大小很重要
根据哈勃空间望远镜的最新观测结果，我们的宇宙至少包含2000亿个星系。1这些星系的分布并不均匀——在引力的作用下，它们会聚集成星系团，星系团又会形成超星系团。在这些大小不同的星系团之间，星系沿着长度可达数亿光年的“丝状体”错落有致地排布着。星系团和丝状体的周围是极其空旷的巨洞。总之，宇宙网看上去有点儿像人类的大脑（参见图13）。
更准确地说，宇宙中的物质分布看上去有点儿像连接组，即人脑中的神经连接网络。人类大脑中的神经元也会簇集成团，它们通过轴突连接。轴突是一种很长的神经纤维，可以将神经元的电化学脉冲传递给另一个神经元。
人脑和宇宙之间的相似并不只是停留在表面。意大利天体物理学家佛朗哥·瓦扎（Franco Vazza）和神经科学家阿尔贝托·费莱蒂（Alberto Feletti）在2020年的一项研究中对此进行了严格的分析。2他们计算了连接组和宇宙网中有多少大小不一的结构，得出的结论是两者具有“惊人的相似性”。他们发现，1毫米以下尺度的大脑样本和宇宙中3亿光年范围内的物质分布在结构上是相似的。他们还指出了“尤为突出”的一点，人脑大约有3/4的质量是水，这和暗能量所占宇宙总质能的比例大体相当。两位作者指出，人脑和宇宙中有3/4的成分基本上可以说是惰性的。
图13 神经元（左）和宇宙丝状体（右）的示意图
那么，宇宙有没有可能就是一个巨大的大脑，而我们的星系只不过是其中的一个神经元？也许我们跟随自己的想法上下求索时，就亲眼见证了宇宙自己的思想。可惜，这个观点与物理学背道而驰。但即便如此，它也值得深思，因为理解为什么宇宙不能思考可以让我们更加了解自然规律，甚至还能让我们明白，宇宙在什么情况下才可以思考。
简而言之，宇宙无法思考是因为它太大了。前面提到爱因斯坦说过，不存在绝对静止，所以我们只能讨论不同物体之间的相对速度。然而谈论到尺寸的话，情况就大不相同了。相对尺寸反而没那么重要，真正决定某个对象能做什么的是绝对尺寸。
以原子和太阳系为例。乍看之下，它们有很多共同之处。在原子中，带负电的电子在电磁力的作用下被带正电的原子核吸引着。这个力的强度大致符合我们熟悉的平方反比定律（1/R2，其中R代表电子和原子核之间的距离）大致相符。在太阳系中，行星在引力的作用下被太阳吸引着。虽然严格来说这一过程需要用广义相对论来描述，但牛顿的平方反比定律可以在相当程度上近似地描述太阳引力，这里的R则代表行星与太阳之间的距离。原子和太阳系在这一点上非常相似，实际上这也是20世纪初期的很多物理学家对原子的看法——1913年的卢瑟福-玻尔模型的原理基本上就是这样。
但我们现在知道了，原子并不是一个微缩版本的太阳系（参见图14）。电子并不是在环绕原子核的轨道上运行的小球，它们具有显著的量子特性，因此必须采用波函数描述。电子在原子中的位置是高度不确定的，其概率分布是一团形状对称的电子云，我们称之为轨域。轨域上的电子能量是离散的，这是其量子化的特征。正是这种量子化产生了我们在元素周期表中所发现的规律性。
图14 原子的能级和太阳系有所不同。左图：在原子核周围的第三壳层中能找到电子的概率，其中壳层是三维的，在最理想的情况下，它们是球体。阴影越黑则概率越高。原子核位于中心位置，但是图中没有绘出。右图：行星轨道示意图。轨道是二维的，行星沿着轨道运行
太阳系中的情况则大为不同。太阳系中的行星与太阳之间的距离各有不同，但不是模糊的概率分布，轨道也不是量子化的，并且太阳系也不会有元素周期表。这些差异从何而来？
主要原因在于，原子比太阳系更小，其组分也更轻。在量子力学中，任何事物（无论是微观粒子还是宏观物体）都具备固有的不确定性，其位置具有不可还原的模糊性。电子的典型量子模糊度——我们称之为康普顿波长——约为2×10-12米，与氢原子的大小（其半径约为5×10-11米）相仿。这两个尺度互相匹配，这就是量子效应在原子中发挥巨大作用的原因。我们回过头来看看地球的典型量子不确定性，大约是10-66米，与地球到太阳的距离（约为1.5亿千米）相比，这完全可以忽略不计。原子和太阳系在尺寸和质量等物理性质上的不同，造就了它们之间的巨大差异。原子并不是缩小后的太阳系，太阳系也不是放大后的原子。用专业术语来说，这些规律并不是尺度不变的。
为什么自然规律不是尺度不变的？原因在于那26个常数。它们决定了各种物理过程所对应的尺度，而每个尺度都有所不同。
我们可以在生物学中看到物理学对于尺度有多么依赖。对昆虫这样的小动物来说，由接触导致的摩擦力所产生的影响比我们所感受到的影响要大得多。这就是为什么蚂蚁能爬墙，小鸟能飞翔，而我们不能——人类的身体太重了。一只具有人类的体型和体重的蚂蚁将是生物进化的灾难——而且它也不可能爬得上墙。并不是这些小动物的形状让它们掌握了人类所不具备的能力，而是它们不需要费劲去对抗引力。
那么，让我们看看宇宙和大脑到底有多相似。当然，千万别忽略那些自然常数，它们干系重大。
宇宙正在膨胀，而且是加速膨胀，膨胀的速度由宇宙学常数决定，而宇宙学常数是最简单的暗能量形式。相比之下，大脑通常不会膨胀（当然，我们有时会在文学作品中看到这种比喻），而且也不会随着宇宙的膨胀而膨胀：大脑是由电磁力与核力维系在一起的，这比宇宙膨胀所产生的拉力要强得多。哪怕是星系也会被它们自身的引力维系在一起，不会随着宇宙一起膨胀。只有在星系团和丝状体之间这种地方，宇宙的膨胀才能取得胜利，将星系网拉伸开来。
因此，如果星系团是宇宙的神经元，那么它们彼此间就会以不断增加的相对速度渐行渐远——而且这种情况已经持续了上百亿年。瓦扎和费莱蒂在论文中指出，暗能量可能是具有“惰性”，但它对宇宙的结构起到了重要作用。虽然宇宙中暗能量的比例与大脑中水的比例相仿，但水不会让大脑膨胀（如果水会让大脑膨胀，那可相当不妙了）。
另一个使宇宙和大脑之间存在显著差异的常数是光速。人类大脑中的神经元大约每秒发送5到50个信号，这些信号大多数（约占80%）都是短距离的，大约只会传递1毫米，剩下的20%则通过长距离传递将大脑的各个部分连接起来。这两种信号对我们的思考都至关重要。人类大脑中的信号大约以每秒100米的速度传播，仅为光速的100万分之一。是不是觉得这已经慢得离谱了？其实疼痛的信号传播得更慢，其速度大约是每秒1米。我上次脚趾撞到门上的时候刚好看着自己的脚，因此还来得及在疼痛信号真正到来之前想着：“一会儿一定会很疼的。”
也许我们的宇宙比爱因斯坦更聪明，它已经找到了一种比光还要快的信号。但是现在不是胡猜乱想的时候，我们还是在现有的物理学范畴内讨论这个问题吧。目前宇宙的直径大约是900亿光年，这意味着如果“宇宙脑”的一端想要和另一端取得联系，那么这个“想法”至少需要花900亿年才能到达。即使是以光速向离我们最近的“神经元”（M81星系团）发送一个信号，也需要大约1100万年才能到达——到目前为止，这种规模的神经元信息传递大约在宇宙的整个生命周期中只发生过1000次。如果不考虑远距离传输，那么我们的大脑只需要3分钟左右就能完成这么多次信息传递。而且，宇宙自身内部的联系能力会随着它的膨胀而逐渐降低，所以此后只会每况愈下。
关键在于，就算宇宙真的在思考，那它思考的效率也实在太低了些。宇宙巨大的尺寸限制了它自诞生以来能产生的想法之数量——而尺寸很重要。要说宇宙会思考也得先问问物理学答不答应。如果想要进行大量思考，拥有一个小而紧凑的大脑至关重要。
还有一个问题是，整个宇宙有没有可能会以一种我们目前还不理解的方式联系在一起，从而克服光速的限制做出一些实质性的思考。这样的联系通常来自量子力学中的纠缠，这是一种可以跨越很长距离的非定域量子连接。
处于纠缠态的粒子共享同一个可测量性质，但是我们不进行测量的话就不会知道它们之中的哪一个具有什么样的性质。假设你现在有一个已知能量的大粒子，接下来它衰变成两个更小的粒子，其中一个往左飞，另一个往右飞。你知道总能量一定是守恒的，但你不知道这两个衰变产物中的哪一个往左飞，哪一个往右飞——它们处于纠缠态：与总能量有关的信息分布在它们之中。根据量子力学，你只能通过测量来确定，哪个小粒子拥有总能量中的哪一部分。但是，一旦你测量了其中一个小粒子所拥有的那部分能量，另一个小粒子所拥有的是能量中的哪一部分也会立马确定，无论它现在离你多远。
这听上去确实像是一种你可以用来传递信号且快过光速的存在。但是，由于其结果是随机的，这种测量无法传递任何信息。测量其中一个粒子的实验员不能确保他会得到某个特定的结果，所以他没有办法将信息传递给另一个粒子。
纠缠是一种远距离的瞬时联系，这一观点成了伪科学生长的沃土。两年前，我在一场专题研讨会中遇到了一位作家，他最近出版了一本关于恐龙的书[1]。我想，我们之所以会坐在一起，是因为古生物学家和物理学家恰好被安排在了相邻的位置。[2]主持人尽了最大的努力，试图将话题从恐龙转到量子力学上面来，他问我，恐龙是否有可能在宇宙中与造成它们灭绝的流星体纠缠在一起。
他的提议很有趣，但如果从物理学的角度来看，这个想法毫无意义。首先，我们之前已经讨论过了，对于你、我、恐龙、流星体这样的宏观物体，量子效应会以迅雷不及掩耳之势消失不见。事实上，只要时刻牢记宏观上的量子效应极难维持，你就可以揭穿99%的量子伪科学。量子纠缠没法用来治疗疾病，就像空气没法用来修建房屋一样。同样，量子纠缠也不能用来解释恐龙的灭绝。
也许更重要的是，量子力学中的纠缠通常被描绘得比实际情况更加神秘。虽然纠缠确实是非定域的，但其产生过程依然是定域的。如果我掰开一块饼干，然后把其中一半交给你，那么这两部分确实是非定域相关的，因为无论此后相隔多远，它们断裂的线条永远可以吻合。纠缠就是类似于这样的非定域相关性，但是从量化的角度来说比饼干的相关性更强。
我说这些不是想要贬低纠缠的重要性。量子关联与非量子关联当然是不同的，这也是为什么量子计算机比传统计算机的运算速度更快。但是这种优势的原因并不在于量子关联的非定域性，而是纠缠态粒子可以同时做多件事（请注意，这只是数学的文字描述），而数学是不可能用文字准确描述的。
我想，很多人认为正是纠缠使量子力学变得很“奇怪”，主要原因在于，这一概念总是免不了要和爱因斯坦的名言“幽灵般的超距作用”摆在一起。爱因斯坦的确对于量子力学说过这番话3（当然了，爱因斯坦是德国人，所以其实他用的是德语spukhafte Fernwirkung），但他所指的并不是纠缠，而是波函数的还原，这才是真正的非定域过程——如果你将其视为物理过程的话。
现在大多数物理学家都认为波函数的还原不是物理过程，但我们对此知之甚少。彭罗斯指出，这是我们对自然认知的缺陷。4而这仅仅是物理学家在过去几十年中追根究底地研究非定域性的原因之一，非定域性不仅包含非定域纠缠，还有时空中的实际非定域连接——信息可以通过这种连接以超越光的速度瞬间传递到很远的地方。
这不必然与爱因斯坦的理论相冲突。爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论并不禁止超光速移动本身，只是禁止物体从光速以下加速到光速以上，因为那样需要消耗无穷大的能量。所以，光速只是障碍，而非限制。
无论是超光速运动，还是超光速信息传递，都不必然导致因果悖论。所谓的因果悖论，我举个例子你就明白了：某个人穿越到过去，杀死了自己的祖父，而这样会导致他自己无法诞生，于是就不会有这样一个人穿越回去了。在狭义相对论中，超光速旅行会导致这种因果悖论，因为如果一个物体移动得比光速还快，那么对于另一个观察者来说，它看起来就像是回到了过去。因此在狭义相对论中，超光速运动和时间倒流总会结合在一起，这也为因果悖论敞开了大门。
但广义相对论中却不会出现因果悖论，因为宇宙在膨胀，而这规定了“时间前进”的方向。时间前进的方向与熵增向前进展的方向有关，虽然它们之间的关系我们还不太清楚，但是这对我们讨论的问题来说无关紧要，重要的是宇宙规定了时间前进的方向（虽然这一点还有争议）。因此，非定域性和超光速信号传递既不违背爱因斯坦的理论，也不一定会超越物理学的范畴。
它们的存在反而可能有助于解决当前理论中的一些问题——例如，黑洞似乎会导致信息的丢失，这与量子力学不一致（参见第2章）。黑洞视界禁锢了光以及速度慢于光的一切，但非定域连接可以跨过视界，帮助黑洞内的信息逃逸，于是这个问题就解决了。一些物理学家还指出，暗物质其实是一种错误的归因，实际情况可能只是普通物质的引力会因为时空中的非定域连接而增长和扩散。5
上述都是没有实证支撑的猜测，我对它们不是很感兴趣。我提到这些只是为了表明，物理学家已经认真考虑过了横跨整个宇宙的非定域连接。它们确实过于牵强，但也没有什么明显的错误。
这种非定域连接从何而来？它们有可能是几何发生的过程遗留下来的。我们在第2章简要讨论过几何发生学，它认为，宇宙本质上是一个网状结构，它的近似就形成了爱因斯坦理论中的平滑空间。然而，早期宇宙的网络在创建时空几何时，可能会在其中留下缺陷。正如福蒂尼·马科普洛（Fotini Markopoulou）和李·斯莫林在2007年提出的观点6，这意味着如今的空间中遍布着非定域连接（参见图15）。
图15 空间（灰色）中的非定域连接（黑色）就像微型虫洞一样，沿着这些路径旅行根本不会耗费时间
你可以把这些非定域连接想象成微型虫洞，它们在两个相隔很远的地点之间开辟了捷径。这些非定域连接的规模对我们来说太小了，其直径只有1035米，甚至连基本粒子都无法通过。但它们会用自身将宇宙的几何结构紧密地联系起来，并且数量众多。根据马科普洛和斯莫林的估算，我们的宇宙中大约有10360个这样的连接。相比之下，人类的大脑中只有区区1015个神经突触。并且宇宙中的连接都是非定域的，因此空间的膨胀对它们来说不算什么问题。
没有什么特别扎实的理由可以说服我相信这些非定域连接确实存在；即使它们真的存在，我认为这也不足以说明宇宙的确能凭借它们进行思考。可我也不能排除这种可能性。虽然听起来疯狂，但宇宙具有智慧这一观点与我们目前所掌握的一切并不冲突。