人說這是前世的記憶,不過現在看來, 這更像是龐加來回歸過程中帶來的副作用。 前面說到過,原子回歸前是在做無序的運動, 所以很有可能會參與其他物質的組成。 假設當一個個體死亡,身體的原子散落在宇宙中,進入無序的狀態, 它們可能會重新遇到其他的原子,參與新的生命體的構建。 或許其中的一部分正是曾經組成腦細胞的原子, 上面還攜帶著記憶保留的微弱痕跡。 也許這種記憶閃現註定是停碎的,不完整的。 如果龐加來回歸真的成立, 人類或許能夠在極其漫長的未來裡死而復生, 但那並不意味著一定會回到死亡的那一刻。 如果人類真的能夠像心理那樣,也會在龐加來回歸中等待輪迴, 那麼我們今天所做的一切又意味著什麼呢? 那麼,你認為如果龐加來回歸真的發生, 人類會重新回到過去的自己嗎? 還是會以全新的形式再次出現在宇宙中呢?