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关于平行宇宙的争议

2018-09-03

乔治·埃利斯是南非开普敦大学的宇宙学家和名誉教授。他是研究爱因斯坦广义相对论的世界顶尖专家之一。他1975年与霍金一起,合著了有巨大影响的《时空的大尺度结构》一书。他就是众多质疑平行宇宙猜想中最著名的一位。我们来听听他的质疑。

首先,对于第一个层次。平行宇宙的支持者主要是用了一种叫做“外推”的论证方式。因为我们只能看到大约460亿光年半径的宇宙区域,再加上我们已观测的某些结果,我们就外推描述真实的宇宙大小可能是可观测宇宙的无穷多倍。这是一种不合理的外推。也许,宇宙在一个非常大的尺度上是闭合的,并非无穷大;也许,宇宙中的所有物质会在某个地方终止,在这之外就是永恒的真空;也许,空间和时间会在一个奇点处走向尽头,这个奇点又形成新的宇宙。我们不知道究竟发生了什么,因为我们没有来自这些区域的信息,而且永远都不会有。像这样从有限的已知外推未知情况的最关键问题是,没有人能证明你是错的。所有的一切都是基于假设,作为科学家来说,如果沿着这条道路往前走,很可能会丢掉我们数百年来辛辛苦苦建立起来的科学范式,这是很危险的。

再来看第二个层次,暴胀理论是这个层次平行宇宙的核心论据。支持者们的基本逻辑是这样的,因为我们这个宇宙的各种物理常数似乎都令人不可思议地恰到好处,否则就不会产生允许生命存在的宇宙。令人印象最深刻的就是暗能量,这个也被称为宇宙学常数,也就是单位空间能够产生的暗能量的大小,它必须被精确地调教到小数点后面123位,你没有听错,就是小数点后面123位,才能恰好允许星系的形成,否则我们身处的银河系乃至太阳系早就四分五裂了。这显然是一个无比幸运的巧合,多重宇宙泡泡的假说可以提供一个合理的解释,也就是如果泡泡足够多的话,那总有一个是可以满足这种苛刻的条件的,而我们生活在其中就不足为怪了。我同意这是一个合理的解释。但是,它的问题在于,如果不存在多重宇宙让你应用概率的话,我们就无法使用这一概率证据。因此,该说法一开始就假设了想要得到的结果,但如果在物理学上只存在一个宇宙,它根本就不适用。概率只是讨论多重宇宙能否自洽的由头,而不是多重宇宙存在的证据。另外一个重量级的理论物理学家,美国科学院院士,普林斯顿理论科学研究中心的主任,因在暴胀理论上的贡献获得过狄拉克奖的斯坦哈特教授,也认为目前的永恒暴胀理论面临着一个基础假设上的尴尬,按照该理论,不可避免地必然形成无穷多个宇宙泡泡,拥有无穷多种不同的宇宙性质。那么任何可能发生的事情都会发生,而且是发生无穷多次。那等于就是说,这个理论预言任何事情都会发生,不论我们能想到的还是我们想不到的,这个宇宙中没有不可能发生的事情。那这样一个理论跟什么都预言不了其实等价。

我们继续讨论第三个层次,多世界诠释的根基是量子力学。但量子力学可能是错的,众所周知,量子力学并不是一个优美的理论,而且与广义相对论还不相容。而弦理论更是一个没有经受过考验的理论,甚至不是一个完整的理论。如果我们有证据可以证明弦理论是正确的,那么这套理论所作的预言将会成为多重宇宙合理的、有实验依据的论据。但我们没有这样的证据。

至于第四个层次的平行宇宙,泰格马克提出所有可能的数学结构都对应于一个实际的物理区域。这是一个很有吸引力的提议,但是,我们不知道这种说法会牵涉到什么样的原则或者框架,而且我们也没有任何方法来检验这些原则的存在或者属性,虽然很有创见,但是,对不起,把它应用到现实则纯粹是猜想。

总之,埃利斯认为,目前所有平行宇宙的理论更像是一个概念,而不是一个定义明确的理论,它们只是一些不同想法的拼凑体,而不是一个连贯的整体。如果我们对一个理论降低了可检验性和证据的要求,那么这就弱化了过去几个世纪中,科学取得成功的根本。

面对乔治·埃利斯的质疑,平行宇宙理论的捍卫者泰克马克也给出了回应。我们听听他是如何回应的。

请记住,平行宇宙不是一个理论,它们是一些理论的预测。我认为关键之处在于,如果某个理论是科学的,哪怕它的有些结论无法直接观测、证实,但研究并讨论这一理论的所有结论是完全合情合理的。如果一个学说能够被证伪,我们不需要观察、检验它的所有预测,只需要保证至少一个即可。因此,科学上能够被验证的是数学化的理论,而不一定是理论的预测。举个例子,因为爱因斯坦的广义相对论成功地做出了我们可以观察的预测,所以我们也会认真对待它做出的那些无法观察的预测,就比如黑洞里发生的事情。类似地,如果我们认为暴胀学说和量子力学迄今为止做出的成功预测令人赞叹,那我们就同样需要认真看待它们的其他预测,包括平行宇宙。

目前来看,在可检验性方面,弦论显然还不能跟暴胀学说和量子力学相提并论。然而我怀疑,即使弦论最终证明是错的,第二层多重宇宙仍然有可能存在。数学方程拥有多个解的现象很常见。只要描述现实世界的基本方程存在多个解,那么永恒暴胀形成巨大的空间区域,就能够实现每一种解。例如,描述水分子运动的方程式(与弦论毫无干系)可以给出三种不同的解,分别对应水蒸气、液态水和固态冰。类似地,如果空间本身也存在不同的相态,那么暴胀将倾向于实现所有的相态。

另外一位资深宇宙学家,波士顿塔夫茨大学的教授亚历山大·维连金对埃利斯的质疑也给出了这样的回应:实际上,多重宇宙图景有可能被观测实验验证。假如我们这个宇宙与其他泡泡宇宙发生碰撞的话,就会在宇宙微波背景辐射上留下痕迹,也就是一个辐射密度或高或低的圆形斑点。如果能探测到与预测密度相符的斑点,就可以作为泡泡宇宙存在的直接证据。相关研究已经开始,但是,没有人能保证这种碰撞在我们的宇宙视界内发生过。

此外,还有第二种方法,就是利用多重宇宙的理论模型来预测我们这个宇宙其他区域的物理常数。这些常数的数值在各个泡泡宇宙中都各不相同,我们难以做出准确的预测,但仍可以从统计学入手,预测物理常数的哪些取值最有可能被多重宇宙中的典型观察者观测到。而我们就是典型观察者,这也是宇宙学第一原理,即平庸原理的基本假定。我们就能预测我们所在的泡泡宇宙中物理常数的可能取值。这套方法曾被用来预测暗能量密度的取值,而观测证据与预测值非常接近,这改变了很多人的观念。

在质疑平行宇宙理论的阵营中,还有一个最为广泛的质疑声,那就是这套理论与奥卡姆剃刀原理相悖,为了解释我们已知的宇宙为什么会这样而引入了太多的假设,把事情变得极为复杂,为了解释一个双缝干涉实验,不惜分裂出无数个宇宙,这动静闹的也太大了吧。

面对这个有力的质疑,泰格马克教授给出了一个无比优美的回答,至少在我看来是这样,我找到了久违的满足感。

请问,一个所有自然数的集合,究竟是整个集合简单呢,还是其中的某个数字简单?你多半会以为单个数字要简单。错了,整个集合可以用一个极简单的电脑程序产生,只需定义数字1和加法运算,整个集合就出来了。然而,定义单个数字所需要的空间却可能长得惊人。

同样,爱因斯坦场方程的所有解的集合比某一特定解要简单。因为前者只用几个方程描述,而后者却需要规定有关某一超曲面的大量初始数据。所以,当我们把某一集合的所有组成部分作为一个整体考虑时,这样的整体往往具有内在的对称性和简单性,但当我们把注意力放到集合的某一特定元素时,对称性和简单性便会消失,复杂度反而增加了。

在这个意义上,层次越高的多重宇宙其实越简单。从我们的宇宙走到第一层多重宇宙,就省去了规定初始条件这一步,升级到第二层时,又省去了规定物理常数的需要,到了第四层,干脆就什么都用不着规定了。从上帝视角来看,多重宇宙是简单得不能再简单了。

当我们再次深入思考四个层次的平行宇宙,我们就会发现,那些最简单、最优美的理论,天生就包含了平行宇宙概念。而要否定那些宇宙的存在,我们反而要作出很多假定,例如有限空间、波函数坍缩以及本体上的不对称等等,理论其实是在被复杂化。我想再次请问,是让这些平行宇宙存在更优美,还是我们用一大堆复杂的理论剔除它们更优美呢?

我不得不承认,泰格马克教授的这个回答实在漂亮!

但是,不管怎么讲,平行宇宙理论现在依然处在起步阶段,还有许多概念性的问题等待解决。另一位国际知名的物理学家,斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德教授说:我敢打赌,在下个世纪之交,哲学家和物理学家将怀念今日。他们会兴致勃勃地回忆起这样一个黄金时代:20世纪传统而又狭隘的宇宙观让位于更为宏大、美好的多重宇宙观。

在科学诞生之前,人类的宇宙观一次一次地被伟大的哲学家们刷新着。但是科学诞生以后,刷新人类宇宙观的使命就转移到了物理学家们身上。我们曾经以为自己是宇宙的中心,但是哥白尼让我们知道了地球只是太阳系的一员、哈勃让我们知道了银河系只是宇宙总星系群中的一员、爱因斯坦让我们知道了宇宙的时空结构,人类的被自己的发现一次又一次地震撼着,现在我们又发现很可能存在无穷无尽的平行宇宙,到了这一步,人类这点可怜的想象力已经不够用了。面对宇宙,我们会变得更加谦卑。作为回报,人类会生活在一个更加宏伟的世界,一个超越祖先最狂野想象的世界。

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来自:km19721127  > 学习
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