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如何理解平行宇宙?

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鲁超,赛先生

若论人类历史上最最精彩的辩论,非爱因斯坦和玻尔的世纪论战莫属。

1927 年,第五届“索尔维会议”在比利时布鲁塞尔召开,这次的主题是“电子和光子”,除了索末菲和约尔当等少数科学家,世界上最有名的科学家悉数到场,留下了那张号称凝聚了人类一半智慧的“物理学全明星梦之队”世纪照片。

前四天波澜不惊,爱因斯坦一直没说话,即使第三天玻尔、玻恩、海森堡齐怼薛定谔,好似“三英战吕布”,爱因斯坦依然稳如泰山。到了第五天下午,大神们开始上台做总结陈词,洛伦兹点名玻尔发言,玻尔重申了他的哥本哈根诠释:在测量电子的位置之前,讨论电子在哪里没有意义。也就是说,这个物理世界并没有什么“客观现实性”,物理学家去讨论“本质”是无聊之举。

看看吧,因为量子力学的出现,在原本稳定而实在的时空里荡起了一阵阵微妙的涟漪,世界变得模糊而不确定起来。作为经典物理基础的因果律摇摇欲坠,科学家们还能如此笃定吗?

一直在台下坚如磐石的爱因斯坦终于坐不住了:“什么?哥本哈根学派简直是一群神棍!物理学家就是要去深究万物之理,不去讨论世界的本质,那还研究什么?”

他大步走上讲台,在黑板上画了一个电子穿过小孔,屏幕上得到衍射图像。

按照哥本哈根解释:电子穿过小孔后,冲向屏幕的是一团概率波,屏幕任何一点都可能成为它的落脚点,观察后发现电子落在 A 点,这就是“波函数坍缩”!问题来了,屏幕上其他点竟然要同时对电子的观测做出反应,这似乎暗示了一种超距作用,也就违背了相对论里的“光速不变原理”!

玻尔听了直摇头,两位主角走上前台,这场世纪论战由此展开。从会场上到餐桌旁、房间里,两人随时展开 pk。笃信因果律的爱因斯坦认为:“上帝不会掷骰子!”而玻尔的哲学是:“你不要指挥上帝怎么做。物理学的任务,不是要找出自然是什么,而是对于自然,我们能说什么。”

谁能想到,志在必得的爱因斯坦竟然一败再败,在众多相信实证的物理学家眼里,玻尔的哥本哈根诠释才是“知之为知之不知为不知”的科学态度,而当年物理学界最反叛最具革命性的爱因斯坦这次竟然站到了新生的量子力学的对立面上,成为了守旧的代名词。艾伦菲斯特甚至气愤的说:“爱因斯坦,我为你感到脸红!你把自己放到了那些徒劳推翻相对论的人一样的位置上了!”

在这之后的几年里,爱因斯坦卷土重来,用“光箱实验”和“EPR 佯谬”轮番向玻尔施压,均被玻尔一一化解。(当然爱因斯坦并不认为自己在“EPR 佯谬”上输了,这个梗一直到 50 年后才真正得到解决,这是后话。)

眼看爱因斯坦即将败走麦城,薛定谔挺身而出,他写信给爱因斯坦,信中构想了这么一个思想实验:

一只猫被关在一个密闭的盒子里,猫的生死取决于一个放射性原子的状态,在一定时间内,这个原子有 50%的几率衰变,衰变反应会被盖革计数器观测到,并通过继电器释放一个锤子击碎一小瓶氢氰酸,这只猫就会死亡。

按照哥本哈根解释,量子系统在被观察之前一直处于叠加状态,那么这只猫在打开盒子之前,是处于一种“既死又活”的状态。如此超越凡人日常经验的思想实验,被后人称为“薛定谔的猫”,位列物理学四大神兽!

“薛定谔的猫”之所以影响深远,在于薛大神用他那超人的智慧将微观的量子效应放大到了我们的日常世界。如果哥本哈根学派继续嘴硬,他们就不得不硬着头皮无可奈何的说到:“确实如此,没打开盒子之前,那只猫确实是‘既死又活’的!”

爱因斯坦收到薛定谔的信后大喜过望,他立马给薛大神回了信:“如果只有一个人是诚实的,那个人就是你(除了劳厄),因为你知道无法回避现实。其他人根本不知道他们在玩什么冒险游戏,(他们必须明白),现实是要建立在实验的基础上!”

在这之后,爱因斯坦更是如此嘲讽哥本哈根学派:“难道这意味着,我不看月亮的时候,月亮就不存在?”

哥本哈根的科学家们似乎遇到了最大的危机,薛定谔用一只猫把他们推到了风口浪尖上,而同时对量子力学的研究也不仅仅局限于微观世界的物理意义,更是上升到了宏观世界的日常现象,甚至被推上了哲学高度。

中国大哲人王阳明说过与爱因斯坦类似的话:“汝未看此花时,此花与汝心同归于寂?”而贝克莱大主教也说过“存在即是被感知”。过去,科学家们只把这当成哲学上的唯心梦呓,科学研究的应该是 “可实证”的现实世界。而如今,按照哥本哈根的解释,我们的宇宙该是如何,竟然取决于我们的观测,难道我们竟然处于一个“唯心”的世界?

“薛定谔的猫”这个梗当然逃脱不了科幻作家的视野,在这其中思想最为奔放的当属刘慈欣的《球形闪电》,在大刘的笔下,球形闪电竟然是比我们世界更高一层“宏世界”里的宏电子,它之所以飘忽不定可以穿墙而入,就因为它的量子效应。而人、动物和其他物体被球形闪电击中,表面上变成一滩灰烬,实际上是变成了量子叠加态,弥散在空间中。偶尔他们还是会存在于我们的世界,但只要一观察,他们就立马消失了,这似乎就是“鬼魂”。

大刘的想象力真是把“薛定谔的猫”这个悖论发展到极致了!

薛定谔一直想跟玻尔当面交流猫的问题,可惜的是,二战爆发了,薛定谔被迫辗转到爱尔兰,在这里他写下了《生命是什么?》,催生了分子生物学。1952 年,他在都柏林做了一次演讲,谈到了他的猫,他开玩笑地警告他的听众,他将要说的话可能“看起来很疯狂”。按照他的说法,“薛定谔方程”所描述的似乎是几个不同的历史,它们“是同时发生的”。

原来,是薛大神第一个提出了“多世界”的设想。

薛定谔在都柏林的演讲后第二年,一个本科化学系毕业的小伙子进入普林斯顿大学数学系,研究军事博弈学,很快他又对理论物理产生了兴趣,一边跟着魏格纳(1963 年诺贝尔物理学奖)学习数学物理方法,一边完成了军事博弈学论文,取得了硕士学位。到了博士期间,他发现终于找到了自己的兴趣,于是他抛弃了魏格纳,投身惠勒门下研究量子力学基本原理。

他的同学如此评价他:“他太聪明了!从化学工程到数学,再到物理,其实他整天都在看科幻小说。我想说,这就是天赋。”

这个天赋异禀的小伙子叫做休 * 艾弗雷特,由于他的父亲和祖父也起了相同的名字:休,所以我们也可以叫他“艾弗雷特三世”。

艾弗雷特在 1956 年将他博士期间的研究汇编成一篇长论文《没有概率的波动力学》(Wave Mechanics Without Probability),文中他提出一个革命性的观点,他认为 “波函数坍塌”这个违背直觉的设定就应该被“奥卡姆剃刀”砍掉,还不如承认波函数的客观存在,之所以会遇到“薛定谔的猫”这种悖论,那是因为这时“分裂”成多个宇宙,在某些宇宙里面猫死了,某些宇宙里面猫还活着。这两个宇宙“分裂”之后(请注意这里的用词:“分裂”),彼此孤立,再也没有交集,可以认为它们彼此“平行”,因此艾弗雷特的“多宇宙”也被称为“平行宇宙”。在其他一些地方,也有过“多重宇宙”的说法,它们都是一个意思。

有了“多宇宙”,更容易解释的是量子力学里最最神秘的双缝干涉实验。

双缝干涉实验,在每一本中学物理教科书上都可以找得到,托马斯杨用这个著名实验证明了光的波动性。

量子力学发展起来以后,波粒之争再度掀起风云,有人想,如果用电子(或光子)一个个通过双缝,还会产生干涉条纹吗?

你说电子是波,当然应该产生干涉条纹啊,但问题来了,电子明明是一个个通过的,难道它自己和自己干涉了吗?

你说电子是粒子,那问题更大了,这个电子究竟走了哪条缝呢?

实验物理学家说:不要吵,是骡子是马,拉出来溜溜,做个实验验证一下不就完了吗?

随着实验手段的进步,还真有人做出了这样的实验,比如日本科学家外村彰给出的实验结果图案,如下图,分别为 11 个、200 个、6000 个、40000 个和 140000 个电子打在屏幕上出现的光点,可看出,随着电子数越来越多,屏幕上逐渐出现了明暗条纹。

单电子也能产生双缝干涉条纹,似乎已无争论,但好奇心强的人还是想弄明白,电子究竟走的是哪条缝呢?按照艾弗雷特的多宇宙理论,不用烦那么多了,因为根本就不需要“波函数坍缩”这个假设,就记住一点,在某些宇宙里面,电子走左缝,而另一些宇宙里面,电子走右缝。

太给力了!艾弗雷特用一个多宇宙的设定,一下子完美的解释了很多量子现象,EPR 佯谬、冯诺依曼的边界问题甚至波粒二象性,解释起来都一目了然了。更重要的是,量子力学终于摆脱了“观察者”这个空中楼阁,虽然多了很多宇宙,但终于回归了现实世界,很多人心里踏实多了,长舒了一口气。

1959 年,经过惠勒引见,艾弗雷特满怀憧憬来到哥本哈根,面见玻尔。谁能想到,这竟然成了一次“灾难性”的拜访,对于量子力学的老学究们来说,“多宇宙”已经不止是离经叛道,而简直是异端邪说了!事后,一位玻尔的追随者莱昂•罗森菲尔德(Leon Rosenfeld)说,艾弗雷特“愚蠢得难以形容,连量子力学中最简单的东西都无法理解。” 而艾弗雷特自己回忆起这个故事也说到:“(这次访谈)从一开始就注定是地狱……”

这次会晤让艾弗雷特心灰意冷,他离开了科学界,进入美国国防部,成为军事专家。后来又出来创业,竟然很快成了百万富翁。而他的“多宇宙”却几乎被丢进垃圾桶里,几乎无人问津。

到了 1970 年,德威特才从废纸堆里找出了艾弗雷特尘封已久的惊人设想,一下子获得了全世界的瞩目!这是后话。

艾弗雷特 70 年代末曾想过重返物理学界,1977 年应惠勒的邀请,他来到得克萨斯州奥斯汀做了一次演讲,很受欢迎,而艾弗雷特也见到了多年来一直帮自己理论做推广的德威特,以及后来一直帮多宇宙理论站台的惠勒的学生——多伊奇。惠勒也准备在加州为艾弗雷特建造一个研究所,但他却始终与多宇宙理论保持距离。后来艾弗雷特终究没能回到物理学界的中心,一直保持着“世外高人”的姿态,他自己仍然对他的孩子——“多宇宙”充满信心:“我必将因多宇宙理论而(在物理学史上)留名!”

1981 年,艾弗雷特因为心脏病去世,他的儿子后来回忆道:“艾弗雷特对多宇宙理论从未动摇过信念!”

“多宇宙”最为吸引人的是,它抛弃了“观察者”的特殊地位,每一个宇宙都是客观的历史和演化。诸如费曼、温伯格、霍金、盖尔曼等大牛,都曾经表示自己支持多宇宙的观点。霍金虽然曾经常开玩笑:“一听到薛定谔的猫,就想去拿枪。”但却多次表示,多宇宙“显然是正确的”。

也有不少大科学家旗帜鲜明的反对,比如贝尔、彭罗斯、斯特恩等。最为典型的反对原因是,为了一个电子,竟然如此兴师动众,引入这么多宇宙?这也太“杀鸡用牛刀”了吧?更何况,多出来这么多宇宙,能量守恒在哪里呢?

普林斯顿大学教授保罗 * 斯坦哈特有句著名的论断:“如果一个理论能提供所有可能的结果,那么任何实验都不能排除这个理论。”

与之类似,著名宇宙学家、科普作家卡尔萨根有一个“车库里的喷火龙”的段子:有人跟你说你家车库里有只喷火龙,但是它既看不见,也摸不着,用各种物理探测方法都无法检测得到,也对环境没有任何影响,它是一个永远无法推翻的命题。

科学哲学家波普尔曾经提出过一个非常重要的问题,也是现在科学界公认的一条黄金定律——一个学说只有具备可证伪性才应该被肯定。

难道多宇宙理论注定是一只无法被检测到的“喷火龙”吗?

前面提到,惠勒虽然一直和“多宇宙”保持距离,却在关键的时候跳出来为自己的学生站台了。早在艾弗雷特提交自己的博士论文的时候,惠勒就指出:“分裂”最好换成其他词,但后来由于大家口口相传,惠勒的提醒就此被遗忘了。

惠勒明显站在了更高的高度,他说并不是一个宇宙分裂成更多的的宇宙,而是这些子宇宙共同组成了一个“总宙”(Multiverse),可以认为这个总宙比子宇宙处于一个更高维的希尔伯特空间。比如我们的三维空间由无数平行的二维平面组成,这个总宙就是由无数平行的子宇宙组成,每一个子宇宙是总宙的一个切面(也许用切体、切时空更好)。我们可以用一个波函数来描述整个总宙的状态,这个波函数当然可以用薛定谔方程来描述,但这个方程不一定有一个解,比如双缝干涉,就有两个解,每个解投影到一个子宇宙。

按照这样的说法,就不是宇宙在不断“分裂”了,而是总宙在不断进行着演化。

我们可以用阿尔法狗下围棋来理解“总宙”的演化。

首先我们要理解,在阿尔法狗的“芯”里,没有棋盘上美妙的艺术棋型,也没有“野狐之魅”、“烂柯”等美丽的神话传说。它的“芯”里,只有一个问题:就是尽自己所能找出棋盘上的最优解。

当它准备落下第一步黑棋时,它似乎有 361 个选择,当然我们必须考虑棋盘的对称性,因此它实际上只有 55 个选择,也就是说棋局“分裂”为 55 种可能性。如果第一步并没有落在任一对称轴上,第二步白棋将有 360 种走法,也就是说棋局又“分裂”为 360 种可能性。以此类推……

懂了没?棋盘上的所有变化就是阿尔法狗“芯”里的“总宙”,每一盘棋局就是其中的一个子宇宙。每下一步,棋盘“总宙”就以可能走的变化发生“分裂”或继续“演化”。

棋盘太小,只争目数。相比之下,我们所在的宇宙则是一个巨大的存在,按照多宇宙理论,每时每刻都在发生着量子事件,也就是说,我们的宇宙每分每秒都在进行迅速的“分裂”或者“演化”,子宇宙的数目是我们想象不到的巨大数字。

我们至少可以想象,如果多宇宙理论成立,在其他宇宙里也存在过同样的“我”(也许应该用“他”)吗?那些“我”(或者“他”)还活着吗?他们(或者“我们”)是比我过的更好?

至于为什么会有很多的“他”,是因为在我的历史里发生了太多的偶然事件(量子事件),它们经过各种“薛定谔的猫”过程从微观放大到宏观,让我们所处的宏观宇宙“分裂”。在某些宇宙里,我们可能早已因为一些莫名其妙的原因而离开人世;还有一些宇宙里,我们可能因买了彩票而中奖,成为亿万富翁;我们也许正和自己的前女友在另一个宇宙里卿卿我我,有情人终成眷属……

我们至少可以得到一个结论,我们之所以是现在的自己,都是极其偶然的结果。

人是不满足的动物,如果存在平行宇宙,人就会想,在另一个平行宇宙里,我会不会过的更好?

著名科幻影片《蝴蝶效应》就展示了平行宇宙和蝴蝶效应交互作用的奇幻之处,只是影片中加了一个莫名其妙的设定:主角可以通过看日记回到过去。这不是主要的问题,我们就不深究了。在影片中,主角总是不满足于当下,于是想着改变过去,每改变一次导致他存在于另一个平行宇宙,可惜总是事与愿违,由于蝴蝶效应的存在,本来的好意到最后却产出了恶果。最终,心力交瘁的主角回到妈妈肚子里自杀,这个悲剧的结尾让人扼腕长叹。

类似的还有影片《罗拉快跑》、《土拨鼠之日》等。

我们还可以推想,既然存在天文数字的平行宇宙,那么在存在“我”的多宇宙里,可能有一些“我”更加落魄,也有些“我”则混得更好。比如某一次考试,本宇宙的“我”考了 90 分,而有些宇宙的“我”则瞎猫碰到死耗子,考了个满分,另一些“我”则倒了大霉,考了不及格。

继续联想下去,在某些宇宙里,“我”已经实现了当时的梦想,功成名就,位高权重也未可知。本宇宙的我多么想拥有那种体验啊!这就好比,如果人生好比一场游戏,可以 save and load 该多好,我总能 S&L 到一个最好的结果。说到这里,游戏里通过 S&L 而出现的不同存档不就是一种多宇宙的理解吗?

影片《彗星来的那一夜》中就有类似的情节,女主去到平行空间的另一个“她”的家,发现另一个“她”过得更好,于是将另一个“她”打晕,伪装成另一个“她”。

人生最多百年,在宇宙年龄面前,人生百年不过沧海一粟。如果把我们的视野放大到宇宙尺度,那会发现一个神奇的问题。按照多宇宙理论,从 137 亿年前宇宙大爆炸开始,我们整个宇宙早已 “分裂”或“演化”成天文数字的子宇宙。可以想象,在大部分宇宙里,可能根本不会有“我”,甚至连太阳系、银河系都没有。

所以, “总宙”本身就是随机的,天文数字的“子宇宙”就是随机的结果,我们处于哪一个子宇宙里本身就是“总宙”演化的结果。这就导致一个更加恐怖的推论:如果我们要问我们的宇宙为什么是这个样子,那是因为如果宇宙不是这个样子,你就根本不会在这里问这个弱智问题。这就是“人择原理”!

好了,多宇宙刚诞生出来的时候,显而易见的优点是它摈弃了“观察者”,让世界从哥本哈根的“唯心”回归唯物,然而经过我们的推论,却发现这竟然能会导致更加 “唯心”的人择原理。多宇宙理论至此遇到了它的最大危机:说来说去,平行宇宙之间没有任何关系,也就无法验证,这还能是科学的东西吗?至于人择原理,这已经不是科学,而是哲学,甚至是神学了!

要知道,现代科学兴起的起点之一,就是哥白尼的日心说取代了之前托勒密的地心说。从此,人类的家园在宇宙中再也不是一个特殊的位置,我们意识到了自己在宇宙中的“平庸”。在这之后,人类逐步认识到太阳、银河甚至本星系团也不过是浩瀚宇宙中不能再平常的一员。在这个基础上,人们总结出了“哥白尼原则”:人类在观测宇宙时并非处于一个特殊地位。这也叫做“平庸原则”!

原本妄自尊大的人类早已脱离了蒙昧的托勒密时代,认识了“平庸原则”,这是人类认知的伟大进步,在宇宙面前,我们更加谦卑,也更加理性。

现在,“人择原理”竟然告诉我们,不要提我们的地球、太阳系了,我们所处于的宇宙都可以说是为我们每一个人精心设计的,这是属于我们每一个人的宇宙!这怎能让自认为理性的人信服呢?

分裂也好,演化也好。多宇宙毕竟上升到宇宙级别,孰是孰非难以验证,总不能把宇宙放到烧瓶里蒸煮一番看看它的性质,也不能把宇宙重启几次,测试一下实验的可验证性。难道多宇宙只能作为一个思想实验,成为人们口中的谈资吗?

话说艾弗雷特的多宇宙有两个死忠粉,一个是麻省理工学院的泰格马克教授,另一个是惠勒的学生多伊奇。我们先说泰格马克,此君几乎活跃在理论物理所有的最前沿,而且经常抛头露面,活跃于各种科普科幻媒体,深为科幻迷所喜爱。他最得意的就是多宇宙理论,我们后面还要详述。

1998 年,宇宙学家泰格马克在论文中提到了一个“真人版”的薛定谔的猫——量子自杀实验。如果有一位勇士愿意为科学献身,而跳入箱子换回那只猫,将毒药换成手枪,只要原子衰变,手枪就砰的一声送他上西天。

问题来了,根据多宇宙,在一个宇宙中,主角死掉了,而在另一个宇宙中他还活着。那么,从这个人的视角来看,死掉的那个宇宙对他已经没有意义了,他还会继续活在另一个宇宙。也就是说,这个人本不会死。这就是“量子自杀”思想实验。

量子自杀实验把人作为观察者上升到了一个新的高度,把自己关进了“薛定谔的猫”的箱子里,用生命做赌注,去验证多宇宙理论。这这个黑箱里,自己既是观察者,又是被观察者,这会产生什么样的结果呢?

本文是辟谣帖,绝不希望大家 follow 泰格马克的恐怖思想实验。

如果这个人觉得“量子自杀”挺有意思的,还想继续玩下去,虽然枪声“咔咔”猛响,在这个人的宇宙里,放出的都是空枪,他会一直死不掉。

让我们继续开大脑洞,继续体会量子世界的奇思妙想,就会发现其实并不需要那么复杂,主角完全可以换一种更为“常见”的自杀方式,比如用刀抹脖子,由于刀和脖子也由一团符合薛定谔方程的原子组成,它也有极小的几率发生隧道效应,互相穿越。这听起来好像天方夜谭,但是按照量子力学的基本原理,这确实有可能发生,只是几率很小而已。也就是说,存在太多的子宇宙,在 99.99999……%的宇宙里,主角都自杀成功了,但他仍可能在某几个宇宙里苟且偷生。

好了,根据多宇宙理论,我们可以得到一个恐怖的推论:一个人永远不可能自杀成功,这叫做“量子永生”!

如果我们觉得光自杀太无聊了,可以设计一个更加“拜金”的实验,那就是每次自杀之前去买一次彩票,在买之前告诉自己如果不中奖就自杀,那按照这样的推论,几次之后,自己就应该成为亿万富翁了。

看看吧,有了多宇宙,生活太潇洒,只要敢玩命。

量子自杀实验已经是“玩命”了,因此只能停留在思想实验的层面上,科学家还是要找到一些可验证的客观实验。有科学家认为,虽然多宇宙一般认为是互相“平行”,但并非没有交集,可能会通过某种方式发生“弱耦合”,比如引力。这就给了物理学家们一些机会,可以设计一些实验,去搜索其他宇宙的线索。

1985 年,艾弗雷特的另一个死忠粉多伊奇在《国际理论物理杂志》上发表论文,指出可能有一种方法,可以通过先进的技术手段测量一个平行世界对另一个平行世界的微弱影响,这篇论文更大的意义宣告了量子图灵机的诞生。

量子图灵机,又称通用量子计算机。多伊奇相当于提出了一个量子计算机的抽象模型,在这之后,直到现在,量子计算机就如同一盏科技圣杯,简直是一种未来的奇迹,等待着人们去实现。

多伊奇在一本书里这样写道:“当我们使用量子计算机时,我们将不得不将所有可能的平行宇宙加在一起。尽管我们不能直接与这些平行宇宙接触,量子计算机可以利用在平行宇宙中的旋转状态来计算它们。”

原来,按照多伊奇的说法,我们是在用平行宇宙的计算力来实现本宇宙的量子计算。

波钦斯基(J. Polchinski)1991 年的一篇文章也支持这样一种观点,平行宇宙之间的交流在理论上是可行的。

在 1997 年普拉加(Rainer Plaga)在《物理学基础》发表论文,描述了一种可能的量子光学设备测试。文中提到建造一个离子阱,肼中存在一个孤立离子,对这个离子的量子测量将产生两个平行世界的,它们的区别仅仅在于是否能够探测到一个光子。由于 80 年代发现了“拉比振荡”,量子退相干的几率存在一定的周期性规律,两个世界之间的联系会存在一个时间窗口,也许是毫秒级,也许是纳秒级。不管怎样,只要人类的技术水平能够达到,就可以通过这样的实验验证多宇宙理论。

普拉加后来甚至表示,如果这种技术成熟,足以实现平行世界间的通信。可惜的是,普拉加的这篇论文一直到现在才仅仅被应用 9 次,显然无人问津。

2010 年前后,斯蒂芬 * 菲尼(Stephen M. Feeney)等科学家分析了威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)的数据,声称发现了证据,表明我们的宇宙在遥远的过去与其他平行宇宙相撞。

然而,对 WMAP 和后来的普朗克卫星(分辨率是 WMAP 的 3 倍)的数据进行了更全面的分析后,并没有发现任何有统计学意义的证据,表明存在这样的泡沫宇宙碰撞。此外,到目前为止,没有任何证据表明其他宇宙对我们的宇宙有引力作用。

总之,即使是现在,主流科学界对多宇宙理论仍然持观望态度。

比如 2007 年,诺贝尔奖得主温伯格就建议:“如果(要证明)多宇宙存在,最好能找到一个合理解释夸克质量的精确值,或者其他标准模型的常数。”言下之意,多宇宙应该先在现有物理模型里立功,而不是光搞一些虚无缥缈的幻想。

温伯格算是比较温和的批评者了,另一些著名的科学家就没那么客气了。著名宇宙学家、《上帝与新物理学》作者保罗·戴维斯(Paul Davies)曾于 2003 年在《纽约时报》发表观点文章《多元宇宙简史》,认为多宇宙理论是不科学的:“极端的多宇宙解释让人想起神学讨论。的确,调用无穷无尽的看不见的宇宙来解释我们所看到的宇宙的不寻常特征,就像调用一个看不见的造物主一样。”

2011 年 8 月,南非宇宙学家乔治·埃利斯(George Ellis)在《科学美国人》杂志上撰文《多元宇宙真的存在吗? ,指出多元宇宙并不是一个传统的科学理论。

埃利斯:“许多谈论多元宇宙的物理学家,尤其是弦论的拥护者,并不太在意平行宇宙本身。对他们来说,反对多元宇宙作为一个概念并不重要。他们的理论是建立在内部一致性的基础上的,人们希望最终能在实验室进行测试。”

埃利斯还指出,这(多宇宙)最终会让这些问题得不到解决,因为这是一个形而上学的问题,无法通过经验科学来解决。他认为观察性测试是科学的核心,不应该被抛弃。

“尽管我持怀疑态度,但我认为对多元宇宙的思考是一个绝佳的机会,可以反思科学的本质和存在的终极本质:我们为什么在这里……在看待这个概念时,我们需要一个开放的思想,尽管不是太开放。这是一条微妙的道路。平行宇宙可能存在,也可能不存在;这个案子还没有得到证实。我们将不得不忍受这种不确定性。以科学为基础的哲学思辨并没有错,这就是多元宇宙的提议。但是我们应该给它取个(准确的)名字。”

看了这么多大师的表态,你对多宇宙还有信心吗?

其实,从 20 世纪 80 年代以后,多宇宙在弦论等其他的新理论发展中起了很好的“启蒙”作用,让理论物理学家在思考的时候脑洞大开。在这些新理论中,又出现了许多不一样的多宇宙,下面我们就来看看这些更精彩的“多宇宙”!

如前所述,一些前沿科学给了忠于多宇宙理论的人更多的信心,也有人在多宇宙的道路上渐行渐远,最有代表的就是泰格马克。他总结了各种多宇宙理论,并把这些理论分成四个级别:

第一级:可观测宇宙的延伸

可观测宇宙直径为 730 亿光年,超出这个范围之外的宇宙,由于宇宙正在加速膨胀,我们已经看不到那里,可能永远也看不到。泰格马克认为存在着一个各态遍历的无限宇宙,每个角落里的物理定律都和我们这里一模一样,各种常数的大小也完全相同,但却存在着几乎无限多的子结构,每个子结构的物质分布都与我们所在的有所不同。这么多子结构一起,正是代表着整个宇宙的无限可能性。

按照泰格马克的估计,我们要航行 10 的 10 的 115 次方米(可不是 10 的 1150 次方哦,是 1 后面写 10 的 115 次方个零)后,才有可能到达其他的子结构。

第一级子宇宙(子结构)仍然相连。

第二级别:不同物理常数的宇宙

有科学家是如此解释宇宙的暴胀现象的,如同面包或者馒头的“发酵”,其中的气泡不断变大,这就是我们的宇宙正在加速膨胀。这样的宇宙也被称为“泡泡宇宙”,或者“口袋宇宙”。不同的“泡泡宇宙”在形成的时候可能会经历不同的自发对称性破缺,导致宇宙完全不同的性质,比如不同的物理常数。也就是说,在不同的“泡泡宇宙”里,物理定律可能完全不同。

相比于第一层级的宇宙,第二层“泡泡宇宙”相互之间并不相连,不然我们就吃不到面包啦~~

外星人玩弄多重宇宙

第三级别:量子力学的多世界解释

泰格马克将艾弗雷特原始的多宇宙理论放在了这个层级,理由是::“一级和三级之间的唯一区别就是你的二重身份(另 n 个你)住在哪里。在第一级,他们生活在和我们同一个宇宙的其他地方,这个宇宙所有地方的三维结构性质一样,并且相互连通。而在第三级,它们生活在无限维希尔伯特空间的另一个量子分支上。”

第四级别:终极合奏

这是泰格马克自导自演的多宇宙终极演出!

泰格马克认为,宇宙中最基本的乃是数学的形式逻辑,一切、万事万物,甚至宇宙的终极规律(TOE,Theory of everything)都可以用数学来描述。原来,竟然存在某一些宇宙,那里的数学都和我们不一样,在那里,1+1 不一定等于 2,π也不一定等于 3.14……,这样的宇宙会是一番什么样的形态?那里可以诞生生命吗?

这也难怪,一些科幻小说里面也借鉴了这一点,竟然可以改变宇宙的数学规律,对敌人进行数学打击!

无独有偶,科学家格林写了一本科普著作《隐藏的现实》,其中对各种各样的多宇宙理论进行总结,他竟然整理出 9 种多重宇宙!

一、衍缝宇宙

和泰格马克第一层类似,无限宇宙中存在各个子空间。

二、暴胀宇宙

和泰格马克第二层类似,宇宙暴胀导致某些部分如同气泡一样出现一些新的小宇宙。

三、膜宇宙

格林是弦论发展史上的核心人物之一,按照弦论的假设,我们的整个宇宙如同一张膜,这张膜漂浮在一个更高维度的空间里。在这个高维空间里,还有其他膜,对应于其他的宇宙。每隔几万亿年(可能更久),由于引力或其他我们不了解的力的作用,膜就会相互碰撞和撞击。当它们碰撞时,产生的能量足以引发大爆炸。

按照这个理论,我们今天看到的物质和辐射是在最近一次碰撞中产生的,驱动宇宙膨胀的暗能量就对应于膜之间的作用力。也许未来由于膜之间作用力的变化,暗能量也可能驱动宇宙收缩。

四、循环宇宙

提出宇宙常数的爱因斯坦早年曾是稳态宇宙的支持者,在哈勃发现宇宙膨胀以后,他在 1930 年提出一个宇宙振荡理论,认为宇宙遵循一系列永恒的振荡,每一次振荡都以大爆炸开始,不断膨胀,直到物质的万有引力使其反弹收缩并最终以大坍缩结束,之后开始下一次的大爆炸。

下一次的宇宙是我们这一次宇宙的情景再现吗?还是会产生一个各态遍历的其他形态的宇宙?

著名科幻作家宝树“狗尾续貂”的成名作《三体 X》在结尾处就用到了这个循环宇宙理论,在宇宙“重启”之后,作者的乐观情绪让下一次宇宙比我们这一次更加美好,伟人没有启动红岸计划,也就没有人去宇宙广播;三体星人获得了一个美丽的世界,无需为生存问题而侵略太阳系;最终读者惊奇的发现,原来屌丝云天明就是《三体》的作者刘慈欣。那么问题来了,究竟孰为真孰为假?难道《三体》描述的是上一次宇宙吗?

五、景观宇宙

按照弦论,需要 10 个维度,之所以我们看不到多余的 6 个维度,是因为它们蜷缩起来了。这个“隐藏”起来的 6 维空间叫做丘成桐 - 卡拉比空间。原来,我们的宇宙竟然是这番景象,在最微小的地方,竟然存在着一个又一个卡丘 6 维空间。每当你一挥手,你的手不仅穿过了我们熟知的 3 维空间,还拂过了无数个蜷缩的卡丘 6 维空间。

还记得我们之前提过的“泡泡宇宙”吗?每个泡泡都有其独特的物理定律,然而格林告诉我们,我们应该认识到,这些泡泡都是十维的(也许应该说,和我们宇宙平级的泡泡)。我们这个十维泡泡还可能发生量子隧穿,形成一个宇宙学常数更小的宇宙,新宇宙得到了额外的维度,膨胀速度更慢,也就变成了泡泡里的泡泡。这被叫做景观宇宙,相当于把第二级宇宙又变出了多个层次,我们的宇宙也只属于其中一个层次而已。

六、量子宇宙

就是艾弗雷特的多宇宙理论。

七、全息宇宙

如今,全息摄影技术已经司空见惯,在二维的照片上,可以看出三维的立体效果。

谁能想到,我们可能就生活在一个二维的宇宙中呢?

你可能觉得这太震撼了,怎么可能呢?我们已经习惯了一个三维的世界,前后、左右、高低,一切都太熟悉了。现在你告诉我其实并没有那么多维度,你要我如何相信?

这个灵感来自对黑洞的研究,按照某些为了调和量子力学和广义相对论的新兴量子引力论,比如弦论和 M 理论,所有落入黑洞的物体的信息被完全包含在视界的表面波动中。也就是说,三维的物体和视界二维球面(也许是其他形状)上的信息可以一一对应,也就可以相互转换。在数学上,记录和投影可以说是等效的,这完全可行。

那么问题来了,三维和二维,究竟哪个是真实的?

八、模拟宇宙

我们的宇宙其实处于一个计算机模拟的系统里,很多科幻影片里提到了这一点,比如《黑客帝国》,除此以外,“缸中之脑”这种 point 也可以算作这种宇宙。

九、数学宇宙

和泰格马克的第四级宇宙类似。


这里小结一下,

1, 多宇宙理论源于对量子佯谬——“薛定谔的猫”的解释,是众多对量子力学本源问题的解释之一。

2, 多宇宙理论在得到明显的观测证据之前,只能称得上是一个科学猜想,并不是一个经得起考验的科学结论。

3, 多宇宙理论在最新的物理学理论发展中发挥了重要作用,因此是最受关注的科学猜想之一,我们期待着它能够启发更多物理学家(不管是作为经验还是教训),推动科学界最前沿的发展。也许,宇宙的本源比我们的想象更加精彩!


彩蛋:

看完权威们的故事,我们再看看非专业人士的想法,我们惊喜的发现,多宇宙理论在民间的接受度更高。

1995 年,在一项对 72 名“主要宇宙学家和其他量子场理论家”进行的民意调查中,竟然有 58%的人认同多宇宙理论是对的。

多宇宙理论的死忠粉泰格马克也提过,在 1997 年的一次量子力学研讨会上,曾经进行过一项“非常不科学”的民意调查,多宇宙理论排名第二,仅仅落后于哥本哈根解释。

在 1998 年的剑桥大学量子计算会议上,有大约 200 人观众接受了调查,多宇宙理论几乎和哥本哈根解释相当,仅差几票,屈居第二。

多宇宙理论也曾遭受过冷遇,2005 年,滑铁卢量子计算大学研究所在一堂量子力学课程结束后,对不到 40 名学生和研究人员进行了一项调查,结果发现多宇宙理论是最不受欢迎的。

2011 年在奥地利的一次会议上,33 名参与者参与了一项民意调查,其中 6 人支持多宇宙理论, 14 人支持哥本哈根解释。

从多次投票结果来看,哥本哈根解释仍稳固的统治着量子帝国,多宇宙理论却一直试图撼动它的地位,也是最最有望的!

然而,又有谁相信,科学是由投票来决定的呢?