多重宇宙

2013-12-16 光明佛壇

編者的話：在八月號(hào)《科學(xué)美國(guó)人》上，宇宙學(xué)家喬治亞·伊利斯陳述了他為什么對(duì)于平行宇宙理論持懷疑態(tài)度的原因。而這一期，多重宇宙的支持者亞歷山大·威柳金和麥克斯·泰格馬克帶來(lái)了反對(duì)意見，即：多重宇宙理論能夠解釋我們宇宙的眾多疑問(wèn)——以及這一點(diǎn)如何可被證明。

歡迎來(lái)到多重宇宙 【亞歷山大·威柳金】

我們所熟悉的這個(gè)宇宙，源起于一場(chǎng)驚天動(dòng)地的爆炸，我們稱之為宇宙大爆炸。近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，宇宙學(xué)家一直致力于研究這場(chǎng)爆炸的余波：宇宙是如何膨脹以及冷卻的，星系又是如何在引力作用下逐漸聚攏形成。大爆炸的本質(zhì)直到最近才成為研究熱點(diǎn)。暴漲理論，由阿蘭古斯、安德烈·林德以及一些科學(xué)家在上個(gè)世紀(jì)八十年代初提出，這一理論帶來(lái)了一個(gè)顛覆全球的創(chuàng)新宇宙觀。

暴漲，指的是宇宙早期在極短的時(shí)間內(nèi)急速膨脹的過(guò)程。這一過(guò)程是如此迅疾，僅在不到一秒的時(shí)間里，微小如一個(gè)亞原子的點(diǎn)，便形成為一個(gè)半徑遠(yuǎn)超我們目前所能觀測(cè)到的最大區(qū)域半徑的深遠(yuǎn)空間。在暴漲趨于結(jié)束時(shí)，它的原始能量激起粒子與放射物間的劇烈反應(yīng)。這就是我們所說(shuō)的宇宙大爆炸。

量子是令暴漲過(guò)程走向結(jié)束的契機(jī)，這是一個(gè)概率事件，且并不是所有地方都同步發(fā)生。在我們所處的這個(gè)宇宙區(qū)域內(nèi)，暴漲結(jié)束于137億年之前，但在宇宙深處其他部分暴漲仍在繼續(xù)，這些其他的“普通”區(qū)域，就像我們這里一樣，也在持續(xù)不斷地被形成。新的區(qū)域開始時(shí)是極小的，只能從顯微鏡里看到的泡泡，但很快他們就開始長(zhǎng)大，繼而無(wú)窮無(wú)盡地膨脹下去；與此同時(shí)，這些泡泡由于暴漲性的擴(kuò)張而被分散，空出的間隙可供新的泡泡形成。這一永無(wú)止境的過(guò)程就叫做恒暴漲。我們就生活在其中一個(gè)泡泡里，并只能觀察到其中很小的一部分，不論我們以多快的速度運(yùn)行，我們也不可能追上我們所在的這個(gè)不斷膨脹的泡泡的邊際，所以，實(shí)際上，我們生存在一個(gè)獨(dú)立的，自足的宇宙泡之中。

量子是令暴漲過(guò)程走向結(jié)束的契機(jī)，這是一個(gè)概率事件，且并不是所有地方都同步發(fā)生。在我們所處的這個(gè)宇宙區(qū)域內(nèi)，暴漲結(jié)束于137億年之前，但在宇宙深處其他部分暴漲仍在繼續(xù)，這些其他的“普通”區(qū)域，就像我們這里一樣，也在持續(xù)不斷地被形成。新的區(qū)域開始時(shí)是極小的，只能從顯微鏡里看到的泡泡，但很快他們就開始長(zhǎng)大，繼而無(wú)窮無(wú)盡地膨脹下去；與此同時(shí)，這些泡泡由于暴漲性的擴(kuò)張而被分散，空出的間隙可供新的泡泡形成。這一永無(wú)止境的過(guò)程就叫做恒暴漲。我們就生活在其中一個(gè)泡泡里，并只能觀察到其中很小的一部分，不論我們以多快的速度運(yùn)行，我們也不可能追上我們所在的這個(gè)不斷膨脹的泡泡的邊際，所以，實(shí)際上，我們生存在一個(gè)獨(dú)立的，自足的宇宙泡之中。

暴漲理論還解釋了其他一些大爆炸的神秘特性，這些特性在過(guò)去僅僅只是個(gè)猜想。同時(shí)，暴漲理論也做出了一系列可檢驗(yàn)的預(yù)測(cè)，而這些預(yù)測(cè)隨后也通過(guò)實(shí)際觀測(cè)得到了驗(yàn)證。今天，暴漲理論已經(jīng)成為最主要的宇宙論模型。

這個(gè)全新世界觀的另一個(gè)重要組成來(lái)自于弦理論，弦理論是當(dāng)今最具有潛力成為客觀世界根本理論的候選之一。弦理論可以用無(wú)數(shù)多種方式來(lái)描述這些物理性質(zhì)各不相同的宇宙泡。一些我們稱之為常數(shù)的量，比如基本粒子的質(zhì)量，比如牛頓的萬(wàn)有引力等等，在不同的宇宙泡中有著不同的數(shù)值。結(jié)合暴漲理論，每一個(gè)宇宙泡都以其特定的方式在整個(gè)膨脹的空間中形成，因此不可避免的，在永恒的暴漲過(guò)程里將會(huì)出現(xiàn)無(wú)數(shù)多個(gè)不同類型的宇宙泡。

這樣的宇宙景象，即所謂的平行宇宙，解釋了長(zhǎng)久以來(lái)的謎題——為什么自然界里的常數(shù)都仿佛是為生命的誕生量身打造的。事實(shí)上，智慧生命僅存在于極少數(shù)的宇宙泡中，而這少數(shù)碰巧具有了生命進(jìn)化條件的宇宙泡則完全是機(jī)會(huì)產(chǎn)物。其余的多重宇宙依舊死寂，無(wú)人問(wèn)津。

一些我的物理學(xué)同僚對(duì)多重宇宙理論感到擔(dān)憂。因?yàn)?，任何物理學(xué)理論是否站得住腳取決于它的預(yù)測(cè)結(jié)果是否與實(shí)際數(shù)據(jù)相符。但我們?nèi)绾悟?yàn)證其他宇宙泡的存在呢？保羅·斯坦哈特與喬治亞·伊利斯就曾提出：多重宇宙理論是不科學(xué)的，因?yàn)樗鼰o(wú)法被證明，甚至在理論上也行不通。

然而出人意料的是，多重宇宙圖景通過(guò)觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證事實(shí)上或許是可行的。安東尼·阿奎爾，麥特·約翰遜，麥特·克萊巴納以及其他一些科學(xué)家已經(jīng)指出，當(dāng)我們所在的膨脹宇宙泡與另一個(gè)多重宇宙中的宇宙泡相遇時(shí)，會(huì)在宇宙背景輻射上產(chǎn)生投影——一個(gè)強(qiáng)度或高或低的放射圓點(diǎn)。監(jiān)測(cè)到這樣一個(gè)圓點(diǎn)，并配以預(yù)估的強(qiáng)度數(shù)據(jù)圖表，將為其他宇宙泡的存在帶來(lái)直接證據(jù)。這個(gè)研究目前正在繼續(xù)當(dāng)中，但遺憾的是，目前不能保證曾有宇宙泡的交錯(cuò)發(fā)生在我們的宇宙范圍內(nèi)。

此外，還有另一個(gè)方法論值得關(guān)注。其理念是利用多重宇宙模型理論來(lái)對(duì)我們所在的這個(gè)小宇宙的可量化常數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。如果不同宇宙泡的常數(shù)各自不同，那么他們的數(shù)值就不可能被準(zhǔn)確推算，但我們?nèi)钥蛇M(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)。我們可以通過(guò)多重宇宙理論推導(dǎo)出什么樣的常數(shù)最容易被一個(gè)典型的多重宇宙觀測(cè)方所測(cè)量。假設(shè)，我們的宇宙就是這樣一個(gè)樣本——所謂折中原則——然后，我們就可以借多重宇宙理論來(lái)預(yù)估自己所在宇宙泡的常數(shù)值了。

這種方法已經(jīng)應(yīng)用于真空能量密度，也就是“暗能量”的研究上。史蒂文·溫伯格指出，那些暗能量較大的區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致宇宙快速膨脹，從而避免了母體凝聚形成星系和恒星。生命體不太可能在這種區(qū)域形成。計(jì)算顯示大部分的星系（也就是生命體最有可能出現(xiàn)的地方），其暗能量密度基本與其星系形成時(shí)相同。由此，可以預(yù)測(cè)相似的數(shù)值應(yīng)該也可從我們所處的宇宙一角測(cè)得。

通常，物理學(xué)家并不把這些想法當(dāng)回事，但令他們大跌眼鏡的是，二十世紀(jì)九十年代末，天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了理論中的暗能量及其大概量值。這可能是我們第一次有證據(jù)顯示確實(shí)有多重宇宙的存在，它改變了許多人的看法。

雖然多重宇宙理論目前仍處在初級(jí)階段，一些理論問(wèn)題也還懸而未決。但是，正如萊納德·斯維斯肯德所寫的：“我敢打賭，22世紀(jì)末的哲學(xué)家與物理學(xué)家們將會(huì)緬懷我們所在的這個(gè)黃金時(shí)代，在這個(gè)時(shí)代，二十世紀(jì)的狹隘宇宙觀終以懸殊比例讓位于一個(gè)更加合理的多重宇宙理論?！?/p>

多重宇宙的反擊 【麥克斯·泰格馬克】

你是否真的活在一個(gè)多重宇宙之中？又亦或者，這只是一個(gè)脫離科學(xué)范疇的狂想？

八月號(hào)《科學(xué)美國(guó)人》雜志上有一篇有趣的批判文章，作者是相對(duì)先鋒派的喬治亞·F·伊利斯。受其啟發(fā)，我在此提出自己的一點(diǎn)淺見。

多重宇宙的觀點(diǎn)建立后，按慣例坐了一陣子異端學(xué)說(shuō)的冷板凳。十七世紀(jì)，喬爾丹諾·布魯諾和他的無(wú)限空間多重宇宙論一起被綁上火刑柱；1957年休·埃弗萊特又和他的量子多重宇宙學(xué)說(shuō)一起被物理學(xué)術(shù)界掃地出門。我自己也曾直接感受過(guò)一些類似的壓力，比如：老前輩們會(huì)暗示那些我發(fā)表的關(guān)于多重宇宙的文章都是垃圾，會(huì)毀了我的前途。但近些年，一切都不同了，平行宇宙論成了潮流，充斥在書籍，電影甚至于笑話之中：“許多平行宇宙中的你都考過(guò)了考試——但不包括這一個(gè)?！?/p>

當(dāng)然，這股風(fēng)潮并沒(méi)有在科學(xué)家間引起共識(shí)，但它讓多重宇宙的辯論變得愈加微妙。在我看來(lái)，更有意思的是它讓科學(xué)家們走出過(guò)去單純的口水仗，開始真正嘗試去理解對(duì)立方的觀點(diǎn)。喬治亞·伊利斯的新文章就是一個(gè)很好的例證，我強(qiáng)烈建議還沒(méi)讀過(guò)它的人一定去看看。

所謂我們的宇宙，我特指的是這個(gè)距我們的大爆炸有137億光年的球形空間。當(dāng)談到平行宇宙，我發(fā)現(xiàn)區(qū)分四個(gè)不同的類型是很有必要的：第一類（一些遙遠(yuǎn)的空間，物理法則與我們相同，但是因?yàn)殚_始點(diǎn)不盡相同，所以發(fā)展也各異），第二類（一些物理法則都根本不同的空間），第三類（其他的平行世界，在所謂的希爾伯特空間，那里量子力學(xué)是主角），第四類（完全未知的世界，由完全不同的數(shù)理方程所決定）。

在喬治的評(píng)論文章里，他根據(jù)這些不同的多重宇宙類型分別進(jìn)行了質(zhì)疑，并提出所有的這些類型都有問(wèn)題。以下是我對(duì)于他主要的反多重宇宙論做的總結(jié)：

1） 暴漲學(xué)說(shuō)可能是錯(cuò)的（或并非永恒的過(guò)程）

2） 量子理論可能是錯(cuò)的（至少不全是對(duì)的）

3） 弦理論可能是錯(cuò)的（缺少多重解決方案）

4） 多重宇宙論可能不具證偽性。

5） 一些所謂多重宇宙的證據(jù)莫能兩可。

6） 微調(diào)參數(shù)太多。

7） 更大維度的多重宇宙理論漏洞更多。

（喬治實(shí)際上并沒(méi)有在他的文章里提到第（2）點(diǎn)，我列在這里是因?yàn)槲蚁嘈湃绻庉嬙试S他的篇幅超過(guò)六頁(yè)，他一定會(huì)提到這一項(xiàng)）

談到我對(duì)于這篇文章的想法，有意思的是，我毫無(wú)疑問(wèn)地同意以上七點(diǎn)。但我仍愿意以性命擔(dān)保，多重宇宙的確存在。

讓我們先看看前四點(diǎn)。暴漲自然產(chǎn)生了第一類多重宇宙，如果你再加上弦理論作為橫向空間的解決途徑，你就得到了第二類多重宇宙，同樣的，量子理論以其數(shù)學(xué)上的簡(jiǎn)潔性（“統(tǒng)一性” ）能帶你到達(dá)第三類多重宇宙。所以說(shuō)，如果這些理論都被推翻，那么多重宇宙成立的要素也就不復(fù)存在。

注意：平行宇宙并不是一個(gè)理論——他們只是一些理論的預(yù)測(cè)結(jié)果而已。

對(duì)我來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵點(diǎn)在于理論本身是否科學(xué)，在這個(gè)合理前提下，再去研究和討論它所產(chǎn)生的后果，哪怕會(huì)涉及一些我們并不了解的部分。對(duì)于一個(gè)可被證偽的理論，我們是無(wú)法觀測(cè)并驗(yàn)證它所有的推論的，僅僅只可能是其中之一。我對(duì)于第四點(diǎn)的回答是，所謂科學(xué)驗(yàn)證，驗(yàn)證的只是我們的數(shù)學(xué)邏輯，而非它們的應(yīng)用，這很好理解。比如，因?yàn)閻垡蛩固沟膹V義相對(duì)論可以成功預(yù)測(cè)許多我們觀察到的事情，所以我們也相信它對(duì)于我們無(wú)法觀察到的事物的推論，比如：黑洞內(nèi)部的狀況。

同樣的，如果我們因?yàn)槟壳耙恍┍q理論和量子理論的成功預(yù)測(cè)而歡欣鼓舞，那么我就需要重視它們的其他推論，包括第一類和第三類多重宇宙。喬治甚至提到了永久暴漲這一點(diǎn)在未來(lái)被排除的可能性——對(duì)我來(lái)說(shuō)，這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的，關(guān)于永久暴漲是科學(xué)理論的探討。

弦理論顯然還沒(méi)有像暴漲理論和量子理論一樣作為可驗(yàn)證的科學(xué)理論被健全起來(lái)。但是，我預(yù)計(jì)，即使弦理論被證明有誤，我們也無(wú)法否定第二類多重宇宙概念。在數(shù)學(xué)方程中，有多個(gè)解很正常，只要基本方程適用于我們的現(xiàn)實(shí)，那么恒暴漲一般就能創(chuàng)造巨出大空間，來(lái)使這些解集一一變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。比如，決定水分子的方程式，本身與弦理論毫無(wú)關(guān)系，但它就有三個(gè)相關(guān)的解集，分別是氣態(tài)，液態(tài)和冰。如果空間本身也具有類似的多態(tài)性，那么暴漲將可以使其全部達(dá)成。

喬治列舉了一些觀測(cè)結(jié)果，并稱其有力地證明了多重宇宙理論的不確定性。比如某些常數(shù)并非恒常，宇宙泡間的交錯(cuò)或者異空間的交錯(cuò)發(fā)生時(shí)的宇宙微波背景輻射情況，等。我完全接受并贊同他對(duì)于以上幾點(diǎn)所持的懷疑態(tài)度。但是，不論其中哪一條，所爭(zhēng)論的都是數(shù)據(jù)分析，就像冷聚變實(shí)驗(yàn)失敗后的討論一樣。對(duì)我來(lái)說(shuō)，科學(xué)家對(duì)于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和爭(zhēng)論恰恰說(shuō)明了它所涉及的理論屬于科學(xué)范疇：這正是科學(xué)性爭(zhēng)議與非科學(xué)性爭(zhēng)議的區(qū)別！

我們的宇宙展現(xiàn)了驚人的宜生性，換句話說(shuō)，如果變更自然界的一些常數(shù)，哪怕只是一點(diǎn)點(diǎn)，我們已知的生命形態(tài)都將不復(fù)存在。為什么呢？假設(shè)有第二類多重宇宙，那里的自然常數(shù)值各自不同，那么我們正好處在其中一個(gè)罕見的適宜生存的宇宙里這種想法也就毫不奇怪了，就像我們完全接受自己能活在地球上而非水星或冥王星的道理一樣。喬治指出一個(gè)事實(shí)，那就是你必須先假設(shè)多重宇宙的存在，才能推導(dǎo)出以上結(jié)論。但是，這正是我們檢驗(yàn)任何科學(xué)理論的方法：我們先假設(shè)其真，得出結(jié)論，再根據(jù)它是否與觀測(cè)結(jié)果匹配來(lái)去偽存真。我們自然界中的一些常數(shù)被設(shè)定得精妙到令人發(fā)指——比如，我們需要設(shè)定暗能量的數(shù)值精確到約小數(shù)點(diǎn)后的123位，才能獲得宜居星系。對(duì)我來(lái)說(shuō)，一個(gè)無(wú)法解釋的巧合可以是一個(gè)信號(hào)，一個(gè)科學(xué)認(rèn)知中的空白。無(wú)視這個(gè)巧合，認(rèn)為我們只是走運(yùn)，不需要追本溯源的想法，不僅不能令人滿意，更是等同于無(wú)視潛在的重要線索。

喬治提出如果我們相信這些可能性真的存在，那么我們就跌入了更高級(jí)別多重宇宙的深淵，比如第四類平行宇宙?；谖冶救耸堑谒念惼叫杏钪娴膼酆谜吲c為數(shù)不多的支持者之一，如此深淵我欣然愿往！

喬治同時(shí)還提到多重宇宙理論可能會(huì)由于其過(guò)分的復(fù)雜性而與奧卡姆剃刀原理相悖。作為一個(gè)理論物理學(xué)家，我判斷一個(gè)理論是否簡(jiǎn)單優(yōu)雅。并不取決于它存在的方式，而是取決于它的數(shù)學(xué)公式是否簡(jiǎn)單優(yōu)雅——令我震驚的是多重宇宙理論恰恰是符合數(shù)學(xué)意義上的極簡(jiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的。要知道，寫出一個(gè)能夠準(zhǔn)確表達(dá)我們所在的宇宙卻又不產(chǎn)生多余參數(shù)的理論難如登天。

最后，還有一個(gè)反多重宇宙的論點(diǎn)我希望喬治能夠避免，盡管在我看來(lái)，這個(gè)論調(diào)對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)是最有說(shuō)服力的一條，即：多重宇宙太過(guò)詭異失真。

看完了反多重宇宙諸多論點(diǎn)，現(xiàn)在讓我們來(lái)進(jìn)一步研究一下支持多重宇宙的案例。我將探討一旦我們接受了實(shí)在性假定，也即：物理的客觀存在獨(dú)立于人類，那么所有的爭(zhēng)論都將煙消云散。假設(shè)這個(gè)前提成立，那么多重宇宙最大的爭(zhēng)議就將會(huì)建立在以下三個(gè)不確定的前提上：

1）可被觀測(cè)前提：物理實(shí)在性必須由至少一個(gè)觀測(cè)者大體上窺其整體

2）絕對(duì)可被理解前提：物理實(shí)在性必須能夠使一定數(shù)量有教育背景的觀測(cè)者不費(fèi)力地理解它

3）不可復(fù)制前提：物理過(guò)程不可復(fù)制觀測(cè)者，或有意創(chuàng)造無(wú)差異的觀測(cè)者。

（1）和（2）看起來(lái)只是由于人類的傲慢，可被觀測(cè)前提實(shí)際上是把“存在”這個(gè)詞重新定義，使它等同于人類可觀測(cè)到的東西，這顯然是自欺欺人。而那些堅(jiān)持絕對(duì)可被理解前提的人們，基本都會(huì)否定那些由來(lái)已久的童年傳說(shuō)，比如圣誕老人，定域?qū)嵲谛裕老?，以及?chuàng)世論——但他們真的拋除成見、認(rèn)真研究了這些熟知的概念背后所具有的更深層含義嗎？在我看來(lái)，我們作為科學(xué)家的職責(zé)就是盡力找出這個(gè)世界運(yùn)行的規(guī)律，而非以自己先入為主的哲學(xué)思維來(lái)進(jìn)行闡述。

如果可被觀測(cè)假設(shè)不成立，那么就有不可被觀測(cè)到的事物存在，而我們也就生活在一個(gè)多重宇宙中。

如果不可復(fù)制假設(shè)不成立，那么就根本沒(méi)有理由去質(zhì)疑在其他空間存在著我們的復(fù)制體這一觀點(diǎn)——事實(shí)上，不論是無(wú)限膨脹理論還是量子力學(xué)理論都有著足夠的理論依據(jù)來(lái)創(chuàng)造這種可能性。

我們?nèi)祟愰L(zhǎng)久以來(lái)就有著傲慢自負(fù)的劣根性，想象自己是一切的中心，所有的事情都要圍繞著我們轉(zhuǎn)。慢慢地，我們才開始了解到事情并非如此，是我們繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，而太陽(yáng)自身又圍繞著數(shù)以億計(jì)的星系中的一個(gè)在旋轉(zhuǎn)。正因有了物理學(xué)的突破，我們才有可能更進(jìn)一步去認(rèn)清真正的現(xiàn)實(shí)。

未來(lái)，我們所需的是更加謙卑的自我，這對(duì)我們有好處，它能讓我們意識(shí)到我們所在的是一個(gè)多么壯麗而宏大、遠(yuǎn)超先祖想象的世界