怎麼證明多重宇宙存在，如果它不能靠實驗和觀測來驗證？

物理學家之所以覺得多重宇宙理論煩人，不是因為它讓我們的宇宙變得無窮無盡又無法預測，而是因為在這一假說中，物理定律不再具有普適性，而是淪為偶然的特例。

撰文 Tasneem Zehra Husain

翻譯 李一冉

審校 丁家琦

「你是怎樣看待多重宇宙的呢？」吃飯前，在餐桌上，忽然有人問了我這個問題。它的出現使我措手不及——之前也有人問過我關於多重宇宙的問題，但解釋一個理論的原委與說明你對這一理論的看法是完全不同的兩件事。我可以說出所有有關多重宇宙的基本觀點，並且列出一些可以用多重宇宙理論來解釋的問題，也就是說，我可以自如地講述事實、解釋理論，但是我卻在抒發個人感受方面遇到了困難。

在物理學領域中，我們通常不應該談論自己的主觀感受。我們是科學家，我們要嚴謹，採用定量分析方法，以觀察或實驗為依據來分析判斷。但是，即便是最嚴謹的分析，也需要先決定要追尋的方向之後才開始。在一個領域誕生伊始，會出現諸多可思考的觀點，這些觀點各有各的長處，不過通常來說，我們只能追尋一個。這種選擇是怎麼做出的呢？這就是所謂的「直覺」——是由一種超越邏輯的感性因素所引導的。你為自己選擇了某一觀點作為立場，而正如斯坦福大學的物理學家、弦理論創始人之一萊昂納爾·薩斯坎德（Leonard Susskind）所言：「這一選擇超乎科學事實與哲學原理，它體現的是科學品位，或者說科學鑒賞力。科學品位同其他方面的品位一樣，都涉及到人們對美的感知能力。」

我自己是研究弦理論的，弦理論的一大標誌便是認為廣袤的宇宙空間中存在著許多極為相似的宇宙，而不是只有我們所存在的這一個宇宙。既然我們的這個宇宙可以誕生並演化出生命，同樣的過程也可能創造出其他的宇宙，甚至生命，甚至會出現無窮多的宇宙，在那些宇宙中，一切都可能發生。這個觀點的邏輯出發點是我所熟知的領域，我可以通過在紙上推演方程得到這個特殊的結論，但是，儘管我承認在數學上多重宇宙理論是一個自然的結論，我無法想像它怎麼走出理論的象牙塔，成為物理現實中真實的存在。在這樣的情況下，我怎麼能夠接受「世界上有無數個我，分別存在於不同的平行宇宙中，作出相同或是不同的選擇」這樣的事實呢？

對於多重宇宙理論懷有矛盾心理的並不止我一個人。一些當代最傑出的科學家仍舊在多重宇宙的問題上爭論不休，他們的觀點呈現明顯的出兩極化分布。畢竟，對於多重宇宙的爭論不是關於某一理論細節的分歧，這是一場關乎一系列重大哲學觀念的辯論：關於同一性及其影響，關於什麼叫做「解釋」與「證明」，關於我們到底應該如何定義科學，以及爭論這些問題到底有沒有意義。

浩瀚無垠的星系：像圖中草帽星系這樣的星系，填補了我們可以看到的最遠處的空間，也許比我們想像的還要遠。圖片來源：NASA/ESA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

無論何時，當我談及多重宇宙理論時，都會涉及一個不可避免的問題：我們到底是生活在一個宇宙中呢，還是生活在多重宇宙中呢？關於這個問題，其實我已經知道了確切的答案：為分辨我們是生活在單一宇宙中還是多重宇宙中，所需的測量尺度已經大得遠遠超出我們的想像，也就是說，不論我們生活在哪種宇宙中，我們的生活都會如常進行。但既然這樣，宇宙的多重與否和我們又有何關係呢？

有關係，有重大關係。這個問題的重要性在於，我們位於何處會影響到我們對自身的定義。所處位置的不同會產生不同的反應，導致不同的可能性，即便是相同的對象也會因其所處背景的不同而看起來截然不同。在很多的情況下，甚至很多我們自己都沒意識到的情況下，我們是由我們所居住的空間塑造的。宇宙是浩瀚無垠的。它囊括了我們所處的每個場景，每個環境，它代表著我們能達到的所有可能性的總和。

眾所周知，測量結果僅僅在特定的參考系中有效。如果一個數字沒有單位，它就無法被賦予具體含義，而即便是像「很遠」、「很小」、「很奇特」這樣模糊的表述也需要設置參考系：「很遠」需要引入一個原點；「很小」應參照一定的數值範圍，「很奇怪」需要有對上下文含義的暗示。這些假設的「參考系」不像單位那樣被嚴格指定，但我們對事物（如物體，現象，實驗）的描述都是憑藉著這些不可見的參考軸進行校準的。

如果我們發現我們所了解的一切，我們所能知道的一切，都只不過是多重宇宙中的一個部分，而這一切的基礎建立於我們的坐標系之上的話，即便觀察結果沒有改變，其實質也會發生改變。換言之，哪怕其他宇宙的存在可能不會影響到我們在儀器上測得的數據，它們也可能從根本上影響著我們解釋理論的方式。

在多重宇宙理論中，第一個難點便是多重宇宙的廣袤程度。它比人類以前處理過的任何事物都要大得多——這一點從它的名字「多重」宇宙中就可以看出來。如果說多重宇宙給人帶來的強烈震撼源自於它讓人類更加感受到自己的渺小，這是可以理解的。不過，與多重宇宙的其他諸多驚人性質中，「大」已經算是最稀鬆平常的了。

歐洲核子中心（CERN）理論物理小組的帶頭人吉安·朱迪切（Gian Giudice）的觀點可以代表大多數物理學家：「只要仰望天空，我們就會認識到自身的渺小性。即便多重宇宙是真的，我與浩瀚宇宙在度量上的差距也不會有任何改變。」事實上，宇宙的龐大和個人的渺小甚至讓許多人得到了慰藉，而非煩惱，因為一把自己放到廣袤的宇宙中，我們所有人的煩惱，日常生活的所有事件，都幾乎不復存在。正如物理學家勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）所說：「我們在地球上發生上的一切都與宇宙不相關聯。而我對此覺得很欣慰。」

從哈勃空間望遠鏡發回的令人驚嘆的照片，使得奧克塔維奧·帕斯（Octavio Paz）創作出詩篇《廣袤的夜空》（The Enormous Night），使得蒙蒂·派森（Monty Python）在《銀河之歌》（Galaxy Song）中唱到「當生活讓你感到萬分沮喪」，這些有著羅曼蒂克風格的作品都與我們意識到自身的渺小性相關聯。可以說，在歷史中的某個時刻，我們已經認識到了自身的渺小性。

如果不是因為我們害怕多重宇宙的廣袤，那我們抗拒多重宇宙的觀點，是不是因為它囊括了諸多我們看不見，甚至永遠也看不見的世界呢？這也確實是我從同事那兒最常聽到的抱怨。強烈反對多重宇宙論的物理學家喬治·埃利斯（George Ellis）和強烈倡導多重宇宙論的英國宇宙學家伯納德·卡爾（Bernard Carr）在一系列引人入勝的討論中就探討了這一問題。其中，卡爾認為，他們最根本的論點分歧在於「什麼樣的科學特徵才能被視為是神聖不可侵犯的」這一問題上。

就科學的傳統而言，實驗是檢驗真理的唯一標準。如果實在不能做實驗，比較觀測是一個可以接受的替代手段：天文學家不能操縱星系，卻可以在數百萬光年外以不同的方式和步驟來觀測它們。然而，這兩種方法都不適合多重宇宙理論。那麼，是否可以由此得出多重宇宙理論是位於科學領域之外的結論呢？

弦理論的創始人之一薩斯坎德為此給予一種令人信服的解釋。他認為，除了實驗和觀測之外，還有第三種用於實證科學的方法：由我們看到的事物來推測出看不見的事物和現象。要想證明多重宇宙存在與否，我們完全不必去遠至因果不連續的時空區域來尋找例子，類似的例子可以考慮亞原子粒子：我們永遠都不可能觀測到單獨的夸克，它們永遠三個三個地被束縛在一起，形成質子、中子及其他粒子，但我們誰都不會否認夸克的存在。薩斯坎德說：「到目前為止，夸克依舊隱藏在神秘的面紗。雖然至今為止，沒人觀測到單獨存在的夸克，但從來沒有人對夸克理論的正確性提出質疑。夸克已經成為現代物理學基石的一部分。」

由於我們的宇宙現在正在加速擴張，目前位於我們視線範圍內的星系將會很快地被推到視線範圍的邊緣。我們不會因為這些星系超越了我們的可見範圍就認為它們不存在，正如我們不會因為一艘船越過地平線以後就不存在了一樣。而如果我們承認星系可以存在於我們的觀測區域之外，那其他事物怎麼就不能存在於可觀測區域之外呢？比如那些我們從未見過，也永遠不會看到的事物？一旦我們承認在我們視線範圍之外的區域有事物存在的可能性，這種影響就將呈指數級增長。英國皇家天文學家馬丁·里斯（Martin Rees）將這一推理比作心理學中的厭惡療法：一旦我們承認在超出我們視線之外有星系的存在，就像容許了一隻小蜘蛛從很遠處爬過，但只要承認了這一前提，在不知不覺中你就認可了無窮多個與我們所在的宇宙完全不同的宇宙存在的可能性——到那時，你會發現自己周邊已經爬滿了大個的狼蛛。

就我個人而言，從任何方面來說，缺乏直接的實驗對象並不會影響一個理論成為好的物理學理論。因此，無法實驗驗證這一點並不是我抵觸多重宇宙理論的原因。

接受多重宇宙理論的另一個難點在於，它挑戰了我們最珍視的信念——獨特性。這一點會是我們困擾的根源嗎？正如塔夫斯大學的宇宙學家亞歷山大·維連金（Alexander Vilenkin）所解釋的，無論我們的可觀察的區域有多大，只要它是有限的區域，它就只能包含有限數量的量子態，每一個量子態都獨一無二地對應著相應的宇宙空間。因此，如果存在無限多這樣的宇宙空間，那麼總有一些宇宙所擁有的特定內容同時被其他宇宙所擁有。也就是說，我們所在的這個世界，乃至這一世界的每一處細節，都可能被其他的宇宙複製。這意味著，你再也不是獨一無二的，很可能在其他宇宙中，存在著千千萬萬個你。

一切都可能發生：在多重宇宙中，可能性就是事實。圖為芭蕾舞女演員瑪戈·芳廷（Margot Fonteyn）的多重曝光照片。圖片來源：Hulton Archive

維連金說：「這些『複製品』的存在的確令人沮喪，儘管我們的文明有諸多缺點，但我們至少可以宣稱我們的文明是獨一無二的，就像一件藝術品一樣。但是現在我們不能再這樣說了。」我明白他的意思，這一點也深深困擾著我，但這一點可能仍然不是我不滿的根源。正如維連金沉思後所言：「我還沒有自大到認為自己能主宰客觀現實的地步。」

對於我來說，多重宇宙之爭的焦點，或許在於一個奇特的諷刺：雖然多重宇宙將我們的物理世界的概念擴大到了難以想像的程度，但這一理論本身卻是極其狹隘的，因為它從外部限制了我們能獲得知識的範圍以及我們獲取知識的能力。我們這些理論物理學家夢想著生活在一個有規律的世界裡，該世界不存在任何任意性，且其中的規則是完備的。我們的目標是找到一個邏輯嚴密、約束嚴格的自洽性理論，這種理論只能擁有一種獨一無二的結構，即便我們不知道這個理論從何而來，緣何產生，屬於這一理論的結構都不會任意改變。如美國加利福尼亞大學伯克利分校的物理學家拉斐爾·布索（Raphael Bousso）所言，自然界所有的基本常數都應該由數學、π和2構成。

愛因斯坦提出廣義相對論以後，世界各地的物理學家都驚嘆於其非凡而持久的美。廣義相對論方程中的對稱之美是如此清晰，以至於這一理論看起來自然而然、水到渠成的。物理學家也想把廣義相對論的成功複製到其他物理學領域，但是到目前為止都失敗了。

為什麼宇宙的基本常數非得是這幾個值呢？幾十年以來，科學家們一直在尋找原因，但是迄今為止沒有人找到。事實上，如果使用現有理論去推測一些基本常數的可能值，得出的結果與測量所得結果相去甚遠，簡直到了可笑的地步。但我們該到底應該如何解釋這些常數呢？如果只有一個獨一無二的宇宙，那麼掌管著宇宙結構的常數必定具有其特殊意義。如果它們的值不是完全隨機產生的，背後就必定會有一些緣由，甚至是一些有意為之的「設計」。

這兩種方式都讓人不太滿意。作為科學家，我們花費畢生去追尋規律，只因我們相信諸事的發生皆有原因，即便我們不懂其中道理；我們探尋模型，因為我們認為宇宙中存有秩序，即便我們不曾看到。在這種世界觀下，不存在純粹而隨機的可能性。

但如果說這一切的背後有著某種「設計」，這種想法也並不受人歡迎，因為這就意味著有一種超越自然規律的存在。這種「存在」必須能行使選擇和判斷的職能，而宇宙不像廣義相對論的體系那樣嚴格平衡、緊密限制，它是絕對任意的。而如果在邏輯上可能存在好幾種宇宙，而其中只有一個能被實現，這可不那麼令人滿意。如果是這樣的話，那就如宇宙學家丹尼斯·夏瑪（Dennis Sciama）所說，就好像有某個人看著一張清單，然後說「這個宇宙不要，這個宇宙也不要，要不就選這個吧」。

就我個人而言，這種場景讓我十分難過。就像老電影中孤兒院的一群孤兒中只有一個被收養，或是眾多追尋夢想的人中絕大部分都沒有實現，或是一個胎兒在孕早期就經歷了流產……這些事物差點就能誕生，卻無緣無故地夭折，這怎能不讓人痛苦不已呢？除非有一個理論上的限制條件可以排除其他所有的可能性，只留下唯一的一個解，否則這類選擇無論如何都是苛刻而且不公的。

如果真的有某種高於宇宙的存在可以任意決定宇宙的生死，我們該如何擺脫這些不必要的痛苦呢？由於這些在哲學上的，倫理學上的以及道德的考量不屬於物理學的範疇，大多科學家都不太願意去評論它們，但諾貝爾獎得主史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）寫道：「關於我們的生命究竟是不是被一位好心腸的造物主所創造的，這一問題需要留給你自己去回答，每個人的答案可能都不一樣。我自己的生活一直比較順遂，但我也曾目睹我的母親痛苦地死於癌症的折磨，我父親的人格被阿爾茨海默病所摧殘，我眾多的猶太表兄弟姐妹們死於納粹的大屠殺。從這些角度上看，又怎麼能說造物主是仁慈的呢？」

面對苦痛，隨機性的因素遠比有意的安排更容易讓人接受。

而多重宇宙則給了我們第三種選擇：苦痛既不是隨機落到我們頭上的，也不是由某一位造物主任意指定的，在別的宇宙中我們可能有著不同的人生，這就把我們從苦痛的折磨中解放了出來。

不過，物理學家並不是為了這個目的而創造出多重宇宙理論的。多重宇宙這一想法誕生於其他的思路之中。為了解釋我們所看到的宇宙為何如此光滑平坦，科學家提出了宇宙暴脹理論。「我們當時正在尋找一個簡單的理論來解釋為什麼宇宙看起來像一個大氣球，」來自斯坦福大學的物理學家安德烈·林德（Andrei Linde）說，「並沒有意識到這個理論會帶來什麼別的東西。」這裡的「別的東西」就是指我們意識到我們的宇宙大爆炸並不是獨一無二的，並且事實上應該有著無限多的大爆炸，每一次的大爆炸都會創造出一個獨立的時空域。

隨之而來的就是弦理論的誕生。弦理論是我們目前所擁有的所有理論中，最接近大統一理論的一個，因為它不僅實現了萬有引力和量子力學的統一，還進一步支持了它們。但是，弦理論面臨著一個非常令人尷尬的問題：我們不知道如何確定大自然基本常數的準確值。目前估計約有10^500種可能的選擇——這個數字大得不可思議，以至於我們甚至都還沒有為它命名。弦理論列出了物理定律可能採取的所有形式，而宇宙暴脹學說創造了一種實現它們的方式。隨著每個新宇宙的誕生，一副虛擬的卡片被重新洗牌，而上帝之手決定了管控這一宇宙的定律。

多重宇宙理論解釋了我們方程中所用的常數的值是如何得到的，而不需要調用隨機性或者有意識性的設計。如果本來就有極多的宇宙，其中包含了所有可能的物理定律，那麼我們測量出的那些值也只是因為這就是我們宇宙所在的空間而已，不需要有更深入的解釋。僅僅如此。這就是答案。

不過，儘管多重宇宙理論將我們從此前的兩難困境中解放了出來，但它還是留下了深深的不安。我們花了這麼長時間去思考這些問題，但多重宇宙理論僅僅告訴我們：它既如此。物理學家儘力了，但這個回答不是我們所熟悉的那種答案，它無法解釋解釋事物的工作原理。更重要的是，它破壞了理論物理學家的夢想：它告訴我們，我們永遠無法找到那有且唯一的解，只因為有且唯一的解並不存在。

有些人不喜歡這個答案，還有一些人認為它沒有資格被稱為答案，不過還是有一些人接受了它。

多重宇宙的堅定反對者、諾貝爾獎得主戴維·格羅斯（David Gross）認為，接受多重宇宙理論相當於舉手投降，接受你永遠不會真正理解任何東西這一現實，因為你看到的所有東西都能歸因於一個「歷史意外」。另一位諾貝爾獎得主傑勒德·特·胡夫特則坦言自己不能接受在眾多宇宙中總能找到一個和我們生活的宇宙一模一樣的宇宙這一想法。他說：「這同我們此前研究物理學的方式大不一樣，不過我們將來或許還能找到更好的解決辦法。」

普林斯頓大學的宇宙學家保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）則把多重宇宙理論貶低為「任何事物的理論」（Theory of Anything），因為它允許了一切事物的產生，卻沒有解釋任何事物。「一種科學理論應該是具有選擇性的，」他說，「它所能排除的事物越多，它就越有用。如果它囊括了所有可能的事物，那麼它就不能排除任何可能的事物，換言之，它完全沒有用。」斯坦哈特是宇宙暴脹理論的早期領導者之一，但他意識到這一理論會帶來多重宇宙，從而引出一個擁有無限可能的空間，卻不能作出具體預言的理論時，就果斷退出了。現在，他已經成為暴脹理論的知名反對者之一。在最新一期的Star Talk中，他稱自己支持一切非多重宇宙的理論。「多重宇宙理論到底對你做了什麼，讓你產生如此深仇大恨？」主持人開玩笑說。「它毀了我最喜愛的想法之一。」他回答道。

物理學理應是真實的，絕對的，以及可預測性的。事物要麼為真，要麼不是。理論也不應該是有彈性或者包容性的，反之，它應該是強制性的、嚴格的，對不符合它的事物不屑一顧。好的理論，能夠在給定的條件下預測出可能的結果，在理想的情況下甚至還能預測出獨一無二、必然發生的結果。然而，多重宇宙理論什麼也給不了我們。

星系之外：圖中那個不太起眼的斑點是通過可見光和X射線觀察到的Abell 2029星系團。這類星系團是我們宇宙中最大的結合結構。

有關多重宇宙的辯論有時會變得十分激烈，懷疑多重宇宙的人甚至有可能指責多重宇宙理論的支持者是背叛了科學。但是更重要的是，我們應當意識到，沒有人會願意主動選擇多重宇宙理論。（吶，發生這種事情，大家都不想的。）我們都希望我們的宇宙是由美麗而深刻的原理交互著有機地組成。但是到目前為止，我們可以說，很不幸，宇宙不是我們所想的這樣。但宇宙本是如此。

有關多重宇宙的論調一定是消極的嗎？這一理論非得是最優選擇不存在的情況下的妥協嗎？我的許多同事也在嘗試替多重宇宙理論說點好話。比如，從邏輯上講，多重宇宙理論比單一宇宙理論更簡單，也更好解釋。就如夏瑪所言，多重宇宙理論「在某種程度上滿足了奧卡姆剃刀原理，因為它能最小化你對宇宙的隨意約束」。溫伯格也說，一個沒有任何前提條件並且不用仔細調試以使它符合觀察結果的理論，就其本身而言就足夠美麗了。他說，這種美可能與熱力學之美類似——熱力學之美是一種統計上的美，它解釋了宏觀世界的狀態，但是這種美不屬於其中的每一個個體。「你在探尋美的時候，肯定不能事先就知道自己會在哪裡發現它，也不能事先知道即將發現的美是什麼樣子的美。」溫伯格說。

有幾次，在思考這些重要的科學問題時，我的思緒不禁想到了安東尼·德·聖埃克蘇佩在《小王子》中展現那種樸素又美麗的智慧。小王子曾經認為他心愛的玫瑰花是世界上獨一無二的，但他隨後就看到了一片玫瑰花圃中。他因為內心的這種背叛而思緒紛繁，並且因為這一損失而悲傷——為他的玫瑰花和他自己，不禁流下淚來。最終他意識到，他的玫瑰花「比世界上無數的玫瑰花都要重要」，只因為她屬於他，她馴服了他，她是他獨一無二的玫瑰花。

我們的宇宙沒有什麼特別的，除了這一點——它是我們的。但這一點還不夠嗎？即便我們的全部生命，我們知道的一切的總和，在宇宙中都顯得微不足道，但它們依舊是我們的。不管是此時，此地，還是我們，都有著獨一無二的意義，因為意義畢竟是由我們來賦予的。

http://cosmos.nautil.us/feature/103/even-physicists-find-the-multiverse-faintly-disturbing

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