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平行宇宙
本詞條是多義詞，共10個(gè)義項(xiàng)
天文學(xué)術(shù)語
平行宇宙，天文學(xué)術(shù)語，是指平行作用力宇宙，是平行作用力產(chǎn)生的純基本粒子宇宙，與人類己知的萬有引力星球宇宙形成多元宇宙理論。所以多元宇宙所包含的是多種不同相互作用力宇宙。多元宇宙，表示無限個(gè)或有限個(gè)可能的多元不同相互作用力宇宙的集合。包括一切存在和可能存在的事物：所有的不同相互作用力、空間、時(shí)間、物質(zhì)、能量以及描述它們的物理定律和物理常數(shù)。多元宇宙所包含的各個(gè)宇宙被稱為平行宇宙（parallel universes）。也稱平行世界（parallel worlds）、平行時(shí)空（parallel spacetimes）、平行次元（parallel dimensions）和代替宇宙（alternative universes）。通常所說的平行宇宙，一般是指在我們的宇宙之外還可能存在的與我們所認(rèn)知的宇宙類似的其他宇宙（即分類上的第一層平行宇宙）。
在20世紀(jì)50年代，有的物理學(xué)家在觀察量子的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了已知道的四種相互作用力。而由于宇宙空間的所有物質(zhì)都是由量子組成，所以這些科學(xué)家推測既然每個(gè)量子都產(chǎn)生不同的相互作用力，那么宇宙也有可能并不只是一種相互作用力，而是由多個(gè)截然不同的相互作用力宇宙組成。平行宇宙的平行作用力宇宙概念的提出，得益于現(xiàn)代量子力學(xué)的不同相互作用力事實(shí)，尤其直接對立萬有引力宇宙。
基本概要
平行宇宙
相互平行的兩個(gè)宇宙，
既不重合，也不相交，可謂“井水不犯河水”。雖然有時(shí)通過一些偶然的事件，兩個(gè)宇宙能相互感知對方的存在；但一般而言，仍是“雞犬之聲相聞，老死不相往來”。
三個(gè)相互平行的宇宙
有學(xué)者描述平行宇宙時(shí)用了這樣的比喻，它們可能處于同一空間體系，但時(shí)間體系不同，就好像同在一條鐵路線上疾馳的先后兩列火車；它們有可能處于同一時(shí)間體系，但空間體系不同，就好像同時(shí)行駛在立交橋上下兩層通道中的小汽車。
提出背景
平行宇宙的概念，并不是因?yàn)闀r(shí)間旅行悖論提出來的，它是來自量子力學(xué)，因?yàn)榱孔恿W(xué)有一個(gè)不確定性，就是量子的不確定性。平行宇宙概念的提出，得益于現(xiàn)代量子力學(xué)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。在20世紀(jì)50年代，有的物理學(xué)家在觀察量子的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)每次觀察的量子狀態(tài)都不相同。而由于宇宙空間的所有物質(zhì)都是由量子組成，所以這些科學(xué)家推測既然每個(gè)量子都有不同的狀態(tài)，那么宇宙也有可能并不只是一個(gè)，而是由多個(gè)類似的宇宙組成。
多世界解釋
埃弗雷特提出了一個(gè)大膽的想法：如果波函數(shù)沒有“塌縮”，則它必定保持線性增加。也就是說，上述實(shí)驗(yàn)中電子即使再觀測后仍然處在左/右狹縫的疊加狀態(tài)。埃弗雷特由此進(jìn)一步提出：人們的世界也是疊加的，當(dāng)電子穿過雙縫后，處于疊加態(tài)的不僅僅是電子，還包括整個(gè)的世界。也就是說，當(dāng)電子經(jīng)過雙縫后，出現(xiàn)了兩個(gè)疊加在一起的世界，在其中的一個(gè)世界里電子穿過了左邊的狹縫，而在另一個(gè)世界里，電子則通過了右邊的狹縫。這樣，波函數(shù)就無需“塌縮”，去隨機(jī)選擇左還是右，因?yàn)樗憩F(xiàn)為兩個(gè)世界的疊加：生活在一個(gè)世界中的人們發(fā)現(xiàn)在他們那里電子通過了左邊的狹縫，而在另一個(gè)世界中，人們觀察到的電子則在右邊。以“薛定諤的貓”來說，埃弗雷特指出兩只貓都是真實(shí)的。有一只活貓，有一只死貓，但它們位于不同的世界中。問題并不在于盒子中的發(fā)射性原子是否衰變，而在于它既衰變又不衰變。當(dāng)觀測者向盒子里看時(shí)，整個(gè)世界分裂成它自己的兩個(gè)版本。這兩個(gè)版本在其余的各個(gè)方面是完全相同的。唯一的區(qū)別在于其中一個(gè)版本中，原子衰變了，貓死了；而在另一個(gè)版本中，原子沒有衰變，貓還活著。前述所說的“原子衰變了，貓死了；原子沒有衰變，貓還活著”這兩個(gè)世界將完全相互獨(dú)立平行地演變下去，就像兩個(gè)平行的世界一樣。量子過程造成了“兩個(gè)世界”，這就是埃弗雷特前衛(wèi)的“多世界解釋”。
這個(gè)解釋的優(yōu)點(diǎn)是：薛定諤方程始終成立，波函數(shù)從不塌縮，由此它簡化了基本理論。它的問題是：設(shè)想過于離奇，付出的代價(jià)是這些平行的世界全都是同樣真實(shí)的。這就難怪有人說：“在科學(xué)史上，多世界解釋無疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。”
哥本哈根解釋
從20世紀(jì)20年代起，許多物理學(xué)家都為量子力學(xué)中，微觀粒子的狀態(tài)用波函數(shù)（Wave function）來描述。當(dāng)微觀粒子處于某一狀態(tài)時(shí)，它的力學(xué)量（如坐標(biāo)、動(dòng)量、角動(dòng)量、能量等）一般不具有確定的數(shù)值，而具有一系列可能值，每個(gè)可能值以一定的概率出現(xiàn)（宏觀物體處于某一狀態(tài)時(shí)，它的力學(xué)量具有確定的數(shù)值）。也就是說，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)具有不確定性和概率性。波函數(shù)就能描述微觀粒子在空間分布的概率。
物理學(xué)中著名的“單電子雙縫干涉”實(shí)驗(yàn)正是微觀粒子運(yùn)動(dòng)不確定性和隨機(jī)性的體現(xiàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，單電子通過雙縫后竟然發(fā)生了干涉。在經(jīng)典力學(xué)看來，電子在同一時(shí)刻只能通過一條縫，它不可能同時(shí)通過兩條縫并發(fā)生干涉；而根據(jù)量子力學(xué)，電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是以波函數(shù)形式存在，電子有可能在同一時(shí)刻既通過這條狹縫，又通過那條狹縫，并發(fā)生干涉。但是，當(dāng)科學(xué)家試圖通過儀器測定電子究竟通過了哪條縫時(shí)，永遠(yuǎn)只會(huì)在其中的一處發(fā)現(xiàn)電子。兩個(gè)儀器也不會(huì)同時(shí)偵測到電子，電子每次只能通過一條狹縫。這看起來好像是測量者的觀測行為改變了電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種反常的現(xiàn)象又作何解釋呢，物理學(xué)家玻爾提出了著名的“哥本哈根解釋”：當(dāng)人們未觀測時(shí)，電子在兩條縫位置都有存在的概率；但是，一旦被測量了，比如說測得該電子在左縫位置，電子有了準(zhǔn)確的位置，它在該點(diǎn)的概率為1，其他點(diǎn)的概率為0。也就是說，該電子的波函數(shù)在被測量的瞬間“塌縮”到了該點(diǎn)。
玻爾把觀察者及其意識(shí)引入了量子力學(xué)，使其與微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生關(guān)系。但觀察者和“塌縮”的解釋并不十分清晰和令人信服，也受到了很多科學(xué)家的質(zhì)疑。例如，塌縮是如何發(fā)生的，是在一瞬間就發(fā)生，還是要等到光子進(jìn)入人們的眼睛并在視網(wǎng)膜上激起電脈沖信號(hào)后才開始。
發(fā)展歷程
思想雛形
公元前5世紀(jì)，德謨克利特就提出“無數(shù)世界”的概念，認(rèn)為“無數(shù)世界”是原子通過自身運(yùn)動(dòng)形成的。他說：“原子在虛空中任意移動(dòng)著，而由于它們那種急劇、凌亂的運(yùn)動(dòng)，就彼此碰撞了，并且，在彼此碰在一起時(shí)，因?yàn)橛懈鞣N各樣的形狀，就彼此勾結(jié)起來，這樣就形成了世界及其中的事物，或毋寧說形成了無數(shù)世界。”
公元前4世紀(jì)，伊壁鳩魯表述了世界多元性的思想：“存在著無限多個(gè)世界，它們有的像我們的世界，有的不像我們的世界。”“在一切世界里，都有我們這個(gè)世界里所見到的動(dòng)物、植物以及其他事物。”
萊布尼茨提出了他的“可能世界”的概念，設(shè)想在必然世界（可觀測的宇宙）范圍之外還存在著無窮多個(gè)“可能世界”。他認(rèn)為世界由無限的單子組合而成，單子之間沒有因果關(guān)系，而是某種前定的和諧關(guān)系，單子雖然各自獨(dú)立，但它們之間有品極高低的差異。萊布尼茲把某個(gè)現(xiàn)實(shí)事件的出現(xiàn)，例如，具體的人，闡釋為許多單子組合的結(jié)果，各種不同的組合的結(jié)果與單子中更勝一籌的單子的主導(dǎo)作用有關(guān)。這意味著世界可以用不同的樣子，任何事件都是偶發(fā)的，甚至整個(gè)宇宙也是如此。
正式提出
物理學(xué)家埃弗雷特提出了自己對量子測量問題的想法。他指出，在量子力學(xué)中，存在多個(gè)平行的世界，在每個(gè)世界中，每次量子力學(xué)測量的結(jié)果各自不同，因此不同的歷史發(fā)生在不同的平行宇宙中。多世界解釋認(rèn)為，對測量裝置的觀察，會(huì)使得測量裝置被分解為兩個(gè)。并且在這個(gè)測量鏈上，這種分解會(huì)不斷地進(jìn)行下去。伴隨著這種分解，一定有一個(gè)完全的宇宙的復(fù)制。也就是說，只要有一個(gè)量子測量發(fā)生，那么，每個(gè)宇宙分支，以及這個(gè)分支中的分量就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)可能的測量結(jié)果。每個(gè)處在特殊宇宙分支中的人都會(huì)認(rèn)為，他的測量結(jié)果和所處的宇宙是唯一存在的。也就是說，一次測量產(chǎn)生了一次新的宇宙。這些各自不同的新宇宙，除非完全相同，否則絕無重合的可能。這一理論的發(fā)表，標(biāo)志著平行宇宙概念的正式提出。
研究現(xiàn)狀
存在證據(jù)
宇宙學(xué)家認(rèn)為平行宇宙有可能被探測到，當(dāng)人們所在的宇宙與另一個(gè)平行宇宙之間發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)在宇宙微波背景輻射中留下痕跡。一旦軌道望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)背景輻射中的可疑痕跡，暗示這可能是來自另一個(gè)平行宇宙。英國天文學(xué)家稱找到了支持平行宇宙論的證據(jù)。通過對宇宙微波背景輻射圖的研究，他們發(fā)現(xiàn)了四個(gè)由“宇宙摩擦”形成的圓形圖案，這表明我們的宇宙可能至少4次進(jìn)入過其他宇宙。
宇宙微波背景輻射
普朗克望遠(yuǎn)鏡繪制的地圖顯示了微波背景輻射的分布情況，科學(xué)家認(rèn)為大爆炸后期殘留的輻射均勻分布于宇宙空間中，尤其是在南天。北卡羅萊納州大學(xué)教堂山分校理論物理學(xué)家勞拉·梅爾西尼-霍頓博士與來自卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)教授理查德·霍爾曼在2005年就預(yù)言了異常輻射的存在，并認(rèn)為由于平行宇宙的存在導(dǎo)致了輻射分布異常。梅爾西尼-霍頓博士認(rèn)為普朗克探測器的數(shù)據(jù)支持了平行宇宙存在的假設(shè)，這意味著在人們所處的宇宙之外還存在無限多的宇宙，正是由于其他宇宙的拖拽效應(yīng)使得南天出現(xiàn)分布不均的輻射。
根據(jù)普朗克探測器的數(shù)據(jù)，梅爾西尼霍頓博士認(rèn)為自己的假設(shè)已經(jīng)被證明，在人們所處的宇宙之外還存在更多的平行宇宙，由于這些宇宙的存在，導(dǎo)致了背景輻射的異常，這一切都體現(xiàn)在宇宙學(xué)理論無法解釋的冷斑時(shí)空中。隸屬于歐空局的普朗克空間望遠(yuǎn)鏡具有非常高的觀測精度，其繪制的精確CMB圖像為科學(xué)家打開了一扇通往另一個(gè)時(shí)空的大門。
據(jù)《星期日泰晤士報(bào)》稱，劍橋大學(xué)理論物理學(xué)教授馬爾科姆·佩瑞認(rèn)為，該發(fā)現(xiàn)有極高的可能來佐證“多重宇宙”的存在。他的同事天體物理學(xué)教授喬治·埃弗斯塔西歐對此也表示支持：“多重宇宙的論調(diào)現(xiàn)在聽起來仍然讓有些人感到怪異，這情況就像當(dāng)年大爆炸理論的提出一樣。不過，現(xiàn)今我們已經(jīng)掌握了有力的證據(jù)，這必將徹底改變?nèi)藗儗τ谟钪娴恼J(rèn)知。”
理論進(jìn)展
2014年10月31日，物理學(xué)家稱，“平行宇宙”的確存在，給不同版本的“我們”提供生存空間。不僅如此，平行宇宙之間還會(huì)相互影響，所以才會(huì)出現(xiàn)微觀層面種種奇怪的物理學(xué)現(xiàn)象。澳大利亞格里菲斯大學(xué)和美國加州大學(xué)學(xué)者聯(lián)合提出上述理論。他們認(rèn)為，平行宇宙不僅存在，而且相互影響，并非各自獨(dú)立地發(fā)展變化；而相互作用，恰好能夠解釋微觀物理研究發(fā)現(xiàn)的粒子奇怪的反應(yīng)。
格里菲斯大學(xué)物理學(xué)教授霍華德·威斯曼說：“大概在1957年左右，量子物理學(xué)界出現(xiàn)了平行宇宙的想法。照此推斷，量子測量每進(jìn)行一次，一個(gè)宇宙就會(huì)產(chǎn)生出新的分支宇宙。所以就產(chǎn)生了無數(shù)的可能性——在有的宇宙里，隕石沒有砸中地球，恐龍們幸存下來。再換一個(gè)宇宙，澳大利亞就成了葡萄牙人的殖民地了。
威斯曼和同事們認(rèn)為，人們所處的宇宙不過是浩如煙海的眾多的宇宙中的滄海一粟。這些宇宙同時(shí)存在，有的和人們所在的宇宙相似，有的則大不相同。威斯曼還表示，比較“靠近”的宇宙會(huì)相互排斥，增加相互之間的差異。
研究前景
科學(xué)家將會(huì)有多種方法檢驗(yàn)這些平行宇宙的理論，甚至可能排除其中的一些。在今后幾十年，隨著宇宙測量技術(shù)的巨大進(jìn)步，通過諸如宇宙微波背景輻射探測、大尺度物質(zhì)分布測量等，科學(xué)家會(huì)進(jìn)一步限定空間的彎曲和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而檢驗(yàn)第一層平行宇宙理論。而更精確的暴脹測量，可以用來檢驗(yàn)第二層平行宇宙的理論。天體物理學(xué)和高能物理學(xué)的共同進(jìn)步，也會(huì)確定物理常量的微調(diào)程度，從而削弱或加強(qiáng)第二層的存在可能。如果全球制造量子計(jì)算機(jī)的努力能夠成功。那么它將會(huì)為第三層宇宙的存在提供進(jìn)一步的證據(jù)，因?yàn)樗诒举|(zhì)上要利用第三層平行宇宙的平行性來做平行計(jì)算。相反，糾正不守恒的實(shí)驗(yàn)證據(jù)則會(huì)排除第三層。最后，現(xiàn)代物理的重大挑戰(zhàn)，統(tǒng)一廣義相對論和量子場論的成功或失敗，會(huì)給第四層宇宙的研究帶來更多啟示。科學(xué)家可能最終找到一個(gè)和人們的宇宙相匹配的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，也可能突然碰到不可思議的數(shù)學(xué)有效性極限，從而不得不放棄第四層。
類型層次
提出時(shí)間
四種不同類型的平行宇宙
第一層：視界之外
如果空間是無限的，而且物質(zhì)分布在大尺寸上是足夠均勻的，那么即使最不可能發(fā)生的事情也必然發(fā)生在某處。特別地，應(yīng)該存在無限多有人的行星，而且包括不是一個(gè)而是無限多和你一樣的外表、姓名、記憶的人。無限多和我們可觀測宇宙大小一樣的區(qū)域確實(shí)存在，在那里任何可能的宇宙歷史都會(huì)實(shí)際存在。這就是第一層平行宇宙。
第一層平行宇宙的存在證據(jù)
平行宇宙的存在
但是第一層平行宇宙的觀點(diǎn)，曾經(jīng)也是有過爭議的（事實(shí)上，梵蒂岡教廷就曾把上述觀點(diǎn)看作異端邪說，并以其為理由之一，于1600年在火刑柱上燒死了布魯諾），所以讓我們來回顧一下這兩種假設(shè)（無限空間和“足夠均勻”的分布）的地位。
空間有多大。從觀測來看，我們宇宙大小的下限已經(jīng)戲劇性地增長了很多，并且沒有停下來的跡象（圖1.2）。我們都接受這樣的事實(shí)，即我們暫時(shí)看不見，但經(jīng)過移動(dòng)或等待后可以看見的事物是存在的，例如地平線之下的船只。宇宙視界之外的物體也一樣，隨著更遠(yuǎn)的光花更多的時(shí)間到達(dá)我們這里，可觀測宇宙的半徑每年都擴(kuò)大一光年。既然我們都在學(xué)校學(xué)過簡單的歐幾里得空間，所以很難想象空間不是無限的——誰能想象某處插著幾塊牌子，上書“空間到此結(jié)束，當(dāng)心下面的溝”。但愛因斯坦的引力理論允許空間是有限的，只要是以不同歐幾里得空間的方式相連，例如四維球或一個(gè)甜甜圈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而使朝一個(gè)方向的旅行最終可以把你帶到相反方向。宇宙微波背景輻射可以用來細(xì)致檢驗(yàn)這樣的有限模型，但至今還沒有給出任何支持——平坦的無限模型非常符合觀測數(shù)據(jù)，而空間彎曲和多連通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模型都有很強(qiáng)的限制。而且，空間無限宇宙是暴脹宇宙理論的直接預(yù)言。下面所列出的暴脹理論的巨大成功進(jìn)一步支持了空間就是像我們在學(xué)校里學(xué)的一樣簡單而無限。
平行宇宙
大尺度的物質(zhì)分布有多均勻呢。在一個(gè)“島宇宙”模型里，時(shí)間是無限的，但物質(zhì)都集中在在一個(gè)有限區(qū)域，于是第一層平行宇宙幾乎所有的成員都死氣沉沉的，只有空空的空間。在歷史上這樣的模型曾經(jīng)流行過，一開始認(rèn)為這個(gè)島就是地球和裸眼可見的天體，在20世紀(jì)早期認(rèn)為銀河星系的已知部分。另一個(gè)非均勻的選擇就是分形宇宙，其中物質(zhì)分布是自相似的，宇宙星系分布的所有結(jié)構(gòu)都只是一個(gè)更大的自相似結(jié)構(gòu)的一小部分。島宇宙和分形宇宙的模型都是最近的觀測推翻了。三維的星系分布圖顯示，觀測到的特殊大尺度結(jié)構(gòu)（星系群，星系團(tuán)，超星系團(tuán)）讓位給大尺度上的單調(diào)均勻，自相似結(jié)構(gòu)都不超過10^24米。更量化一下，設(shè)想在不同的隨機(jī)位置上放置一個(gè)半徑為R的球，測量里面每次包含多少質(zhì)量，并計(jì)算每次測量值的變化，用標(biāo)準(zhǔn)偏差△M來表示。已知測量的相對波動(dòng)△，在R～3×10^23米的尺度以下，偏差在1的量級，而在更大的尺度上，偏差變小。斯隆數(shù)字巡天計(jì)劃（Sloan Digital Sky Survey）顯示，在R～3×10^25米的尺度上△就只有1%了，而且宇宙微波背景輻射的測量也確認(rèn)，均勻化的趨勢一直延續(xù)到我們的可觀測宇宙邊緣（R～3×10^27米），這時(shí)△～10 。不考慮認(rèn)為宇宙的設(shè)計(jì)整個(gè)就是愚弄我們的懷疑論論調(diào)，觀測結(jié)果明確表明：我們熟悉的空間必然延伸到可觀測宇宙之外，那里也同樣充滿星系、恒星和行星。
第一層平行宇宙是什么樣的
對世界的物理描述傳統(tǒng)上分為兩部分：初始條件，以及決定初始條件如何演化的物理定律。住在第一層平行宇宙的觀察者和我們觀察到完全相同的物理定律，但初始條件卻和我們所在的哈勃體積中的不同。比較看好的理論認(rèn)為，初始條件（早期的密度和不同類物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)）由暴脹時(shí)代的量子波動(dòng)所產(chǎn)生。量子力學(xué)形成了實(shí)際上是隨機(jī)的初始條件，產(chǎn)生了被數(shù)學(xué)家稱為遍歷隨機(jī)場（ergodic random field）所描述的密度波動(dòng)。遍歷意味著，如果你假想一個(gè)許多宇宙的集合，每個(gè)宇宙都有著自己隨機(jī)的初始條件，在一個(gè)給定提及范圍內(nèi)出現(xiàn)各種結(jié)果的概率分布，和你在同一個(gè)宇宙的不同體積取樣得到的概率分布是一樣的。也就是說，任何在原則上可以發(fā)生在這里的事情，在其他的某個(gè)地方實(shí)際上就會(huì)發(fā)生。
暴脹實(shí)際上導(dǎo)致了所有概率不為零的可能的初始條件，最可能的是那些波動(dòng)在10 量級，均勻分布的初始條件。這些波動(dòng)被引力聚集（gravitational clustering）過程加強(qiáng)放大，從而形成星系、恒星、行星以及其他結(jié)構(gòu)。這意味著，不僅幾乎所有可以想象的物質(zhì)構(gòu)成都發(fā)生在某個(gè)遙遠(yuǎn)的哈勃體積內(nèi)，而且我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，我們的哈勃體積是相當(dāng)?shù)湫偷摹辽僭谀切┌^察者的哈勃體積中是典型的。一個(gè)粗略估計(jì)顯示，距你最近的那個(gè)和你一模一樣的人將遠(yuǎn)在10^(10^29)米之外。而在10^(10^91)米外才會(huì)有一個(gè)半徑100光年的區(qū)域，它里面的一切與我們居住的空間完全相同，也就是說未來100年內(nèi)我們的所有經(jīng)歷都會(huì)和我們的副本一致。而至少10^(10^115)米之外該區(qū)域才會(huì)增大到哈勃體積那么大。這就引起了一個(gè)有趣的哲學(xué)問題，它不久之后將會(huì)困擾我們：如果真的存在那么多和“你”有完全一樣的經(jīng)歷和生活的副本，即使你掌握了整個(gè)宇宙態(tài)的完全知識(shí)，你也不能計(jì)算你自己的未來。原因是，你將不能決定哪一個(gè)副本才是“你”（他們都自認(rèn)為是）。但他們的人生最終將是不同的，所以你最多只能預(yù)計(jì)你今后各種經(jīng)歷的概率。傳統(tǒng)決定論的觀點(diǎn)就此終結(jié)。
怎樣證明或證偽一個(gè)平行宇宙理論
平行宇宙這一理論是不是屬于形而上學(xué)而非物理。正如卡爾·波普爾（Karl Popper）所強(qiáng)調(diào)的，物理和形而上學(xué)的區(qū)別就在于，理論是否能被實(shí)踐證明和證偽。一個(gè)理論包含不可觀測的實(shí)體，本質(zhì)上并不能說明它不可檢驗(yàn)。例如，一個(gè)理論宣稱666個(gè)平行宇宙，每個(gè)都缺少氧，從這個(gè)理論可以做出可檢驗(yàn)預(yù)言，那就是我們在這里應(yīng)該不能觀測到氧，所以這個(gè)理論能被觀測排除。
一個(gè)更嚴(yán)肅的例子是，第一層平行宇宙的框架常常被用來排除現(xiàn)代天文學(xué)的理論，雖然很少有人明確地那么說。例如，關(guān)于宇宙微波背景輻射（CMB）觀測顯示，空間幾乎沒有彎曲。CMB圖上溫度高和溫度低的點(diǎn)都有一個(gè)特征尺度，這一尺度取決于空間曲率，觀測到的點(diǎn)都過大，不符合先前流行的“開放宇宙”模型。但是，平均的點(diǎn)的大小在每個(gè)哈勃體積上有些隨機(jī)的差別，所以做到統(tǒng)計(jì)精確是很重要的。當(dāng)宇宙學(xué)家說開放宇宙模型以99.9%的置信度被排除時(shí)，他們真正說的是，如果開放宇宙模型是正確的，那么顯示出我們所觀測到大小的CMB點(diǎn)的哈勃體積少于總數(shù)的千分之一——所以擁有無限多哈勃體積的模型就被排除了，即使我們只在自己的特殊哈勃體積中（當(dāng)然）顯示了CMB圖。
我們從這個(gè)例子上得到的經(jīng)驗(yàn)是：平行宇宙這一理論可以被實(shí)踐證明或證偽，但這要求理論給出平行宇宙集合的預(yù)言，并給出其概率分布（或更一般的，給出數(shù)學(xué)家所說的測量）。我們接下來將會(huì)看到，解答測量問題不容易，有些平行宇宙理論中，這一問題還沒有得到解決。
第二層：后暴脹泡沫
即其他后暴脹泡沫，具有不同的有效物理定律、物理常數(shù)、時(shí)空維度、粒子種類。
若覺得第一層平行宇宙太大，簡直無法容忍。那么試著想象一下無窮多個(gè)完全不同的宇宙（每個(gè)在圖1.1用一個(gè)泡沫表示），這些宇宙甚至有不同的維度和物理常數(shù)。這就是現(xiàn)在流行的混沌暴脹理論所預(yù)言的，我們稱之為第二層平行宇宙。這些宇宙屬于不同的范疇，離開得比無限遠(yuǎn)還要遙遠(yuǎn)，也就是說即使你以光速前進(jìn)無窮長的時(shí)間也到不了那里。原因是，我們的第一層平行宇宙團(tuán)和鄰近的第一層平行宇宙團(tuán)之間的空間仍在暴脹，空間延展和創(chuàng)造新體積的速度遠(yuǎn)大于你能穿過它的速度。不過，你可以到達(dá)任意遠(yuǎn)的第一層平行宇宙，只要你足夠耐心，而且宇宙膨脹減速的話。
第二層平行宇宙的存在的證據(jù)
到20世紀(jì)70年代，大爆炸模型，已經(jīng)被證明是一個(gè)成功解釋了我們宇宙的大部分歷史的理論。它揭示了原始火球怎樣膨脹并冷卻，在40萬年后怎樣變得透明，怎樣發(fā)出宇宙微波背景輻射，并通過引力聚集過程形成密度起伏，產(chǎn)生了星系、恒星和行星。但仍然存在惱人的問題，到底發(fā)生了什么。是無中生有嗎。所有那些超重粒子，例如粒子物理預(yù)言的磁單極子，早期時(shí)應(yīng)該在哪里被創(chuàng)造（“磁單極子疑難”）。為什么空間是現(xiàn)在這么大，這么老，這么平坦，而一般的初始條件都預(yù)言在10秒量級之后，彎曲度會(huì)隨時(shí)間增長，密度要么趨于0要么趨于無窮大（“平坦性疑難”）。是什么機(jī)制導(dǎo)致了沒有因果聯(lián)系的空間區(qū)域上CMB溫度都是基本一致的（“視界疑難”）。又是什么機(jī)制產(chǎn)生了在10水平上的原始密度起伏，從而長出所有宇宙結(jié)構(gòu)。
暴脹過程一舉解決了所有這些疑難，成為關(guān)于宇宙極早期的最流行理論。暴脹是空間的快速拉伸，它稀釋了磁單極子和其他殘余物，使空間就像一個(gè)膨脹氣球的表面一樣平坦均勻，并使量子真空波動(dòng)演變成宏觀大的密度波動(dòng)從而形成星系。從一開始，暴脹就通過了附加的檢驗(yàn)：CMB觀測顯示，空間是極端平坦的，并測出初始波動(dòng)具有近乎隨尺度不變的波譜，沒有物質(zhì)的引力波成分，所有這些都和暴脹所預(yù)言的完全一致。
暴脹是很多基本粒子理論中的普遍現(xiàn)象。在流行的混沌暴脹模型中，暴脹在空間的某些區(qū)域停下來，使得我們所知的生命能夠出現(xiàn)，同時(shí)量子波動(dòng)導(dǎo)致其他區(qū)域暴脹得更快。本質(zhì)上，一個(gè)暴脹中的泡沫產(chǎn)生出其他暴脹泡沫，這些暴脹泡沫再產(chǎn)生更多的泡沫，從而形成無限的連鎖反應(yīng)。暴脹停止的泡沫就是第二層平行宇宙的構(gòu)成元素。每個(gè)泡沫在尺度上都是無限的，而因?yàn)橛啦煌Ｖ沟倪B鎖反應(yīng)，泡沫數(shù)量也是無限的。（雖然泡泡宇宙的產(chǎn)生能以 2^n 的形式增長，而n趨勢于無窮，這或許與整數(shù)集的取冪很像，但這依舊是可數(shù)無窮的。）在這種情況下，同樣不存在時(shí)間的開端和絕對的大爆炸：過去、現(xiàn)在和將來都永遠(yuǎn)只是存在無數(shù)的暴脹泡沫和后暴脹區(qū)域，就像我們居住的地方一樣，形成一個(gè)分形圖樣。
第二層平行宇宙是什么樣的
大家普遍認(rèn)為，人們觀察到的物理，只是一個(gè)更加對稱的理論的低能極限，這個(gè)理論只在極端高溫下才起作用。基礎(chǔ)理論也許是二維的，超對稱的，包含自然界四種基本作用力的大統(tǒng)一。這種理論的一個(gè)共性是，驅(qū)動(dòng)暴脹的場的勢能有著幾個(gè)不同的最小值（被稱為“真空態(tài)”），相應(yīng)于破缺對稱的不同途徑，也相應(yīng)于得到的不同的低能物理。例如：可以把除三個(gè)空間維度之外的所有維度都卷起來（“壓縮”），形成有效的三維空間，就像我們所處的空間一樣。或者也可以把更少的維度卷起來，留下一個(gè)七維空間。驅(qū)動(dòng)混沌暴脹的量子波動(dòng)可以造成各個(gè)泡沫中不同的對稱性破缺，導(dǎo)致第二層平行宇宙中不同的成員具有不同的維度。在粒子物理中觀測到的很多對稱性，也來自于對稱性破缺的具體途徑，所以，也許存在只含有兩代而非三代夸克的第二層平行宇宙。
除了維度和基本粒子這些離散的特性之外，我們的宇宙還被一組無維度的數(shù)——物理常量所刻畫。其中包括電子/質(zhì)子質(zhì)量比≈1836，即宇宙學(xué)常數(shù)，它在普朗克單位中約是10。有模型顯示，這樣的連續(xù)參量在各個(gè)后暴脹泡沫中互不相同。
※注：
這樣，第二層平行宇宙就可能比第一層平行宇宙更為多樣化，不僅初始條件不同，而且維度、基本粒子和物理常數(shù)都不相同。
在繼續(xù)之前，先來評論一下幾個(gè)密切相關(guān)的平行宇宙概念。首先，如果能存在一個(gè)第二層平行宇宙，并不斷以分形的形式自我復(fù)制，那么將會(huì)出現(xiàn)無限多個(gè)完全分離的其他第二層平行宇宙。但是，這些宇宙變體是不可檢驗(yàn)的，因?yàn)樗葲]有增加任何實(shí)質(zhì)上不同的世界，也沒有改變它們所含物質(zhì)的概率分布。在每個(gè)第二層平行宇宙中，所有可能的初始條件和對稱性破缺都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。
托爾曼和惠勒教授層提出一個(gè)想法，（第一層）平行宇宙是周期性的，要經(jīng)歷一系列無限的大爆炸。這個(gè)想法已經(jīng)被斯坦哈特和圖爾克闡明了。如果確實(shí)存在，那么這些不同時(shí)期的集合也形成了一個(gè)多元宇宙，可以證明，它和第二層多元宇宙有著相似的多樣性。
斯莫林（Smolin）也提出過一個(gè)想法，一個(gè)和第二層多元宇宙的多樣性相似的集合，但不是在暴脹中，而是通過黑洞、變異和產(chǎn)生的新的宇宙。這就預(yù)言了一個(gè)自然選擇的形式，傾向于產(chǎn)生最多黑洞的宇宙。
在膜世界的設(shè)定中，存在另一個(gè)和我們的世界非常類似的三維世界，只是在高緯上有一定差別。但是這樣一個(gè)世界（“膜”），是否可以被稱為和我們的世界不同的平行世界還不一定，因?yàn)槲覀円苍S能夠用引力和它相互作用，就像我們跟暗物質(zhì)那樣。
微調(diào)和選擇效應(yīng)
圖1.3
假想你住進(jìn)一座旅館，被分到一個(gè)房間，門牌號(hào)碼是1967。你驚奇地發(fā)現(xiàn)，這數(shù)字正是你出生的年份。不過你隨即反應(yīng)過來，這完全不算什么巧合。整個(gè)旅館有成百上千的房間，其中有一間門牌數(shù)和你生日相同很正常。然而你若看見的是另一個(gè)數(shù)字，便不會(huì)引發(fā)上面的思考。于是你認(rèn)識(shí)到，即便對旅館一無所知，也可以推斷出還有很多房間，因?yàn)槿绻挥幸粋€(gè)房間，那么你就遇到了一個(gè)沒有解釋的巧合。
再舉一個(gè)更貼切的例子，考慮太陽質(zhì)量M。M影響太陽的發(fā)光度，通過基本的物理計(jì)算就可以得出，只有在M處于1.6×10^30～2.4×10^30千克這樣一個(gè)狹窄范圍內(nèi)時(shí)，地球上我們所知的生命才可能存在——否則地球上的氣溫將比火星更冷，或者比金星更熱。測量值正好是2.0×10^30千克。乍看之下，可居住的M值無疑是種令人困惑的巧合，由計(jì)算可知絕大多數(shù)恒星的質(zhì)量分布于10^29～10^32千克的巨大范圍內(nèi)。然而有了旅館的經(jīng)驗(yàn)，我們便明白這種表面的巧合實(shí)為一個(gè)集合中的選擇效應(yīng)：如果存在許多太陽系，其中心恒星和行星軌道有一定分布，我們顯然應(yīng)該生活在適于居住的太陽系里。
更普遍地來說，某些物理參量正好是可居住的觀測值，這樣的巧合可以被看作一個(gè)更大的集合的存在證據(jù)，而我們觀察到的只是其中一個(gè)元素。雖然其他的旅館房間和其他太陽系的存在，是毋庸置疑并被觀測證實(shí)了的，但平行宇宙的存在還沒有，因?yàn)樗鼈儾荒鼙挥^測到。但是如果觀察到物理常數(shù)的微調(diào)，那就可以通過和上面同樣的邏輯來論證它們的存在（圖1.4）。實(shí)際上，存在很多微調(diào)的例子，顯示具有不同物理常數(shù)的平行宇宙確實(shí)存在，盡管微調(diào)的程度仍然在大家仍在激烈爭論，并需要由進(jìn)一步計(jì)算所澄清。
例如，如果電磁力減弱4%，太陽就會(huì)瞬間爆炸（雙質(zhì)子能形成束縛態(tài)，使太陽的發(fā)光度增大10 倍）。如果電磁力再強(qiáng)一點(diǎn)，那么穩(wěn)定原子會(huì)少很多。實(shí)際上，大部分（如果不是全部）影響低能物理的參量都在某個(gè)水平上被微調(diào)過，也就是說即使只改變少許，我們的宇宙也會(huì)變得太不相同。
如果弱相互作用再弱一些，宇宙中就不會(huì)有氫，因?yàn)樗鼤?huì)在大爆炸后迅速變成氦。無論它是變得更強(qiáng)還是更弱，超新星爆炸形成的中微子都不能噴出超新星，而且生命形成所需要的重元素，能否離開產(chǎn)生它們的恒星也值得懷疑。如果質(zhì)子的質(zhì)量增加0.2%，它們立即衰變成中子，沒法束縛電子，原子也就無法穩(wěn)定存在。如果質(zhì)子-電子質(zhì)量比更小一些，就不會(huì)存在穩(wěn)定的恒星；如果它更大一些，像晶體和DNA分子這樣的有序結(jié)構(gòu)就不會(huì)出現(xiàn)。
一旦有人提到人擇這一“A打頭的詞”，關(guān)于微調(diào)的討論就常常變得激烈起來。所謂的人擇原理定義五花八門，解釋各種各樣，它所引發(fā)的混亂已經(jīng)蓋過了它所帶來的啟迪。但下面所說的MAP一般沒有爭論，即最小化人擇原理（minimalistic anthropic principle）：
MAP：用觀測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)基礎(chǔ)理論時(shí)，忽略選擇效應(yīng)會(huì)得出不正確的結(jié)論。
從我們前面的例子來看，這是很顯然的：如果我們忽略選擇效應(yīng)，圍繞一個(gè)太陽這么重的恒星旋轉(zhuǎn)是非常令人驚奇的，因?yàn)楦p更暗的恒星也大量存在。同樣，MAP說明，混沌爆炸模型并沒有由于我們正好生活在暴脹停止的極小的分形空間而被排除，因?yàn)楸┟浀牟糠植贿m合我們居住。幸運(yùn)的是，正如玻爾茲曼一百年前就指出的那樣，選擇定則并不能拯救所有的模型。如果宇宙處于經(jīng)典的熱平衡（熱寂），熱波動(dòng)仍然能夠使原子隨機(jī)結(jié)合在一起，從而千載難逢地形成了擁有自我意識(shí)的一個(gè)你，所以你正好存在這一事實(shí)并不能排除熱寂宇宙模型。但是，你在統(tǒng)計(jì)上應(yīng)該看到，世界的其他部分都應(yīng)該處于高熵的混亂狀態(tài)中，而不是看到的有序的低熵狀態(tài)，從而排除了這個(gè)模型。
粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中有28個(gè)獨(dú)立參量，而宇宙學(xué)中可能還有更多。如果我們真的住在第二層多元宇宙中的一個(gè)，那么對于那些在平行宇宙之間的數(shù)值不同的物理量，我們永遠(yuǎn)不能根據(jù)第一性原理預(yù)言出它們的觀測值。將選擇效應(yīng)考慮在內(nèi)，我們也只能計(jì)算出這些數(shù)值的概率分布。我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些可能有不同取值的物理量在我們宇宙中的觀測值，應(yīng)該普遍的和我們的存在一致。從下面的具體討論中將會(huì)看到，如何定義“普遍”，具體地說也就是，如何用物理理論計(jì)算概率，變成了令人困窘的棘手問題。
第三層：量子力學(xué)中的多世界解釋
即量子波函數(shù)的其他分支，沒有增加任何實(shí)質(zhì)的新東西
前兩層平行宇宙如此遙遠(yuǎn)，但這一層平行宇宙卻可能就在我們身邊。如果物理基本方程一直都是被數(shù)學(xué)家稱為“幺正的”，那么宇宙就會(huì)像漫畫上那樣，不斷分叉處平行宇宙：只要一個(gè)量子事件可以有隨機(jī)結(jié)果，那么所有結(jié)果實(shí)際上都會(huì)發(fā)生，每一個(gè)形成一個(gè)分支。這就是第三層平行宇宙。雖然與第一層、第二層平行宇宙相比，第三層平行宇宙?zhèn)涫軤幾h。我們?nèi)詴?huì)看到，這一層次并沒有增加新型的宇宙。
第三層平行宇宙存在的證據(jù)
圖1.5
在20世紀(jì)20年代，為了擺脫這一不可思議的現(xiàn)象，物理學(xué)家們假設(shè)，一旦做出觀察，波函數(shù)立即“塌縮”成某種確定的經(jīng)典結(jié)果，其概率由波函數(shù)給出。愛因斯坦對破壞了幺正性的這種自然內(nèi)在隨機(jī)性很不高興，他堅(jiān)持認(rèn)為“上帝不擲骰子”。其他人也抱怨沒有具體指導(dǎo)塌縮何時(shí)發(fā)生的方程。1957年，普林斯頓的學(xué)生休·埃弗雷特（Hugh Everett）在他的物理學(xué)博士論文里提出，這個(gè)有爭議的塌縮假設(shè)完全是多余的。量子理論預(yù)言，一個(gè)經(jīng)典實(shí)在會(huì)逐漸分裂成許多態(tài)的疊加（圖1.5）。他指出，觀察者主觀上只會(huì)將這個(gè)分裂體驗(yàn)成一種隨機(jī)性，隨機(jī)概率恰好等于原理的預(yù)言。這種經(jīng)典世界的疊加就是第三層多元宇宙。
埃弗雷特的工作仍然留下了兩個(gè)問題沒有回答：首先，如果這個(gè)世界真包含了荒謬的宏觀疊加，為什么我們沒有感覺到。直到1970年才有人回答這個(gè)問題，迪特爾·澤（Dieter Zeh）指出，薛定諤方程自己引發(fā)了一種審查效應(yīng)。這個(gè)效應(yīng)叫“退相干”，在接下來的幾十年中沃伊切赫·祖雷克（Wojciech Zurek）和澤等人對其進(jìn)行了仔細(xì)研究。研究發(fā)現(xiàn)，相干的量子疊加只要不被世界中的其他部分知道，就會(huì)保持下去。和一個(gè)愛打聽的質(zhì)子或空氣分子的一次碰撞，就足以讓我們在圖1.5中的人永遠(yuǎn)無法意識(shí)到，平行的故事線中還有自己的一個(gè)拷貝。埃弗雷特圖像中第二個(gè)沒有回答的問題更為微妙，但同樣重要：什么物理機(jī)制選出近似經(jīng)典的狀態(tài)（例如一個(gè)物體一次只能在一個(gè)地方）。它在極端巨大的希爾伯特空間中是相當(dāng)特殊。退相干同樣回答了這個(gè)問題，它認(rèn)為，經(jīng)典狀態(tài)就是最堅(jiān)決抵制退相干的那些態(tài)。總的來說，退相干既確定了希爾伯特空間中的第三層平行宇宙，又給它們劃清了界限。退相干已經(jīng)無可爭議，在各種情況下都被實(shí)驗(yàn)測量到。既然退相干實(shí)際上能起到波函數(shù)塌縮的效果，那么人們就失去了研究非幺正量子力學(xué)的動(dòng)機(jī)，埃弗雷特的多世界詮釋日益流行。要了解這些量子文獻(xiàn)的詳細(xì)內(nèi)容，可以在泰格馬克和惠勒的文章中找到流行觀點(diǎn)，朱利尼等人的著作中有技術(shù)性的回顧。
如果波函數(shù)的時(shí)間演化是幺正的，那么就存在第三層平行宇宙，物理學(xué)家都在竭力地檢驗(yàn)這個(gè)關(guān)鍵假設(shè)。目前還沒有發(fā)現(xiàn)對幺正行性的偏離。最近幾十年，巧妙的實(shí)驗(yàn)證明了更大體系的幺正性，包括極重的碳60巴基球原子，以及千米尺度的光纖系統(tǒng)。在理論方面，一個(gè)反對幺正性的重要爭論涉及黑洞蒸發(fā)時(shí)可能的信息丟失，這意味著量子引力效應(yīng)是非幺正的，從而使波函數(shù)塌縮。但弦理論上的一個(gè)突破，叫做AdS/CFT對應(yīng)的理論指出，量子引力也是幺正的，在數(shù)學(xué)上它和一個(gè)低緯的無引力量子場論是等價(jià)的。
第三層平行宇宙是什么樣的
在討論平行宇宙時(shí)，我們必須先區(qū)分考察物理理論的兩種方法：從外面開始，研究數(shù)學(xué)基本方程的數(shù)學(xué)家所持的，也稱為“鳥的視角”；生活在方程所描述世界里的觀察者所持的內(nèi)部觀點(diǎn)，也稱為“青蛙視角”。以鳥的視角來看，第三層平行宇宙非常簡單：只用一個(gè)波函數(shù)就能描述，并且它隨時(shí)間平滑而確定地演化，沒有任何分裂或平行。由整個(gè)演化的波函數(shù)描述的抽象量子世界內(nèi)部，包含了大量平行的經(jīng)典故事線（圖1.5），它們一刻都不停的分裂、合并，經(jīng)典理論無法描述的許多量子現(xiàn)象也是如此。然而，以青蛙視角來看，每個(gè)觀察者只能感知全部真相的一小塊碎片：她只能看見自己所在的哈勃體積（第一層），退相干使她無法感知到自己的第一層平行副本。當(dāng)她被問問題時(shí)，做出快速的決定并回答時(shí)，大腦內(nèi)神經(jīng)元水平上的量子效應(yīng)分出多重結(jié)果。從鳥的視角看，她唯一的過去分叉出多重的未來。而從青蛙視角來看，她的每個(gè)副本都不知道其他人的存在，所以這個(gè)量子分叉在她看來不過是一次小小的隨機(jī)事件。實(shí)際上，后來出現(xiàn)了擁有完全相同的記憶的無數(shù)個(gè)副本，直到她回答了問題。
存在多少個(gè)不同的平行宇宙
盡管聽起來很奇怪，圖1.5說明完全相同的情況也發(fā)生在第一層平行宇宙中，唯一的區(qū)別只在于她的副本在什么地方（要么住在以往舊的三維空間的其他地方，要么住在無限維的希爾伯特空間的其他的量子分支）。在這個(gè)意義上，第三層不比第一層奇怪多少。實(shí)際上，如果物理理論是幺正的，那么暴脹中的量子漲落，通過隨機(jī)過程并沒有產(chǎn)生唯一的初始條件，而是同時(shí)產(chǎn)生了所有可能的初始條件，形成量子疊加，之后退相干再使這些漲落在分立的量子分支中按照本來的經(jīng)典方式演變。這些量子漲落的遍歷本性意味著，一個(gè)給定的第三層哈勃體積（如圖1.3所示在不同的量子分支之間）中結(jié)果的分布，和你通過取樣一個(gè)量子分支中不同的哈勃體積（第一層）得到的分布是一致的。如果物理常數(shù)，空間維度等再第二層中都可以改變，那么它們在第三層的平行量子分支中也是各不相同的。原因在于，若物理是幺正的，自發(fā)的對稱性破缺過程就不會(huì)產(chǎn)生唯一（雖然是隨機(jī)的）結(jié)果，而是產(chǎn)生所有結(jié)果的疊加，并迅速退相干形成各個(gè)獨(dú)立的第三層分支。簡而言之，第三層平行宇宙如果存在，也沒有在第一層和第二層上增加任何新東西——它不過是它們更難以區(qū)分的復(fù)制品罷了，同樣的事情在各個(gè)量子分支中一遍遍重復(fù)。這種重復(fù)顯然不符合奧卡姆（Occam）剃刀原理，不過要是為了擺脫第三層宇宙，硬假設(shè)一個(gè)還沒看到的非幺正效應(yīng)出來，奧卡姆也滿意不到哪里去。
關(guān)于埃弗雷特的平行宇宙一度激烈的爭論，在發(fā)現(xiàn)了一種恰好差不多大，但爭議較少的多重宇宙之后，突然銷聲匿跡了。這讓人不禁回想起20世紀(jì)20年代中著名的夏普利一柯蒂斯（Shapley-Cur—tis）爭論：到底是有大量的星系（在那時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)來看就相當(dāng)于平行宇宙）還是只有一個(gè)。考慮到現(xiàn)在的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)移到其他星系團(tuán)、超星系團(tuán)，甚至哈勃體積，再來看這場爭論，不過是茶杯中掀起的一場風(fēng)暴罷了。事后來看，無論是夏普利一柯蒂斯?fàn)幷撨€是埃弗雷特爭論，這些爭論的產(chǎn)生無疑都是離奇的，反映了我們對擴(kuò)展視界的本能抗拒。
多重宇宙
遍歷性意味著，第三層平行宇宙的量子態(tài)在空間平移下是不變的，和時(shí)間平移一樣，是一個(gè)幺正操作。如果在時(shí)間平移下也是不變的（可以通過這樣實(shí)現(xiàn)：構(gòu)建一組無限多量子態(tài)的疊加，其中每個(gè)態(tài)是同一量子態(tài)的不同時(shí)間平移態(tài)，這樣不同的時(shí)間發(fā)生的大爆炸就在不同的量子分支中），那么宇宙數(shù)目就會(huì)自動(dòng)保持常數(shù)。所有可能的宇宙快照在每時(shí)每刻都存在，而時(shí)間的推移不過是觀看者眼中的景象——這是在科幻小說《排列城》（Permutation City）中提出的想法，而后被多伊奇（Deutsch）、巴布爾（Barbour）等人發(fā)展了。
兩種世界觀
銀河系漫游指南
正如在科幻諷刺電影《銀河系漫游指南》（Hitchhiker's Guideto the Galaxy）中說的那樣，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)答案就是“42”，而困難在于找出真正的問題。關(guān)于平行宇宙的問題，就像關(guān)于實(shí)在的疑問一樣深刻，但除此之外，還有一個(gè)更深刻的問題：就是關(guān)于物理實(shí)在和數(shù)學(xué)的地位問題。這個(gè)問題存在兩種都有道理但截然相反的觀點(diǎn)，這一分歧的形成甚至可以追溯到柏拉圖和亞里士多德時(shí)代，問題是：誰才是正確的呢。
亞里士多德模型：主觀感覺上的青蛙視角是真實(shí)的物理，而鳥的視角和它所有的數(shù)學(xué)語言都不過是一種有用的近似。
柏拉圖模型：鳥的視角（數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)）才是真正的“真實(shí)”，而青蛙視角和我們用來描述它的所有人類語言，都只是對我們主觀感覺的有效近似。
哪個(gè)更為基本——青蛙視角還是鳥的視角，人類語言還是數(shù)學(xué)語言。你的回答將決定你怎樣看待平行宇宙。如果你傾向于柏拉圖模型，你會(huì)覺得平行宇宙是很自然的，我們感覺第三層平行宇宙是“不可思議的”，只是反映了青蛙和鳥的視角的極端不同。我們破壞了對稱，把后者當(dāng)作不可思議的，只是因?yàn)槲覀儚男【捅还噍斄藖喞锸慷嗟履Ｐ停菚r(shí)我們還遠(yuǎn)沒有接觸數(shù)學(xué)——柏拉圖觀點(diǎn)是后天培養(yǎng)出來的品位。
在第二種（柏拉圖）模型下，任何物理學(xué)最終都?xì)w結(jié)為一個(gè)數(shù)學(xué)問題，一個(gè)擁有無窮智慧的數(shù)學(xué)家，給他宇宙的基本方程，原則上他就能計(jì)算出青蛙視角，也就是，宇宙中會(huì)包含怎樣的有自我意識(shí)的觀察者，他們可以感知到什么，他們會(huì)發(fā)明何種語言來向同類描述他們的感知。換句話說，在圖1.7中，樹的頂部是“大統(tǒng)一理論”（ToE），其公理都是純數(shù)學(xué)的，而英語中的假設(shè)，是指可以被推導(dǎo)出來，從而是多余的解釋。而另一方面，在亞里士多德模型中絕不會(huì)有TOE的存在，我們終究只是用一些語言表述來解釋另一些語言表述——這被稱為無限回歸問題。
第四層：終極集合
即其他數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，具有不同的基本物理方程
假設(shè)你認(rèn)同了柏拉圖模型，相信在圖1.7的頂部確實(shí)存在一個(gè)TOE——只是我們還沒找到正確的方程。那么就會(huì)遇到這樣一個(gè)令人困窘的問題，也是惠勒教授所強(qiáng)調(diào)的：為什么是這些特殊的方程，而不是別的。就讓我們來探索數(shù)學(xué)的民主思想，由此得到其他方程所支配的宇宙也同樣真是。這就是第四層平行宇宙。不過，我們先要消化另外兩個(gè)想法：數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的概念，以及物理世界也是一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)。
數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)是什么
圖1.8
形式系統(tǒng)包括一些抽象的符號(hào)，以及操縱它們的規(guī)則，具體規(guī)定新的符號(hào)（稱為定理）應(yīng)該怎樣用已有的符號(hào)（稱為公理）推導(dǎo)出來。這一歷史性的進(jìn)步，是解構(gòu)主義的一種表現(xiàn)形式，因?yàn)樗サ袅藗鹘y(tǒng)上賦予數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的所有意義和解釋，只留下它們最根本的抽象關(guān)系。結(jié)果，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)能夠不借助任何關(guān)于空間是什么的物理直覺，直接證明幾何定理。
圖1.8顯示了某些最根本的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和它們之間的關(guān)系。雖然這棵學(xué)科樹的延伸是不確定的，但它仍然說明數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)一點(diǎn)都不模糊。它們就在“那里”，從某個(gè)意義上來說數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)了它們，而不是創(chuàng)造了它們，沉思的外星文明也會(huì)發(fā)現(xiàn)同樣的結(jié)構(gòu)（不管是由人、計(jì)算機(jī)，還是外星文明來證明，這個(gè)定理都同樣成立）。
第四層平行宇宙存在的證據(jù)
我們以猜測程度越來越高的順序描述了四層平行宇宙，那么為什么要相信第四層的存在呢。邏輯上，這主要依賴兩個(gè)獨(dú)立的假設(shè)：
假設(shè)1：物理世界（特別是第四層平行宇宙）是一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。
假設(shè)2：數(shù)學(xué)民主性：所有數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)在同一個(gè)意義上都在“那里”。
在一篇著名的評論中，魏格納（1967）寫道“數(shù)學(xué)對自然科學(xué)的幫助大得神乎其神”，而“這并沒有理性的解釋”。這個(gè)論點(diǎn)可以被看作是對假設(shè)1的支持：數(shù)學(xué)在描述物理世界上的便利，正是后者本身就是數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的自然結(jié)果，而我們正逐漸認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。我們現(xiàn)有物理理論中的許多近似理論很成功，原因在于，簡單的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)能夠較好地近似描述SAS怎樣感知更復(fù)雜的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。換句話說，我們成功的理論并不是模擬物理的數(shù)學(xué)，而是模擬數(shù)學(xué)的數(shù)學(xué)。魏格納的評論并不是建立在僥幸的巧合基礎(chǔ)上，在他提出這個(gè)觀點(diǎn)的數(shù)十年后，自然中更多的數(shù)學(xué)規(guī)則被發(fā)現(xiàn)，包括粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。
支持假設(shè)1的第二個(gè)論據(jù)就是，抽象數(shù)學(xué)是如此的一般，以至于任何可用純形式術(shù)語（不依賴模糊的人類語言）定義的TOE也必定是數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，例如，一個(gè)包含一組不同類型的實(shí)體（比如，用詞語表示）以及它們之間的關(guān)系（用附加詞語表示）的TOE，就是一個(gè)集合理論模型，而且我們可以一般地找到它所在的規(guī)范體系。
這個(gè)論據(jù)同樣使假設(shè)2更令人信服，因?yàn)樗馕吨魏慰赡芟氲降钠叫杏钪胬碚摱伎梢栽诘谒膶颖幻枋觥５谒膶悠叫杏钪妫惶└耨R克（1997）稱為“終極集合”，因?yàn)樗怂械募希瑥亩K結(jié)了平行宇宙的層次，不可能再有第五層。考慮一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的集合也沒有增加新內(nèi)容，因?yàn)樗徊贿^是另一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。考慮另一個(gè)經(jīng)常被討論的觀點(diǎn)，即，宇宙是一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬嗎。這個(gè)想法常在科幻小說中出現(xiàn)，并且實(shí)質(zhì)上也被相信闡述過。數(shù)字計(jì)算機(jī)的信息內(nèi)容是一串比特，比如“1001011100111001…”，雖然很長但仍有限，等價(jià)于一個(gè)很大但有限的整數(shù)n用二進(jìn)制寫出來。計(jì)算機(jī)的信息處理就是將一個(gè)記憶態(tài)變成另一個(gè)的確規(guī)則（反復(fù)應(yīng)用），所以在數(shù)學(xué)上就是一個(gè)函數(shù)f，反復(fù)地將一個(gè)整數(shù)映射到另一個(gè)上去：
n∣→f（n）∣→f（f（n））∣→…
換句話說，即使是最復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬，也只是一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的特殊情況，包含在第四層多元宇宙里（順帶一提，迭代連續(xù)函數(shù)，而不是整數(shù)函數(shù)，能形成分形）。
假設(shè)2的另一個(gè)吸引人的特性在于，目前，只有它唯一回答了惠勒教授的問題：為什么是這些特殊的方程，而不是別的。讓宇宙隨著所有可能方程的曲調(diào)而起舞，一勞永逸地解決了微調(diào)問題，即使是在基本方程層次：雖然很大數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)都是死的，而且不包含SAS們，不能形成SAS們需要的復(fù)雜性、穩(wěn)定性和可預(yù)測性，但我們當(dāng)然以100%的概率住在能支持生命的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)中。由于這個(gè)選擇效應(yīng)，對問題“到底是什么把活力注入方程，使宇宙能被其描述”的答案，就是“你，SAS。”
第四層平行宇宙是什么樣的
我們應(yīng)用、檢驗(yàn)和排除理論的方法，就是用我們過去的經(jīng)驗(yàn)來計(jì)算未來事件的概率分布，并把這些預(yù)言和觀測結(jié)果相比較。在多元宇宙論中，一般而言，不只有一個(gè)SAS和你經(jīng)歷了過去同樣的生活，所以不能確定哪一個(gè)才是你。因此，為了做出預(yù)言，你必須計(jì)算他們中多大比例的人能夠預(yù)見未來，這就導(dǎo)致了下面幾個(gè)預(yù)言：
預(yù)言1：描述我們世界的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)是與我們的觀測一致的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)中最普遍的一種。
預(yù)言2：我們未來的觀測是與過去的觀測一致的最普遍的觀測。
預(yù)言3：我們過去的觀測是與我們的存在一致的最普遍的觀測。
數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)有一個(gè)令人驚異的特性，那就是對稱性和不變性是普遍的，而正是它們造就了宇宙的簡單和有序。它們更像是常規(guī)而不是例外，數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)傾向于自動(dòng)具有這些性質(zhì)，而為了除去它們，必須增加復(fù)雜的公理等。換句話說，正因?yàn)檫@一點(diǎn)和選擇效應(yīng)，第四層平行宇宙中的生命不再是一團(tuán)混亂。
理論爭議
針對平行宇宙的主要爭論在于，它們很浪費(fèi)并且很離奇，來依次考慮這兩點(diǎn)。首先，平行宇宙理論很容易被奧卡姆剃刀原理所攻擊，因?yàn)樗鼈兗僭O(shè)了其他宇宙存在，而人們卻永遠(yuǎn)觀測不到。為何自然在本體上如此浪費(fèi)，并沉溺于這些多到無窮無盡的不同世界，但這一點(diǎn)也可以反過來支持平行宇宙。當(dāng)人們覺得自然過于浪費(fèi)時(shí)，人們到底是在困惑關(guān)于它浪費(fèi)的哪一點(diǎn)，顯然不是“空間”，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的平坦宇宙模型中無限的體積并沒有引起這樣的反對。也不是“物質(zhì)”或“原子”——理由相同，一旦已經(jīng)浪費(fèi)了無限的東西，誰在乎再浪費(fèi)多點(diǎn)呢。所以，這種令人困惑的“浪費(fèi)”倒不如說是一種簡化，它減少了說明所有這些不可見世界所需的信息量。然而，正如泰馬克詳細(xì)討論過的那樣，整個(gè)集合往往要比集合中的單個(gè)元素簡單得多。例如，一個(gè)普通整數(shù)n的算法信息內(nèi)容在量級上，這就是將它用二進(jìn)制寫出來所需要的比特?cái)?shù)。然而，所有整數(shù)的集合，1、2、3、…，只需要寥寥幾行計(jì)算機(jī)程序就能生成，所以整個(gè)集合的算法復(fù)雜度要遠(yuǎn)小于其中某個(gè)整數(shù)。同樣，愛因斯坦引力場方程的全部理想流體解的集合，算法復(fù)雜度要遠(yuǎn)低于其中某個(gè)特解，因?yàn)榍罢咧恍枰苌賻讉€(gè)方程就能描述，而后者要求在某個(gè)超曲面指定大量的初始數(shù)據(jù)。不嚴(yán)格地說，當(dāng)人們把注意力局限在一個(gè)集合中的某個(gè)特定元素上時(shí)，表觀信息的內(nèi)容增加了，卻失去了將所有元素考慮進(jìn)來時(shí)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)在的對稱性和簡單些。在這個(gè)意義上，更高層的平行宇宙具有更低的算法復(fù)雜度。從通常宇宙升到第一層平行宇宙，就不再需要指定初始條件，升到第二層，就不需要指定物理常數(shù)，到了包含所有數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的第四層平行宇宙，本質(zhì)上就不存在算法復(fù)雜度了。只有從青蛙視角，從觀測者的主觀感覺來看，才有那些信息富余和復(fù)雜性。可以證明，平行宇宙論要比只取一個(gè)集合元素作為物理存在的單個(gè)宇宙理論經(jīng)濟(jì)得多。
平行宇宙
第二個(gè)普遍的抱怨是，平行宇宙太離奇了。但這個(gè)反對多半來自審美上，而非科學(xué)上的考慮，然而正如上面提到的，這個(gè)意見只有在亞里士多德的世界觀中才有意義。在柏拉圖模型中，如果鳥的視角和青蛙視角足夠不同，很可能看到的是，觀察者會(huì)抱怨正確的TOE如此離奇，而每個(gè)跡象都說明這正是人們所處的情形。人們所感到的離奇也沒有什么好大驚小怪的，因?yàn)檫M(jìn)化只賦予了人們對日常物理的直覺，能夠使人們遠(yuǎn)古的祖先生存下來。但由于有了智慧和創(chuàng)造，人們已經(jīng)比只有一般內(nèi)部觀點(diǎn)的青蛙視角稍微多窺見了一些東西，可以確信的是，人們在超出人類原始認(rèn)知的任何地方到遭遇了奇異現(xiàn)象：高速（鐘慢效應(yīng)）、小尺度（量子粒子能同時(shí)存在于好幾個(gè)地方）、大尺度（黑洞）、低溫（能向上流的液氦）、高溫（碰撞粒子能改變身份），等等。所以，物理學(xué)家大體上已經(jīng)接受了，鳥的視角和青蛙視角是很不相同的。量子場論的一個(gè)現(xiàn)代流行觀點(diǎn)是，標(biāo)準(zhǔn)模型也僅僅只是一個(gè)有效的理論，是另一個(gè)還沒發(fā)現(xiàn)的理論的低能極限，而后者與舒服的經(jīng)典概念相去甚遠(yuǎn)（例如，包含十維的弦）。許多實(shí)驗(yàn)學(xué)家已經(jīng)對這么多“離奇”（但重復(fù)性很好）的結(jié)果感到麻木了，他們簡單地接受了“這個(gè)世界就是一個(gè)比人們原想的世界更離奇”這樣的觀點(diǎn)，然后埋頭繼續(xù)計(jì)算。
參考資料
[1]
如何理解平行宇宙 · 知乎[引用日期2021-08-17]
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