多重宇宙：科學還是科幻？

Shea

松鼠名片

謝懿，科學松鼠會成員，天文學博士，副教授，目前在南京大學天文與空間科學學院任教。此外，還擔任天文科普雜誌《天文愛好者》編委，以及一些科普文章的編譯者。個人簽名：把天文學帶給大眾。

（Shea/編譯）一些稀奇古怪的想法驅使著理論家們相信平行宇宙的存在。

坐穩了，接下去我們將開啟一次超越我們所在宇宙的旅行，去往宇宙平行的維度。我們不僅會探討當今流行的多重宇宙——我們的宇宙只不過是無數宇宙中的一個，我們還會看到為什麼有一些物理學家把這一想法看作是對科學的挑戰。

幾乎沒有科學家會否認，有很多的東西其實位於宇宙視界之外，超出了我們能看到的範圍。從最遠可見天體所發出的光需花130億年的時間才能抵達我們，而現在這些天體則位於約400億光年之外。沒有任何理由天體僅存在於這個可見的邊界之內。此外，有強有力的證據表明空間在大尺度上是平直的，這意味著宇宙的絕大部分都必定位於視界之外，那裡的天體所發出的光還來不及抵達地球。事實上，許多宇宙學家認為，整個宇宙的大小也許是無窮的，因而包含有無窮多個天體。（我們稍後在回到這個「無限」上來。）

由於我們永遠也無法看到那些光線還沒有抵達地球的天體，我們可以把它們統統劃歸為另一個宇宙。從邏輯上講，這個宇宙與我們的宇宙有著相同的物理學定律。這就是最簡單的多重宇宙。如果你把我們的宇宙定義為我們所能看到的一切，那麼平行宇宙理應是存在的。

當我們接受這些數量巨大的星系、恆星和行星是不可知的之後，其實沒有什麼特別奇怪的。有人直接稱這一巨大的區域為「其餘的宇宙」或者「宇宙的其餘部分」。道理很簡單：存在著他們和我們。幾乎所有的天文學家都同意這一觀點。

現代多重宇宙

然而，當我們考察主要的多重宇宙假說時，事情就變得有爭議且徹頭徹尾的怪異。有著諸多科學名人的捧場和媒體的助推，這些假說在最近十年內風頭正勁。

1979年，最初的暴脹理論問世，它認為宇宙在其最早的瞬間發生了高速膨脹。作為對這個想法的拓展，混沌暴脹理論被提出了。

它認為，隨著宇宙在規模和尺度上永遠地瘋狂膨脹，在空間中不同的暴脹部分都會有新的空間形成。它們每個都屬於同一個宇宙，但由於膨脹的速度非常大，其中的居民永遠不會知道在這個宇宙的其他地方發生了什麼。在其中的某些地方，物理學定律可以完全不同。因此，可以說，我們的宇宙就是一個多重宇宙——一個巨大且在永遠膨脹的宇宙，包含許許多多有著不同物理學定律的「宇宙泡」。

我們的宇宙就是這些宇宙泡中的某一個，但不能穿過宇宙泡與宇宙泡之間的地帶，進入另一個宇宙泡。因此，我們有著無窮多個獨立的宇宙。

有著不同物理學定律的眾多「宇宙泡」。

弦理論的雜音

另一種多重宇宙則來自弦理論。最初，理論家們認為微小的弦和額外的維度有望來解釋四種基本作用力——引力、電磁、強相互作用力和弱相互作用力——和粒子物理學的標準模型。

但它並沒有成功。除了額外維度至今沒有找到確鑿的證據之外，弦理論並不能預言我們的宇宙，也不能解釋於1998年所發現的宇宙加速膨脹。因此，越來越多人視它為一個失敗的理論。但它確實「預言」了10的500次方個現實。這一自身的模糊性使得弦理論變得毫無用處。

另一個極為不同的多重宇宙則來自於量子理論的多重世界解釋。

80多年來，我們已經知道，觀測行動會改變實驗的結果。但為什麼呢？此外，當一個電子來到一個岔路口，為什麼它會走這條路而不是另一條？

多重世界解釋認為，自然界中的每一個選擇都會創造出一個獨立的宇宙，隨後它們每一個都會與其他的脫離開，各自繼續演化。如果你在一個路口向左轉而不是向右轉，那另一個「你」就會向右轉。一個全新的宇宙將會繼續，永久地烙有這一現實。除了你所知道的宇宙之外，你永遠也不會知曉其他的宇宙。這對於在其他宇宙中做出其他的選擇的「你」來說亦是如此。

各自獨立的宇宙會不斷萌發，多重世界意義下的多重宇宙數目會持續飆升。

根據量子力學的解釋，多重宇宙則來自對微觀世界的多重世界解釋。

圖片來源：huffpost.com

數學使之真實

由此，你擁有了數學上的宇宙假說，也被稱為終極集合。這個多重宇宙包含了數學上可能的一切。有一些科學家支持這一觀點，他們認為數學是宇宙真實性的基礎，而非人類思維的工具。這種觀點進一步認為，在數學上可以發生的任何事情都會在各自獨立的宇宙中發生。

人擇原理為多重宇宙增添了更多的合理性。人擇原理提出，儘管從很多方面來看我們的宇宙是簡單的，但它所包含的幾十個物理學常數，其特定的數值卻使得生命能得以在其中繁衍生息。如果掌控電磁力強度的精細結構常數有微小的變化，或者是強相互作用力抑或引力的強度略有調整，那麼在我們這個宇宙中就有可能不會形成原子和恆星，進而也就沒有生命。我們的宇宙是一個為生命而精準調校過的宇宙，科學家們必然要問，這到底是為什麼？

通過主張無數其他隨機宇宙的存在，且這些宇宙中的絕大多數所具有的物理屬性不適宜生命，多重宇宙的倡導者們認為，從總整體來看，我們的宇宙其實並沒有什麼特別的。在多重宇宙的景觀中包含所有各式各樣的宇宙，而我們只是碰巧位於那個能承載生命的宇宙中而已。通過這種方式可以讓我們這個看似不平凡的宇宙變得「平凡」。

還有一些其他的多重宇宙假說，不過基本想法都是類似的。它的要點就是把整個宇宙描繪成了一個遠超我們所能想像、更宏大且包含所有可能性的實體。

宇宙歷史的示意圖，先後經歷了大爆炸、暴脹和膨脹階段。

圖片來源：PLANCK COLLABORATION。

無限個你

說到「宏大」，讓我們回到有關「無限」的這個問題上來，它是多重宇宙模型的重要特徵。如果真是這樣，那麼在另一個與我們幾乎完全一模一樣的宇宙中肯定會存在著另一個地球，在那個地球上肯定還有另一個「你」。畢竟，無限意味著沒有限制。多重宇宙理論會給出這樣的結論：任何可能發生的都會發生，並且它會發生無數次。

所以，另一個「你」所穿的襪子上也會和你的襪子一樣有一個小洞。另一個「你」所養的寵物貓，也會長著和你的寵物貓相同的花紋。無限也意味著和你完全相同的副本絕不會僅僅只有一個。事實上，會有無限多個完全一樣的你。此外，還會有無限多個有著相反性格的你。所有人都無一例外。

是不是感覺有點不對勁兒？有意思的是，在物理學家中近來出現一股反對無限論的浪潮。2014年，有物理學家和數學家在《自然》雜誌上撰寫社論，提醒高歌猛進的宇宙學家們銘記已故著名數學家希爾伯特的警告，他們指出：「雖然在數學中需要無窮大，但它並不存在於物理宇宙中。」

在任何情況下，內在的數學一致性並不足以充分地支撐一個多重宇宙理論，無論它是否涉及到弦、暴脹抑或是高維膜世界的碰撞。正如公元前450年芝諾通過著名的阿基里斯和烏龜的思想實驗所昭示的，數學描述有別於物理現實。

不過，多重宇宙假說的極力反對之聲遠超其內在的數學。批評者認為，這些假說是無法證偽的，因此和哲學沒有什麼區別，和說是「上帝所為」如出一轍。而「科學」這一稱謂只能授予一個可以被檢驗的理論。

更有早期暴脹的倡導者認為，多重宇宙這樣的想法應該退休了。這是很強的批評。那麼，我們真的應該摒棄整個多重宇宙的概念嗎？很多批評者都會提到的一個重要問題是，多重宇宙模型並不能預測任何事情，因此它們允許一切事情。此外，有許多人相信，多重宇宙理論的提出主要是為了試圖挽救失敗的假說，例如弦理論。

科學之所以有用，是因為它能解釋並預言事情為什麼會是這樣，而不是其他的樣子。一個包容任何事情的理論是無用的，因為它不能排除任何的可能性；它同時也是毫無價值的，因為它無法接收生死考驗。

不過，「平行宇宙」仍是科幻的主要題材。相比於理論物理學和天文學中的絕大多數內容，更為公眾所熟知。電視科教片一直鍾愛多重宇宙的想法，通常會讓它的擁護者走上銀幕闡述一些推測性的證據。

2014年出現了迄今最有說服力的支持多重宇宙的天體物理學證據，成為了世界各地的頭版頭條。

位於南極的BICEP2望遠鏡。

圖片來源：BICEP2 COLLABORATION

陰雲密布的證據

它來自一個位於南極的實驗，被稱為BICEP2。然而，戲劇性且令人驚訝的是，在短短數月之內，這一發現就被指出存在問題。出錯的不是測量結果，而是對它的解釋。全球各大媒體的標題是首次驗證引力波、暴脹——宇宙早期的超高速膨脹——理論得到佐證。現在認為，這些觀測結果，即便不是全部，至少也是絕大部分，是由我們銀河系中的塵埃顆粒所導致的。

在BICEP2的結果被推翻之前，它被一些多重宇宙的鐵杆擁護者視為是支持混沌暴脹模型的證據，而這個模型則被當作是支持平行宇宙的證據。批評者們則把矛頭直指這其中毫無根據的假設推理環節。有人不斷地問，為什麼多重宇宙的想法似乎總能免受科學嚴格標準的審視，游離在純粹猜想的道路之上。

其實，只要允許投機性的宇宙學模型存在，那現實就有可能位於和多重宇宙完全相反的方向之上——我們自己所在的宇宙也是簡單的，不需要這些五花八門的想法。

諸如巴門尼德和芝諾這樣的古希臘思想家最早提出，宇宙（或「存在」）是一個未分化的實體。通過這個解釋，在我們身邊不會發生單獨的事件。相反，宇宙本身才是一個單一事件。在幾個世紀的時間裡，這一基本統一性的觀點出現在了幾乎所有的文明中，一些現代量子理論對它也表示支持，但它與多重宇宙相對立。

底線似乎是，雖然「多重宇宙」是一種思想上的延伸，也有其可能性，但它也可能是毫無意義的，對解釋我們可觀測宇宙的性質來說甚至是有害的。與此同時，關於是否有任何觀測能證否多重宇宙模型——這決定著它是否屬於科學的範疇之內——亦爭論不休。

2012年，有宇宙學家提出，多重宇宙的證據可能來自我們膨脹的宇宙與相鄰宇宙之間潛在的碰撞。這一碰撞會在宇宙微波背景輻射——大爆炸的殘餘輻射——中產生額外的溫度變化模式，有朝一日尖端的望遠鏡興許可以探測到它。許多人認為這是尋找支持多重宇宙證據最有希望的途徑。當然，還提出了其他的方法來檢驗多重宇宙模型，它們都基於數學上的分析。不過，由於這些方案無疑都是試探性的，因此必須謹慎小心地對待。

支持者的觀點是，平行宇宙並不是一種理論，而是某些可檢驗理論的預言，例如宇宙暴脹。這就是為什麼它們不僅在科幻小說中有討論，但也越來越多地出現在學術會議上。

有人提出多重宇宙間的碰撞會在宇宙微波背景輻射中留下可以探測的印跡。

圖片來源：PLANCK COLLABORATION。

甚至都不算錯誤？

值得注意的是，就算是研究人員也在使用模稜兩可的語言來描述即使是最合理的多重宇宙模型。終有一天會探測到某些理論的證據，是否可以認為是「可以被檢驗」？這樣的模糊性是否能被稱為科學？鑒於目前對多重宇宙的痴情，對於它的堅決反對者也應該有一個公平的評價。互聯網上有一個公眾博客，名為「甚至都不算錯誤」，旨在批評多重宇宙的觀點。

這一博客的博主寫道：「在20世紀，物理學家取得了巨大的成功，建立起了強大的基本理論。但在過去40年里，卻舉步維艱，進展甚微。不幸的是，一些著名的理論物理學家們現在基本上已經放棄，決定採取一種簡單的方式。於是，多重宇宙被引入，作為一條通用卻又不可檢驗的「捷徑」。他們允許像弦理論這樣的與一切都相容的想法存在，而不是拋棄這些空洞的理論。令人沮喪的是，物理學可能就終結於此。但願這一潮流來得快，去得也快。發現更好、更深刻的物理學定律確實極具挑戰性，但只要不去一味地推銷「此題無解」，它仍在我們人類的能力範圍之內。」

這是相當激烈的言辭。如果我們關心物理學，就要把多重宇宙拉下馬。

當然，如果無限的多重宇宙確實存在，那麼一定會有另一個「甚至都不算錯誤」的博客正說著完全相反的觀點。

排版：紅色皇后

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本文來自果殼網，謝絕轉載

科學松鼠會，是一家以推動科學傳播行業發展為己任的非營利組織，成立於2008年4月。我們希望像松鼠一樣，幫助公眾剝開科學的堅果，分享科學的美妙。

科幻小說《你們這些殭屍》（All you zombies）的主角，通過時空旅行，自己一人扮演自己的丈夫、母親、父親，以及這一切紛亂關係的始作俑者。

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