多元宇宙的危機你知道嗎？

在一個無限的多元宇宙中，物理將再也無法幫助我們理解未來。

物理學家們總想將所有基本物理法則搞清楚，企望毫釐不差地對我們所處的物理世界做出預言。比方說根據一條用以解釋為什麼希格斯粒子的質量只能是125千兆電子伏而不是其他數值的物理法則，我們便能推導出其它新粒子的質量，比如暗物質。然而，現在看來，這個想法實在是太天真了。我們的「明星理論」——弦理論就從不做任何「預言」，而只留給我們「遐想空間」。這些「遐想空間」都擁有其各自的可觀測物理學常數，它們在這個無限膨脹的多元宇宙中都是物理上可實現的。

那是不是說弦論就不可被觀測呢？如果說多元宇宙足夠大並足夠多元，以至於在某些區域暗物質是由輕子構成的，而在另一些區域則是由重子構成的，那我們該如何預測自身所處區域的性質呢？事實上，弦論之所以引髮長期爭議也是因為這個原因。如果一項物理理論無法對現實世界做出預測，那麼它頂多只能算是一種物理現象。

但其實多元宇宙論中還有一點爭議是常被忽略的。宇宙學研究是需要對現實宇宙做出預測的:基本物理法則能讓我們推知過去，預言未來。所以無論我們做出何種預言，我們都需要清楚地定義出其基態。但對於宇宙而言，何為基態呢？又是什麼決定了宇宙的基態呢？這就好比經典哲學中關於世界本源問題的討論了。

為此多元宇宙論給出了它的回答：它並不是預言的敵人，而是朋友。

解決問題的關鍵就是做概率預測。通過計算多元宇宙中哪些是小概率事件，哪些是大概率事件，我們可以做出相應的統計學預測。這在物理研究中並不是什麼新鮮事。就好比我們研究一個箱子中的氣體的運動狀態，儘管我們無法跟蹤每一個氣體分子的運動軌跡，但我們可以精確地計算出氣體整體的運動狀況。對多元宇宙的研究，我們要做的就是開發出一套類似的統計學研究方法。

對此我們可以有三種理解。第一，儘管多元宇宙非常大，我們很可能只能探索到其部分區域的部分狀態，就好比之前所描述的一個箱子里的氣體。這種情況下我們可以對宇宙做預測，因為它的初始狀態轉瞬即逝，已無須考慮。第二，我們或許可以窮盡多元宇宙的無限多種狀態，包括其初始狀態，但這樣的話在了知其初始狀態之前我們就無法做出任何有效預測了。最後一種，我們雖可以探索到多元宇宙的無限多種狀態，但由於宇宙自誕生起就在持續的膨脹中，所以今天我們已無法了解到其初始狀態了。

但總的來說，第一種理解是獲得最多物理學家們認同的，因為我們已經有了十分完備的統計學理論作為研究基礎。但不幸的是，基於統計學理論做出的預測與我們的實際觀測數據並不相符。至於第二種就更麻煩了，因為我們現階段的物理法則還不足以讓我們了解宇宙誕生之初的情況。反倒是最後一種理解現在看來最有希望了。

不過它仍舊面臨不少難題。其根本就在於多元宇宙的時空處於持續膨脹狀態。這導致了眾多悖論和謎題的產生，以至於我們必須革新現有的物理學才可能取得突破。

基於統計學的宇宙學研究最早可以追溯至1895年，奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼發表的一篇論文。儘管他當時的論述是錯誤的，但從其錯誤中我們可以找到現處困境的問題根源。

玻爾茲曼基於其對氣體的研究得出了一個大膽的推斷。如果我們要得出某氣體的精確狀態，那麼我們就需要知道其中每一個氣體分子的狀態。這是不可能的。但我們可以測量並據此預測出氣體的一些宏觀性質，包括溫度、壓強等。

烹煮氣體

儘管你無法得知每一個氣體分子的運動狀態，但你卻能幾近精確地預測出氣體整體的狀態。只是當你將類似的研究方法應用到一個持續膨脹的宇宙中時，它卻失效了。

統計學給我們提供了一個簡便的研究方法。當一個分子不斷地無規則運動時，它們能以任何可能的方式不斷地重組或再重組。這樣將使氣體的最初運動狀態難以被探測，也就讓我們有了忽略其初始狀態的可能。因為我們無法跟蹤所有分子的位置，它們又一直處於運動狀態，所以我們就假設它們出現在任意位置的可能性是相等的。

這為我們提供了一個估測氣體某一粗粒度（宏觀）狀態的方法：我們只需計算某一宏觀狀態下的連續微觀狀態。舉例來說，相比起在某個角落裡聚集成團，氣體分子更可能是均勻分布在整個箱子中的，因為只有在非常罕見的情況下氣體分子才會聚集在箱子的一角。

若應用此方法研究，儘管合和得出的所有可能性將非常多，但它必須是有限的，否則這個系統將永遠都無法計算出所有狀態。在一個盒子中的氣體，這一有限性是由量子機制的不確定性決定的。因為每一分子的位置不可能被精確地測量出，所以該氣體只有限種組態。

最初聚集一團的氣體隨後很可能會四散開來，原因很簡單：統計學數據顯示它們四散的可能性比聚集的可能性高。如果這些分子的原初組態是一種非常罕見的狀態，那麼經過不斷地無規則運動後，它們會趨向一種更普遍的狀態。

一瞬間，那團旋動的雲霧便幻化成了人

但當我們考慮到時間維度時，我們對於氣體的直覺認識很可能會被改變。如果我們讓盒子中的氣體存在足夠長的時間，一些不常見的狀態很可能會出現。最終它們會出乎意料地聚集於盒子一角。

基於此，玻爾茲曼發表了他的宇宙推論。我們的宇宙結構錯綜複雜，就如同聚集在盒子中一角的氣體——並非處於穩態。宇宙學家們逐漸傾向於將此設想為宇宙的基態，但玻爾茲曼指出，在歷經紀元之後，即使是一個無比混亂的宇宙，也可能會隨機地演化進一個高度有序的狀態。玻爾茲曼將該結論歸功於他的助理Schuetz博士，他寫道：

「這很可能預示著我們的世界並非處於熱力平衡狀態，甚至相去甚遠。但我們能否換個角度思考我們身處的這個世界與整個宇宙相比是何其渺小？宇宙既是如此浩渺，它其中一個極小的部分就能構成我們的世界，這麼看來它就不再渺小了。

「如果這個設想是正確的話，我們的宇宙將會越來越接近熱平衡狀態；但由於宇宙是如此之大，那麼在未來的某個時間節點，很可能會有其他一些世界朝遠離平衡點的狀態發展，就像我們現在這樣。」

這是一個非常有說服力的設想，但很可惜的是它已被證實是錯誤的。

首先質疑該設想的是天文和物理學家Arthur Eddington爵士，他於1931年提出我們現在熟知的「玻爾茲曼大腦」。他將宇宙設想為一個盒子中的氣體，大多情況下，它是處於熱力學平衡狀態的——就像一鍋均一無異化的粥。至於一些複雜結構，包括生命在內，唯有在一些非常罕見的情況下才會演化出來。而此時，氣體重新整合形成星星，以及我們所處的太陽系等等。這一過程中並不存在所謂的逐步演化。它更像是一團旋動的雲霧，一瞬間便幻化成人。

問題的關鍵在於量化。一個微小的波動要在宇宙中極小的一角締造出一個有序的結構，其幾率之低好比一個大波動要在一個巨大的空間內形成有序結構。玻爾茲曼和Dr. Schuetz的理論認為這一幾率低得就如同要在完全不形成其他任何星體的情況下在宇宙中誕生我們現在所處的太陽系。因此，這個理論是與我們的實際觀測相矛盾的，若按此理論，我們夜晚觀測到的天空應該空無一星。

若順此觀點繼續推導，最終能於此理論下留存下來的應該是一個能處於穩態附近的觀察者。我們可以把它設想為一個存在已久的孤獨大腦，久遠至剛好能夠意識到自己已瀕臨死亡：這就是玻爾茲曼大腦。

照此理論，我們人類不過是某種特殊形式的玻爾茲曼大腦，並誤以為自己看到了一個浩渺均衡的宇宙。但這一切幻像都可能在下一刻破滅，然後我們會發現這個宇宙其實空無一物。不過如果這一幻像直到你看完這篇文章時都沒有破滅，那麼你可以安心地把它丟一邊去了。

有關宇宙初始狀態的理論，物理學家們要革新思維模式了

由此我們可以得出什麼結論呢？顯然，宇宙並非一個盒子里的氣體。玻爾茲曼理論的一個關鍵是所有氣體分子的不同組態必須是有限的（儘管可能非常大）。這一假設必定是錯誤的。否則，我們就都是玻爾茲曼大腦。

所以，我們必須尋求新方法來開展宇宙學研究。前文中，我們提到的第二種情況就是宇宙具有無限種可能的狀態。這樣玻爾茲曼用於計算不同事物發生概率的方法就會失效。

但若如此我們就必須重新展開對宇宙初始狀態的討論了。當研究一個箱子中的氣體時，我們可以忽略其中分子的初始狀態，但對於一個具有無限種組態的系統我們無法對其初始狀態忽略不計，因為若要窮盡所有組態我們需要無限的時間。若要做出預測，我們需要一個能給出初始狀態的理論。但直到現在，我們仍未有合適的候選者。現在很多物理理論都是以以往的宇宙狀態為參考得出的，但有關宇宙初始狀態的理論卻需以以往的宇宙狀態為結論。為此物理學家們需要革新他們思維模式了。

多元宇宙還為我們提供了第三種解決方案，它允許我們在現有物理架構下，應用統計學方法做出宇宙層面的預測。在多元宇宙中，宇宙的空間處於無限膨脹中，每一個瞬間都可能膨脹出一個狀態不同的空間。但最關鍵的是，宇宙的初始狀態並不妨礙我們做預測。膨脹就是一個穩定遞進的過程，處於高能狀態的區域逐步膨脹並「吞併」那些處於低能狀態的區域。宇宙的總體積在增加，它所包含的處於不同狀態的空間數也在不斷增加，但其比率（以及概率）始終保持穩定。

要基於這一理論做預測其實很簡單。我們只需計算出多元宇宙中有多少個觀測者。我們觀測到某一結果的概率等同於多元宇宙中能觀測到同一結果的觀測者比率。

現實中並不存在定義一個瞬時狀態的通用方法

打個比方，如果有10%的觀測者存在於一個暗物質是由輕子（或軸子）組成的多元宇宙區域，另外的90%存在於暗物質是由重子（與輕子相反，也作WIMPs）的區域，那麼我們觀測到暗物質是由輕子組成的可能性就是10%。

對該理論的最佳應用實例來自於得克薩斯大學奧斯汀分校的斯蒂芬.溫伯格，他早在宇宙學常數被成功觀測到的十年前便預言出了其數值。正因為該理論強有力的說服力以及溫伯格的成功應用使得多元宇宙論吸引了無數研究者孜孜不倦的鑽研，其中也包括我在內。

我們現在所面臨的主要問題是宇宙的空間在持續膨脹，所以觀測者的觀測結果也將是無限的，這便使得預測事件發生概率變得非常困難。這一對穩態行為的模糊表徵，也被稱為「測量問題」。

粗略來講，我們做預測的大致步驟如下：我們先假設宇宙演化出了大量但有限的時間，並且包含了所有可觀測內容；隨後我們再計算若時間變得無限時可能出現什麼情況。如此一來，我們便可以得知宇宙的平衡態應是怎樣的。但難點在於我們還未找到合適的實現方法，因為現實中並不存在定義一個瞬時狀態的通用方法。處於遙遠時空中的觀測者由於彼此相距太遠，並且在加速彼此遠離，所以我們無法與他們獲取聯繫以同步時鐘。從數學層面上，我們有多種方法來同步各個空間的時鐘，且不同的同步方法會使我們預測出不同的觀測結果。

永不夠用的時間

在一個無限的宇宙中要同步所有時鐘是不可能的，這很大程度局限了物理學的預測能力。

通過同步時鐘得到的其中一個預言就是宇宙大部分空間將會被那些膨脹快的區域取代；而另一個則告訴我們，更糟糕的是很多預測均顯示極大區域的觀測者就是玻爾茲曼大腦，一個我們當初最想排除的可能性。

當艾伯塔大學的唐.佩奇於2006年的一篇論文中指出玻爾茲曼大腦的潛在問題時，加州大學伯克利分校的拉斐爾.布索和我都感到無比的激動，因為我們意識到我們掌握了「翻盤」的關鍵。我們發現其實可以利用玻爾茲曼大腦幫我們判定選擇何種預測來同步不同時空下的時鐘。從而任何認為我們就是玻爾茲曼大腦的預言都必是錯誤的。基於這一認識我們激動地開始寫論文（因為擔心其他人會不會也有類似的想法），兩天便完成了。在之後的數年裡，陸續有一些小團隊利用我們的理論來排除干擾，以得出合理的推論。我們認為我們找到了馴服「無限」的方法。

然而，就當一切看起來都一帆風順時，我們遇到了一個超出了我們理解範疇的概念問題：時間的終點問題。簡單地說就是我們的理論預言，宇宙其實正處於自毀邊緣。

這一困境起源於由麻省理工學院的Alan Guth和德盧斯密歇根大學的Vitaly Vanchurin提出的一個思想實驗。這個實驗即使是在理論物理中也非比尋常。它假設在你拋出一枚硬幣尚未知道結果前，你被放置進了低溫箱中。如果硬幣是正面朝上，那麼你會在一年後被叫醒，如果是反面朝上，那麼你會在5百億年後被叫醒。現在，假設你剛剛蘇醒過來並有機會打賭自己剛剛到底是睡了1年還是5百億年。常識告訴我們如果賭局公平的話，其賠率應該是50 / 50。

請別把我叫醒

沉睡實驗揭示了一個無限宇宙中的概率悖論。

但當我們將我們的法則用於計算膨脹的宇宙時，我們發現我們應該賭睡了1年這個選項。之所以產生這一奇異的現象原因就在於宇宙一直在膨脹並從未停止，所以無論沉睡實驗是什麼時候開始的，其數量必定是在持續增加。因此相比起5百億年前，1年前開始的實驗數必定會更多，所以大多數現在醒來的人應是沉睡時間較短的人。

這聽起來可能有點誇張，甚至有點愚蠢。但其實是因為這在宇宙學中是非常極端的情況，牽涉到了超出人類現有經驗的時空範疇。你可以通過試想另一個與此相同的簡單場景來理解這個問題。假設地球上的人口每30年會翻一倍，長此以往。人們不時地會進行類似的沉睡實驗，但受試者的沉睡時間為1年或100年，並假設每天會有1%的人參與實驗。

現在假設你剛從低溫箱中蘇醒過來，並被要求猜自己到底是睡了1年還是100年。一方面你可能會認為這概率無疑是50:50，但另一方面，真實情況卻是更多的人從1年的沉睡中蘇醒過來的。舉個例子，假設那些在2015年以及1916年進入沉睡的人會在2016年蘇醒，但由於更多人是在2015年進入沉睡的（每年都有總人口數1%的人會加入沉睡大軍），所以大部分在2016年醒來的人是在2015年進入沉睡的。因此按理說你應該猜自己是於2015年進入沉睡的。

但事實是引發爭議的兩條邏輯線導向了兩個完全相反的答案，並顯示其實一開始我們就沒有對問題界定準確，因為將人口定義為可以無止境地指數式增長是非常不明智的，而且現實中這根本無法實現。在這裡，真正缺失的其實是阻止人口繼續增長的因素。

因素可能有兩種。其一，某一天起世界上再無新生兒誕生了，但沉睡實驗還在一輪一輪的進行，直到終止的一天。其二，一顆巨大的流星突然降臨並摧毀了地球，使所有沉睡者死亡。你會發現，在第一種可能中，有一半從沉睡中醒來的觀測者沉睡自2015年，但在第二種可能中，大部分從沉睡中醒來的觀測者都是沉睡自2015年的。如果你是一名沉睡自1916年的人，那麼期間你很可能已經因為流星的衝擊而身亡了。所以，當有人讓你猜你沉睡自哪一年時，2016年會是一個較優的答案。當人口總數確定時，這個問題就容易被界定，預測概率也會變得唯一。

在一個無限膨脹的宇宙中，越來越多「短時」沉睡者將會醒來。我和凱維里理論物理研究所的Bousso，伯克利的Stefan Leichenauer和Vladimir Rosenhaus指出，這一詭異的結果其實有一個非常簡單的物理解釋：蘇醒的人中之所以有更多的「短時」沉睡者是因為生存於一個無限膨脹的宇宙是非常危險的，因為他很可能會走到時間的終點。當明白到這一點後，我們就應意識到「時間終止效應」其實是我們計算概率時不可避免的「副作用」，而且無論是否有人參與「沉睡實驗」，這個效應都會存在。事實上，若考慮我們現有的宇宙學常數，我們可以算出我們大概有50%的可能會在未來5萬億年內走到時間的終點。

我們發現，我們始終在做荒謬的預測

我們來整理一下結論：現在除了我們，沒人認為時間會突然中止，更別提沉睡實驗了。更重要的是我們的概率計算方法為這一理論帶來了前所未有的災難。這說明我們對理解大型時空的物理還有一些關鍵點沒弄清楚。

如果宇宙真像一個盒子中的氣體，具有有限的狀態，那麼按照理論推斷我們就是玻爾茲曼大腦，而這是與常理乃至現實觀測相違背的。相反，如果宇宙具有無限的狀態，則我們現有的統計學工具並不允許我們做出正確的預測，這目前還沒有有效的解決方法。然而多元宇宙似乎取了一條「中庸之道」，它具有無限的狀態，以此避免了玻爾茲曼大腦帶來的問題，但同時它的狀態又可以穩定，以允許我們對其進行觀測分析，只是所得的預測都荒誕不已罷了。但不管怎麼說，若想讓以上三種情況得以實現，我想我們需要革新對現有物理的認識了。

文章來源：Nautilus 文章作者：Ben Freivogel 編譯：未來論壇 Baschon

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