多重宇宙

2013-12-16 光明佛壇

編者的話：在八月號《科學(xué)美國人》上，宇宙學(xué)家喬治亞·伊利斯陳述了他為什么對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·泰格馬克帶來了反對意見，即：多重宇宙理論能夠解釋我們宇宙的眾多疑問——以及這一點如何可被證明。

歡迎來到多重宇宙 【亞歷山大·威柳金】

我們所熟悉的這個宇宙，源起于一場驚天動地的爆炸，我們稱之為宇宙大爆炸。近一個世紀(jì)以來，宇宙學(xué)家一直致力于研究這場爆炸的余波：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。暴漲理論，由阿蘭古斯、安德烈·林德以及一些科學(xué)家在上個世紀(jì)八十年代初提出，這一理論帶來了一個顛覆全球的創(chuàng)新宇宙觀。

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

量子是令暴漲過程走向結(jié)束的契機，這是一個概率事件，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大，繼而無窮無盡地膨脹下去；與此同時，這些泡泡由于暴漲性的擴張而被分散，空出的間隙可供新的泡泡形成。這一永無止境的過程就叫做恒暴漲。我們就生活在其中一個泡泡里，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行，我們也不可能追上我們所在的這個不斷膨脹的泡泡的邊際，所以，實際上，我們生存在一個獨立的，自足的宇宙泡之中。

量子是令暴漲過程走向結(jié)束的契機，這是一個概率事件，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大，繼而無窮無盡地膨脹下去；與此同時，這些泡泡由于暴漲性的擴張而被分散，空出的間隙可供新的泡泡形成。這一永無止境的過程就叫做恒暴漲。我們就生活在其中一個泡泡里，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行，我們也不可能追上我們所在的這個不斷膨脹的泡泡的邊際，所以，實際上，我們生存在一個獨立的，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，這些特性在過去僅僅只是個猜想。同時，暴漲理論也做出了一系列可檢驗的預(yù)測，而這些預(yù)測隨后也通過實際觀測得到了驗證。今天，暴漲理論已經(jīng)成為最主要的宇宙論模型。

這個全新世界觀的另一個重要組成來自于弦理論，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。弦理論可以用無數(shù)多種方式來描述這些物理性質(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，每一個宇宙泡都以其特定的方式在整個膨脹的空間中形成，因此不可避免的，在永恒的暴漲過程里將會出現(xiàn)無數(shù)多個不同類型的宇宙泡。

這樣的宇宙景象，即所謂的平行宇宙，解釋了長久以來的謎題——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會產(chǎn)物。其余的多重宇宙依舊死寂，無人問津。

一些我的物理學(xué)同僚對多重宇宙理論感到擔(dān)憂。因為，任何物理學(xué)理論是否站得住腳取決于它的預(yù)測結(jié)果是否與實際數(shù)據(jù)相符。但我們?nèi)绾悟炞C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，因為它無法被證明，甚至在理論上也行不通。

然而出人意料的是，多重宇宙圖景通過觀測來驗證事實上或許是可行的。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多重宇宙中的宇宙泡相遇時，會在宇宙背景輻射上產(chǎn)生投影——一個強度或高或低的放射圓點。監(jiān)測到這樣一個圓點，并配以預(yù)估的強度數(shù)據(jù)圖表，將為其他宇宙泡的存在帶來直接證據(jù)。這個研究目前正在繼續(xù)當(dāng)中，但遺憾的是，目前不能保證曾有宇宙泡的交錯發(fā)生在我們的宇宙范圍內(nèi)。

此外，還有另一個方法論值得關(guān)注。其理念是利用多重宇宙模型理論來對我們所在的這個小宇宙的可量化常數(shù)進(jìn)行預(yù)測。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)計預(yù)測。我們可以通過多重宇宙理論推導(dǎo)出什么樣的常數(shù)最容易被一個典型的多重宇宙觀測方所測量。假設(shè)，我們的宇宙就是這樣一個樣本——所謂折中原則——然后，我們就可以借多重宇宙理論來預(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相同。由此，可以預(yù)測相似的數(shù)值應(yīng)該也可從我們所處的宇宙一角測得。

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階段，一些理論問題也還懸而未決。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)家們將會緬懷我們所在的這個黃金時代，在這個時代，二十世紀(jì)的狹隘宇宙觀終以懸殊比例讓位于一個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多重宇宙之中？又亦或者，這只是一個脫離科學(xué)范疇的狂想？

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

多重宇宙的觀點建立后，按慣例坐了一陣子異端學(xué)說的冷板凳。十七世紀(jì)，喬爾丹諾·布魯諾和他的無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)說一起被物理學(xué)術(shù)界掃地出門。我自己也曾直接感受過一些類似的壓力，比如：老前輩們會暗示那些我發(fā)表的關(guān)于多重宇宙的文章都是垃圾，會毀了我的前途。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了考試——但不包括這一個?！?/p>

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

所謂我們的宇宙，我特指的是這個距我們的大爆炸有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，但是因為開始點不盡相同，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題。以下是我對于他主要的反多重宇宙論做的總結(jié)：

1） 暴漲學(xué)說可能是錯的（或并非永恒的過程）

2） 量子理論可能是錯的（至少不全是對的）

3） 弦理論可能是錯的（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。

（喬治實際上并沒有在他的文章里提到第（2）點，我列在這里是因為我相信如果編輯允許他的篇幅超過六頁，他一定會提到這一項）

談到我對于這篇文章的想法，有意思的是，我毫無疑問地同意以上七點。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。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)上的簡潔性（“統(tǒng)一性” ）能帶你到達(dá)第三類多重宇宙。所以說，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理論——他們只是一些理論的預(yù)測結(jié)果而已。

對我來說，關(guān)鍵點在于理論本身是否科學(xué)，在這個合理前提下，再去研究和討論它所產(chǎn)生的后果，哪怕會涉及一些我們并不了解的部分。對于一個可被證偽的理論，我們是無法觀測并驗證它所有的推論的，僅僅只可能是其中之一。我對于第四點的回答是，所謂科學(xué)驗證，驗證的只是我們的數(shù)學(xué)邏輯，而非它們的應(yīng)用，這很好理解。比如，因為愛因斯坦的廣義相對論可以成功預(yù)測許多我們觀察到的事情，所以我們也相信它對于我們無法觀察到的事物的推論，比如：黑洞內(nèi)部的狀況。

同樣的，如果我們因為目前一些暴漲理論和量子理論的成功預(yù)測而歡欣鼓舞，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在未來被排除的可能性——對我來說，這只是一個簡單的，關(guān)于永久暴漲是科學(xué)理論的探討。

弦理論顯然還沒有像暴漲理論和量子理論一樣作為可驗證的科學(xué)理論被健全起來。但是，我預(yù)計，即使弦理論被證明有誤，我們也無法否定第二類多重宇宙概念。在數(shù)學(xué)方程中，有多個解很正常，只要基本方程適用于我們的現(xiàn)實，那么恒暴漲一般就能創(chuàng)造巨出大空間，來使這些解集一一變?yōu)楝F(xiàn)實。比如，決定水分子的方程式，本身與弦理論毫無關(guān)系，但它就有三個相關(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，宇宙泡間的交錯或者異空間的交錯發(fā)生時的宇宙微波背景輻射情況，等。我完全接受并贊同他對于以上幾點所持的懷疑態(tài)度。但是，不論其中哪一條，所爭論的都是數(shù)據(jù)分析，就像冷聚變實驗失敗后的討論一樣。對我來說，科學(xué)家對于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和爭論恰恰說明了它所涉及的理論屬于科學(xué)范疇：這正是科學(xué)性爭議與非科學(xué)性爭議的區(qū)別！

我們的宇宙展現(xiàn)了驚人的宜生性，換句話說，如果變更自然界的一些常數(shù)，哪怕只是一點點，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。喬治指出一個事實，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)它是否與觀測結(jié)果匹配來去偽存真。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)點后的123位，才能獲得宜居星系。對我來說，一個無法解釋的巧合可以是一個信號，一個科學(xué)認(rèn)知中的空白。無視這個巧合，認(rèn)為我們只是走運，不需要追本溯源的想法，不僅不能令人滿意，更是等同于無視潛在的重要線索。

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別多重宇宙的深淵，比如第四類平行宇宙。基于我本人是第四類平行宇宙的愛好者與為數(shù)不多的支持者之一，如此深淵我欣然愿往！

喬治同時還提到多重宇宙理論可能會由于其過分的復(fù)雜性而與奧卡姆剃刀原理相悖。作為一個理論物理學(xué)家，我判斷一個理論是否簡單優(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)意義上的極簡標(biāo)準(zhǔn)的。要知道，寫出一個能夠準(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，還有一個反多重宇宙的論點我希望喬治能夠避免，盡管在我看來，這個論調(diào)對于大多數(shù)人來說是最有說服力的一條，即：多重宇宙太過詭異失真。

看完了反多重宇宙諸多論點，現(xiàn)在讓我們來進(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在性假定，也即：物理的客觀存在獨立于人類，那么所有的爭論都將煙消云散。假設(shè)這個前提成立，那么多重宇宙最大的爭議就將會建立在以下三個不確定的前提上：

1）可被觀測前提：物理實在性必須由至少一個觀測者大體上窺其整體

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

3）不可復(fù)制前提：物理過程不可復(fù)制觀測者，或有意創(chuàng)造無差異的觀測者。

（1）和（2）看起來只是由于人類的傲慢，可被觀測前提實際上是把“存在”這個詞重新定義，使它等同于人類可觀測到的東西，這顯然是自欺欺人。而那些堅持絕對可被理解前提的人們，基本都會否定那些由來已久的童年傳說，比如圣誕老人，定域?qū)嵲谛?，牙仙，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，我們作為科學(xué)家的職責(zé)就是盡力找出這個世界運行的規(guī)律，而非以自己先入為主的哲學(xué)思維來進(jìn)行闡述。

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

如果不可復(fù)制假設(shè)不成立，那么就根本沒有理由去質(zhì)疑在其他空間存在著我們的復(fù)制體這一觀點——事實上，不論是無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)來創(chuàng)造這種可能性。

我們?nèi)祟愰L久以來就有著傲慢自負(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，是我們繞著太陽轉(zhuǎn)，而太陽自身又圍繞著數(shù)以億計的星系中的一個在旋轉(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。

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