多重宇宙

2013-12-16 光明佛坛

编者的话：在八月号《科学美国人》上，宇宙学家乔治亚·伊利斯陈述了他为什么对于平行宇宙理论持怀疑态度的原因。而这一期，多重宇宙的支持者亚历山大·威柳金和麦克斯·泰格马克带来了反对意见，即：多重宇宙理论能够解释我们宇宙的众多疑问——以及这一点如何可被证明。

欢迎来到多重宇宙 【亚历山大·威柳金】

我们所熟悉的这个宇宙，源起于一场惊天动地的爆炸，我们称之为宇宙大爆炸。近一个世纪以来，宇宙学家一直致力于研究这场爆炸的余波：宇宙是如何膨胀以及冷却的，星系又是如何在引力作用下逐渐聚拢形成。大爆炸的本质直到最近才成为研究热点。暴涨理论，由阿兰古斯、安德烈·林德以及一些科学家在上个世纪八十年代初提出，这一理论带来了一个颠覆全球的创新宇宙观。

暴涨，指的是宇宙早期在极短的时间内急速膨胀的过程。这一过程是如此迅疾，仅在不到一秒的时间里，微小如一个亚原子的点，便形成为一个半径远超我们目前所能观测到的最大区域半径的深远空间。在暴涨趋于结束时，它的原始能量激起粒子与放射物间的剧烈反应。这就是我们所说的宇宙大爆炸。

量子是令暴涨过程走向结束的契机，这是一个概率事件，且并不是所有地方都同步发生。在我们所处的这个宇宙区域内，暴涨结束于137亿年之前，但在宇宙深处其他部分暴涨仍在继续，这些其他的“普通”区域，就像我们这里一样，也在持续不断地被形成。新的区域开始时是极小的，只能从显微镜里看到的泡泡，但很快他们就开始长大，继而无穷无尽地膨胀下去；与此同时，这些泡泡由于暴涨性的扩张而被分散，空出的间隙可供新的泡泡形成。这一永无止境的过程就叫做恒暴涨。我们就生活在其中一个泡泡里，并只能观察到其中很小的一部分，不论我们以多快的速度运行，我们也不可能追上我们所在的这个不断膨胀的泡泡的边际，所以，实际上，我们生存在一个独立的，自足的宇宙泡之中。

量子是令暴涨过程走向结束的契机，这是一个概率事件，且并不是所有地方都同步发生。在我们所处的这个宇宙区域内，暴涨结束于137亿年之前，但在宇宙深处其他部分暴涨仍在继续，这些其他的“普通”区域，就像我们这里一样，也在持续不断地被形成。新的区域开始时是极小的，只能从显微镜里看到的泡泡，但很快他们就开始长大，继而无穷无尽地膨胀下去；与此同时，这些泡泡由于暴涨性的扩张而被分散，空出的间隙可供新的泡泡形成。这一永无止境的过程就叫做恒暴涨。我们就生活在其中一个泡泡里，并只能观察到其中很小的一部分，不论我们以多快的速度运行，我们也不可能追上我们所在的这个不断膨胀的泡泡的边际，所以，实际上，我们生存在一个独立的，自足的宇宙泡之中。

暴涨理论还解释了其他一些大爆炸的神秘特性，这些特性在过去仅仅只是个猜想。同时，暴涨理论也做出了一系列可检验的预测，而这些预测随后也通过实际观测得到了验证。今天，暴涨理论已经成为最主要的宇宙论模型。

这个全新世界观的另一个重要组成来自于弦理论，弦理论是当今最具有潜力成为客观世界根本理论的候选之一。弦理论可以用无数多种方式来描述这些物理性质各不相同的宇宙泡。一些我们称之为常数的量，比如基本粒子的质量，比如牛顿的万有引力等等，在不同的宇宙泡中有着不同的数值。结合暴涨理论，每一个宇宙泡都以其特定的方式在整个膨胀的空间中形成，因此不可避免的，在永恒的暴涨过程里将会出现无数多个不同类型的宇宙泡。

这样的宇宙景象，即所谓的平行宇宙，解释了长久以来的谜题——为什么自然界里的常数都仿佛是为生命的诞生量身打造的。事实上，智慧生命仅存在于极少数的宇宙泡中，而这少数碰巧具有了生命进化条件的宇宙泡则完全是机会产物。其余的多重宇宙依旧死寂，无人问津。

一些我的物理学同僚对多重宇宙理论感到担忧。因为，任何物理学理论是否站得住脚取决于它的预测结果是否与实际数据相符。但我们如何验证其他宇宙泡的存在呢？保罗·斯坦哈特与乔治亚·伊利斯就曾提出：多重宇宙理论是不科学的，因为它无法被证明，甚至在理论上也行不通。

然而出人意料的是，多重宇宙图景通过观测来验证事实上或许是可行的。安东尼·阿奎尔，麦特·约翰逊，麦特·克莱巴纳以及其他一些科学家已经指出，当我们所在的膨胀宇宙泡与另一个多重宇宙中的宇宙泡相遇时，会在宇宙背景辐射上产生投影——一个强度或高或低的放射圆点。监测到这样一个圆点，并配以预估的强度数据图表，将为其他宇宙泡的存在带来直接证据。这个研究目前正在继续当中，但遗憾的是，目前不能保证曾有宇宙泡的交错发生在我们的宇宙范围内。

此外，还有另一个方法论值得关注。其理念是利用多重宇宙模型理论来对我们所在的这个小宇宙的可量化常数进行预测。如果不同宇宙泡的常数各自不同，那么他们的数值就不可能被准确推算，但我们仍可进行统计预测。我们可以通过多重宇宙理论推导出什么样的常数最容易被一个典型的多重宇宙观测方所测量。假设，我们的宇宙就是这样一个样本——所谓折中原则——然后，我们就可以借多重宇宙理论来预估自己所在宇宙泡的常数值了。

这种方法已经应用于真空能量密度，也就是“暗能量”的研究上。史蒂文·温伯格指出，那些暗能量较大的区域，会导致宇宙快速膨胀，从而避免了母体凝聚形成星系和恒星。生命体不太可能在这种区域形成。计算显示大部分的星系（也就是生命体最有可能出现的地方），其暗能量密度基本与其星系形成时相同。由此，可以预测相似的数值应该也可从我们所处的宇宙一角测得。

通常，物理学家并不把这些想法当回事，但令他们大跌眼镜的是，二十世纪九十年代末，天文观测发现了理论中的暗能量及其大概量值。这可能是我们第一次有证据显示确实有多重宇宙的存在，它改变了许多人的看法。

虽然多重宇宙理论目前仍处在初级阶段，一些理论问题也还悬而未决。但是，正如莱纳德·斯维斯肯德所写的：“我敢打赌，22世纪末的哲学家与物理学家们将会缅怀我们所在的这个黄金时代，在这个时代，二十世纪的狭隘宇宙观终以悬殊比例让位于一个更加合理的多重宇宙理论。”

多重宇宙的反击 【麦克斯·泰格马克】

你是否真的活在一个多重宇宙之中？又亦或者，这只是一个脱离科学范畴的狂想？

八月号《科学美国人》杂志上有一篇有趣的批判文章，作者是相对先锋派的乔治亚·F·伊利斯。受其启发，我在此提出自己的一点浅见。

多重宇宙的观点建立后，按惯例坐了一阵子异端学说的冷板凳。十七世纪，乔尔丹诺·布鲁诺和他的无限空间多重宇宙论一起被绑上火刑柱；1957年休·埃弗莱特又和他的量子多重宇宙学说一起被物理学术界扫地出门。我自己也曾直接感受过一些类似的压力，比如：老前辈们会暗示那些我发表的关于多重宇宙的文章都是垃圾，会毁了我的前途。但近些年，一切都不同了，平行宇宙论成了潮流，充斥在书籍，电影甚至于笑话之中：“许多平行宇宙中的你都考过了考试——但不包括这一个。”

当然，这股风潮并没有在科学家间引起共识，但它让多重宇宙的辩论变得愈加微妙。在我看来，更有意思的是它让科学家们走出过去单纯的口水仗，开始真正尝试去理解对立方的观点。乔治亚·伊利斯的新文章就是一个很好的例证，我强烈建议还没读过它的人一定去看看。

所谓我们的宇宙，我特指的是这个距我们的大爆炸有137亿光年的球形空间。当谈到平行宇宙，我发现区分四个不同的类型是很有必要的：第一类（一些遥远的空间，物理法则与我们相同，但是因为开始点不尽相同，所以发展也各异），第二类（一些物理法则都根本不同的空间），第三类（其他的平行世界，在所谓的希尔伯特空间，那里量子力学是主角），第四类（完全未知的世界，由完全不同的数理方程所决定）。

在乔治的评论文章里，他根据这些不同的多重宇宙类型分别进行了质疑，并提出所有的这些类型都有问题。以下是我对于他主要的反多重宇宙论做的总结：

1） 暴涨学说可能是错的（或并非永恒的过程）

2） 量子理论可能是错的（至少不全是对的）

3） 弦理论可能是错的（缺少多重解决方案）

4） 多重宇宙论可能不具证伪性。

5） 一些所谓多重宇宙的证据莫能两可。

6） 微调参数太多。

7） 更大维度的多重宇宙理论漏洞更多。

（乔治实际上并没有在他的文章里提到第（2）点，我列在这里是因为我相信如果编辑允许他的篇幅超过六页，他一定会提到这一项）

谈到我对于这篇文章的想法，有意思的是，我毫无疑问地同意以上七点。但我仍愿意以性命担保，多重宇宙的确存在。

让我们先看看前四点。暴涨自然产生了第一类多重宇宙，如果你再加上弦理论作为横向空间的解决途径，你就得到了第二类多重宇宙，同样的，量子理论以其数学上的简洁性（“统一性” ）能带你到达第三类多重宇宙。所以说，如果这些理论都被推翻，那么多重宇宙成立的要素也就不复存在。

注意：平行宇宙并不是一个理论——他们只是一些理论的预测结果而已。

对我来说，关键点在于理论本身是否科学，在这个合理前提下，再去研究和讨论它所产生的后果，哪怕会涉及一些我们并不了解的部分。对于一个可被证伪的理论，我们是无法观测并验证它所有的推论的，仅仅只可能是其中之一。我对于第四点的回答是，所谓科学验证，验证的只是我们的数学逻辑，而非它们的应用，这很好理解。比如，因为爱因斯坦的广义相对论可以成功预测许多我们观察到的事情，所以我们也相信它对于我们无法观察到的事物的推论，比如：黑洞内部的状况。

同样的，如果我们因为目前一些暴涨理论和量子理论的成功预测而欢欣鼓舞，那么我就需要重视它们的其他推论，包括第一类和第三类多重宇宙。乔治甚至提到了永久暴涨这一点在未来被排除的可能性——对我来说，这只是一个简单的，关于永久暴涨是科学理论的探讨。

弦理论显然还没有像暴涨理论和量子理论一样作为可验证的科学理论被健全起来。但是，我预计，即使弦理论被证明有误，我们也无法否定第二类多重宇宙概念。在数学方程中，有多个解很正常，只要基本方程适用于我们的现实，那么恒暴涨一般就能创造巨出大空间，来使这些解集一一变为现实。比如，决定水分子的方程式，本身与弦理论毫无关系，但它就有三个相关的解集，分别是气态，液态和冰。如果空间本身也具有类似的多态性，那么暴涨将可以使其全部达成。

乔治列举了一些观测结果，并称其有力地证明了多重宇宙理论的不确定性。比如某些常数并非恒常，宇宙泡间的交错或者异空间的交错发生时的宇宙微波背景辐射情况，等。我完全接受并赞同他对于以上几点所持的怀疑态度。但是，不论其中哪一条，所争论的都是数据分析，就像冷聚变实验失败后的讨论一样。对我来说，科学家对于这些数据进行测量和争论恰恰说明了它所涉及的理论属于科学范畴：这正是科学性争议与非科学性争议的区别！

我们的宇宙展现了惊人的宜生性，换句话说，如果变更自然界的一些常数，哪怕只是一点点，我们已知的生命形态都将不复存在。为什么呢？假设有第二类多重宇宙，那里的自然常数值各自不同，那么我们正好处在其中一个罕见的适宜生存的宇宙里这种想法也就毫不奇怪了，就像我们完全接受自己能活在地球上而非水星或冥王星的道理一样。乔治指出一个事实，那就是你必须先假设多重宇宙的存在，才能推导出以上结论。但是，这正是我们检验任何科学理论的方法：我们先假设其真，得出结论，再根据它是否与观测结果匹配来去伪存真。我们自然界中的一些常数被设定得精妙到令人发指——比如，我们需要设定暗能量的数值精确到约小数点后的123位，才能获得宜居星系。对我来说，一个无法解释的巧合可以是一个信号，一个科学认知中的空白。无视这个巧合，认为我们只是走运，不需要追本溯源的想法，不仅不能令人满意，更是等同于无视潜在的重要线索。

乔治提出如果我们相信这些可能性真的存在，那么我们就跌入了更高级别多重宇宙的深渊，比如第四类平行宇宙。基于我本人是第四类平行宇宙的爱好者与为数不多的支持者之一，如此深渊我欣然愿往！

乔治同时还提到多重宇宙理论可能会由于其过分的复杂性而与奥卡姆剃刀原理相悖。作为一个理论物理学家，我判断一个理论是否简单优雅。并不取决于它存在的方式，而是取决于它的数学公式是否简单优雅——令我震惊的是多重宇宙理论恰恰是符合数学意义上的极简标准的。要知道，写出一个能够准确表达我们所在的宇宙却又不产生多余参数的理论难如登天。

最后，还有一个反多重宇宙的论点我希望乔治能够避免，尽管在我看来，这个论调对于大多数人来说是最有说服力的一条，即：多重宇宙太过诡异失真。

看完了反多重宇宙诸多论点，现在让我们来进一步研究一下支持多重宇宙的案例。我将探讨一旦我们接受了实在性假定，也即：物理的客观存在独立于人类，那么所有的争论都将烟消云散。假设这个前提成立，那么多重宇宙最大的争议就将会建立在以下三个不确定的前提上：

1）可被观测前提：物理实在性必须由至少一个观测者大体上窥其整体

2）绝对可被理解前提：物理实在性必须能够使一定数量有教育背景的观测者不费力地理解它

3）不可复制前提：物理过程不可复制观测者，或有意创造无差异的观测者。

（1）和（2）看起来只是由于人类的傲慢，可被观测前提实际上是把“存在”这个词重新定义，使它等同于人类可观测到的东西，这显然是自欺欺人。而那些坚持绝对可被理解前提的人们，基本都会否定那些由来已久的童年传说，比如圣诞老人，定域实在性，牙仙，以及创世论——但他们真的抛除成见、认真研究了这些熟知的概念背后所具有的更深层含义吗？在我看来，我们作为科学家的职责就是尽力找出这个世界运行的规律，而非以自己先入为主的哲学思维来进行阐述。

如果可被观测假设不成立，那么就有不可被观测到的事物存在，而我们也就生活在一个多重宇宙中。

如果不可复制假设不成立，那么就根本没有理由去质疑在其他空间存在着我们的复制体这一观点——事实上，不论是无限膨胀理论还是量子力学理论都有着足够的理论依据来创造这种可能性。

我们人类长久以来就有着傲慢自负的劣根性，想象自己是一切的中心，所有的事情都要围绕着我们转。慢慢地，我们才开始了解到事情并非如此，是我们绕着太阳转，而太阳自身又围绕着数以亿计的星系中的一个在旋转。正因有了物理学的突破，我们才有可能更进一步去认清真正的现实。

未来，我们所需的是更加谦卑的自我，这对我们有好处，它能让我们意识到我们所在的是一个多么壮丽而宏大、远超先祖想象的世界