荒唐臆想還是科學(xué)事實？物理學(xué)家眼中的“平行宇宙”

近些年來，多重宇宙甚至成為了物理學(xué)領(lǐng)域的主流觀點。

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交替現(xiàn)實、平行次元、多重宇宙，雖然叫法不一樣，但都表達(dá)了同一個意思：我們以截然不同的方式生活在其他宇宙中。你一定很熟悉科幻小說里的這些情節(jié)：三號宇宙中的你不在讀這篇文章而是在跳傘；六號宇宙中，你是一只小強(qiáng)；而八十七號宇宙中壓根就沒有生命，連原子都不存在。

近些年來，這種看似瘋狂的想法已經(jīng)從白日做夢逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲目茖W(xué)，多重宇宙甚至成為了物理學(xué)領(lǐng)域的主流觀點。

理論上講，除了我們所在的宇宙外，還可能存在無數(shù)個宇宙，就像沸水中的一連串泡泡那樣。每個泡泡都擁有自己的一套物理規(guī)律。雖然我們從未見過其他泡泡，但部分物理學(xué)家表示，越來越多的證據(jù)表明“多重宇宙”是合理的，甚至很可能存在。

塔夫茨大學(xué)物理學(xué)家Alex Vilenkin 說道：“若是在15年前談起多重宇宙，大部分物理學(xué)家會覺得荒唐可笑。但現(xiàn)在，他們的態(tài)度發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變?！?/p>

盡管如此，多重宇宙的概念仍然充滿爭議——還是有很多科學(xué)家對此持懷疑態(tài)度，甚至有人明確反對。但像 Vilenkin 這樣的支持者認(rèn)為，有充分的理由表明多重宇宙需要被認(rèn)真對待。

事實上，科學(xué)家?guī)资陙硪恢痹谒伎级嘀赜钪娴母鞣N存在形式。例如，物理學(xué)家Hugh Everett 曾在1957年提出一種新方法，用以解釋量子物理中的詭異悖論，比如粒子怎樣才能同時處于兩個態(tài)？在宏觀情況下，薛定諤的貓如何能夠既生又死？Everett 認(rèn)為，當(dāng)你打開黑盒時，兩種不同的現(xiàn)實開始分岔，貓在其中一個現(xiàn)實中活著，而在另一個現(xiàn)實中死了。物理學(xué)家將這種理論稱為量子力學(xué)的多世界解釋。

這些多世界就是平行（多重）宇宙，它們共存于某個抽象數(shù)學(xué)空間中的不同區(qū)域，彼此之間永遠(yuǎn)隔絕。今天，雖然只有少數(shù)人贊同Everett 的觀點，可量子物理學(xué)家仍在為此爭論。

而在20世紀(jì)80年代初，物理學(xué)家意識到還有可能存在另一種多重宇宙，這些多重宇宙和我們的宇宙處在同樣的時空中，只是距離我們非常遙遠(yuǎn)。這個驚人的想法（即所謂的泡泡宇宙）源自宇宙學(xué)的新圖像。

麻省理工的物理學(xué)家Alan Guth 于1980年（當(dāng)時 Guth 在康奈爾大學(xué)做博士后）提出，宇宙在大爆炸后進(jìn)入一個短暫的迅速膨脹階段（10-36~10-32秒），而后恢復(fù)正常，但膨脹速度慢了許多?！氨┟洝庇赡撤N排斥力驅(qū)動，它能夠解釋為什么我們的宇宙光滑、平坦——當(dāng)時的宇宙學(xué)家為此困擾不已。

“基于謹(jǐn)慎的假設(shè)，我們將得到一個激進(jìn)的結(jié)果?！?/p>

今天，絕大多數(shù)宇宙學(xué)家接受了暴脹，還提出許多模型來解釋暴脹如何發(fā)生。而越來越精確的宇宙學(xué)觀測也驗證了暴脹理論的預(yù)言。

舉例來說，過去的幾十年中，WMAP、Planck 衛(wèi)星對 CMB（宇宙微波背景）進(jìn)行了精確的觀測，結(jié)果和暴脹理論的預(yù)言符合得相當(dāng)好。宇宙學(xué)家還通過 CMB 數(shù)據(jù)獲得了宇宙的物質(zhì)密度，該數(shù)值與理論預(yù)言相差不到千分之五。

“這些證據(jù)很有說服力，”愛丁堡大學(xué)物理學(xué)家 Andrew Liddle 說道，“大部分人都認(rèn)為暴脹理論相當(dāng)令人滿意，幾乎沒有希望被推翻?！?/p>

而在暴脹理論提出之初，Guth 等人很快發(fā)現(xiàn)方程指向一個令人驚訝的結(jié)果：暴脹是永恒的，只有在某些泡泡中才會停止。“泡泡以外的空間一直在發(fā)生暴脹，更多泡泡將在其中形成，”Vilenkin 解釋道，“暴脹空間膨脹得太快，沒有什么能夠到達(dá)它的邊界，因此我們可以認(rèn)為，這些泡泡宇宙彼此獨立?！备鶕?jù)這一圖像，我們的宇宙不過是無數(shù)泡泡中的一個。

在1983年，Vilenkin 發(fā)現(xiàn)最普通的暴脹模型就預(yù)言了多重宇宙。刨除多重宇宙的模型很生硬，也不現(xiàn)實。“基于最簡單的假設(shè)，我們將得到永恒暴脹和多重宇宙，”加州大學(xué)戴維斯分校的物理學(xué)家 Andreas Albrecht 說道，“（對于暴脹模型的）謹(jǐn)慎會推出（多重宇宙）這一激進(jìn)結(jié)果?！?/p>

對多重宇宙最有力的支持與暗能量有關(guān)。天文學(xué)家在1998年發(fā)現(xiàn)，宇宙正在越來越快地膨脹。他們后來將這種加速膨脹歸因于暗能量，而膨脹速度則取決于宇宙學(xué)常數(shù)。但讓物理學(xué)家感到困惑的是，基于對自然界基本力與粒子的理解，理論預(yù)言的宇宙學(xué)常數(shù)數(shù)值比實驗測量值大了將近10122倍。為什么測量值這么小？大家并不知道確切的答案，不過多重宇宙倒是能提供一種解釋。

在20世紀(jì)80年代，諾貝爾物理學(xué)獎得主 Steven Weinberg 曾對宇宙學(xué)常數(shù)進(jìn)行研究。他提出，對于多重宇宙，宇宙學(xué)常數(shù)的數(shù)值在不同的泡泡中可以不一樣。只有一小部分?jǐn)?shù)值合適的宇宙才有希望孕育出生命。所以在我們的宇宙中，宇宙學(xué)常數(shù)這么小的原因就在于，只有這樣星系才能形成、生命方可演化。數(shù)值稍大些則會導(dǎo)致宇宙在原子結(jié)合之前就已分崩離析。我們何其幸運！

類似的“人擇原理”也能用于解釋自然界的其他基本常數(shù)，比如中子質(zhì)量。如果數(shù)值有一丁點兒的偏差，生命將不復(fù)存在，更不會有人測得偏差了多少。在物理學(xué)家找到更合適的理由之前，這至少算是一種解釋，聊勝于無。

事實證明，Weinberg 的分析極有先見之明。天文學(xué)家測得的（1998年）宇宙學(xué)常數(shù)與 Weinberg 預(yù)測的（1987年）相差不大。從那時起，物理學(xué)家進(jìn)一步完善了 Weinberg 的設(shè)想，得到的計算值與觀測值更為接近：雖然并非完全吻合，但的確是至今為止符合得最好的。

同時，萬有理論的最佳候選——弦論，提供了支持多重宇宙的理論框架。弦論中存在小到我們無法感知的額外維，這些維度以無數(shù)種方式卷起來，每種卷曲方式對應(yīng)一個泡泡宇宙。但弦論的致命缺點在于缺乏觀測證據(jù)。

提到觀測證據(jù)，多重宇宙的情況也不容樂觀。但研究人員還抱有希望。比如說，如果我們宇宙的“友鄰”偶然間撞上我們，就會在 CMB 上留下蛛絲馬跡。天文學(xué)家已經(jīng)開始努力尋找，但還沒有任何結(jié)果。

此外，在2015年末，Vilenkin 及其同事提出了另一種方法：利用黑洞來確定多重宇宙是否存在。一旦暴脹停止，泡泡宇宙將坍縮成黑洞。暴脹的時間越長，形成的黑洞質(zhì)量越大，其內(nèi)部甚至可以包含另一個正在暴脹的宇宙。因此，暴脹會在多重宇宙中留下一連串質(zhì)量不同的黑洞?！灸俏覀兡兀吭趧e的宇宙看來，我們自己的宇宙可能也是一個黑洞?！吭瓌t上，通過測量黑洞碰撞在時空中產(chǎn)生的漣漪——比如 LIGO 在2016年發(fā)現(xiàn)的引力波信號——天文學(xué)家可以得到黑洞質(zhì)量的統(tǒng)計分布，分析他們是否由暴脹產(chǎn)生，并以此作為檢驗多重宇宙的間接證據(jù)。（關(guān)于這項工作的更多介紹請戳 這里 ）

當(dāng)然，這項工作只是種初步探索，對多重宇宙的支持與否無疑取決于將來的實驗觀測。支持者所能期待的最好結(jié)果是存在某種間接證據(jù)：更好的模型或是暴脹理論的確證。

“沒有哪個科學(xué)理論被真正證明過。大家接受的只是可以解釋自然界某些現(xiàn)象的最好的已知理論?！?/p>

然而，多重宇宙的存在仍缺乏直接證據(jù)，也許根本無法被檢驗，這給反對者留下了把柄。

最激烈的批評者是普林斯頓大學(xué)的Paul Steinhardt。他和 Albrecht, Guth，以及斯坦福大學(xué)的 Andrei Linde 同為暴脹理論的創(chuàng)始人。但當(dāng)他意識到暴脹永不停止，還會孕育無數(shù)泡泡宇宙時，他認(rèn)為理論存在問題：多重宇宙并非暴脹的特征，而是缺陷。

在他看來，這就好比有人告訴你一個理論，它能解釋天空為什么是藍(lán)的。初看非?？尚?，但是仔細(xì)推敲后發(fā)現(xiàn)，它不僅僅產(chǎn)生藍(lán)色的天空，還有紫色的天空，五彩斑斕的天空……

多重宇宙無法解釋任何事情——任何事情都有可能發(fā)生?？茖W(xué)的特點就是能夠?qū)碚撨M(jìn)行檢驗。而如果一個理論能夠預(yù)言一切，那這樣的理論就無法得到檢驗，或是證偽，因此也不是個有效的科學(xué)理論。Steinhardt 認(rèn)為，多重宇宙只是平添混亂。

支持者則認(rèn)為這種觀點太過狹隘。Guth 說道，“沒有哪個科學(xué)理論被真正證明過。大家接受的只是可以解釋自然界某些現(xiàn)象的最好的已知理論?！?/p>

可證偽性也許是個哲學(xué)問題。但想要在多重宇宙中研究物理同樣存在現(xiàn)實問題，最核心的困難在于，物理研究依賴于計算某種現(xiàn)象的發(fā)生概率——比如說粒子衰變的可能性。但當(dāng)你考慮的可能性有無數(shù)種時，計算概率就毫無意義，也就無從研究相應(yīng)的物理圖像。

Guth 表示，“概率的定義是我所知道的最讓人受挫的問題之一?！?/p>

試圖解決概率“困境”（也就是度量問題）的成果有限。幾年前，Albrecht 基于理論物理學(xué)家 Don Page 的工作提出，在考慮多重宇宙時，物理學(xué)家通常采用的概率工具將失效。不過他表示，小心地定義概率也許能夠解決度量問題。這增加了他對多重宇宙的信心（雖然仍持懷疑態(tài)度）——他認(rèn)為有10%的可能性。（Guth 則認(rèn)為有過半的可能性。）

而Steinhardt 認(rèn)為，試圖解決度量問題是對錯誤的想法進(jìn)行特殊的修正。多重宇宙的問題過于嚴(yán)重，宇宙學(xué)家甚至應(yīng)該將暴脹也一同放棄。“反彈”模型是一種可能的替代理論。在這類模型中，宇宙并非始于大爆炸，而是一直存在著。只不過“大爆炸”之前，宇宙在收縮，直到觸底反彈，開始膨脹。有些模型中，宇宙甚至經(jīng)歷了無數(shù)次“膨脹-收縮”的循環(huán)。這些理論不需要暴脹，因此也沒有多重宇宙。

只有一小部分物理學(xué)家正在研究反彈宇宙學(xué)。事實上，這種理論并不像暴脹那樣成功，但Steinhardt 等人仍在繼續(xù)探索并擁護(hù)它。

此外，還有一些物理學(xué)家在嘗試保留暴脹，但沒有多重宇宙的宇宙論。這也許是可能的，但這么做需要引入新物理。Albrecht 發(fā)現(xiàn)如果想要讓這種理論說得通，我們需要對基本的物理定律做出某些極端的假設(shè)。這種方法相當(dāng)激進(jìn)。

當(dāng)然，暴脹導(dǎo)致多重宇宙的想法也很激進(jìn)。Albrecht 表示，這一想法的根基還不夠穩(wěn)固，但這無傷大雅——物理學(xué)前沿研究本就如此。

行路難！行路難！多歧路，今安在？對于多重宇宙，這恐怕是物理學(xué)家所能達(dá)成的唯一共識。

撰文 Marcus Woo

編譯 金莊維

審校 張士超