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人真的可以去往平行宇宙嗎?我們正處於第幾宇宙!

多世界解釋

埃弗雷特提出了一個大膽的想法:如果波函數沒有「塌縮」,則它必定保持線性增加。也就是說,上述實驗中電子即使再觀測後仍然處在左/右狹縫的疊加狀態。埃弗雷特由此進一步提出:人們的世界也是疊加的,當電子穿過雙縫後,處於疊加態的不僅僅是電子,還包括整個的世界。也就是說,當電子經過雙縫後,出現了兩個疊加在一起的世界,在其中的一個世界裡電子穿過了左邊的狹縫,而在另一個世界裡,電子則通過了右邊的狹縫。這樣,波函數就無需「塌縮」,去隨機選擇左還是右,因為它表現為兩個世界的疊加:生活在一個世界中的人們發現在他們那裡電子通過了左邊的狹縫,而在另一個世界中,人們觀察到的電子則在右邊。以「薛定諤的貓」來說,埃弗雷特指出兩隻貓都是真實的。有一隻活貓,有一隻死貓,但它們位於不同的世界中。問題並不在於盒子中的發射性原子是否衰變,而在於它既衰變又不衰變。當觀測者向盒子里看時,整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其餘的各個方面是完全相同的。唯一的區別在於其中一個版本中,原子衰變了,貓死了;而在另一個版本中,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」這兩個世界將完全相互獨立平行地演變下去,就像兩個平行的世界一樣。量子過程造成了「兩個世界」,這就是埃弗雷特前衛的「多世界解釋」。

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薛定諤的貓

這個解釋的優點是:薛定諤方程始終成立,波函數從不塌縮,由此它簡化了基本理論。它的問題是:設想過於離奇,付出的代價是這些平行的世界全都是同樣真實的。這就難怪有人說:「在科學史上,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。」


存在證據

宇宙學家認為平行宇宙有可能被探測到,當人們所在的宇宙與另一個平行宇宙之間發生碰撞時,會在宇宙微波背景輻射中留下痕迹。一旦軌道望遠鏡發現背景輻射中的可疑痕迹,暗示這可能是來自另一個平行宇宙。英國天文學家稱找到了支持平行宇宙論的證據。通過對宇宙微波背景輻射圖的研究,他們發現了四個由「宇宙摩擦」形成的圓形圖案,這表明我們的宇宙可能至少4次進入過其他宇宙。

人真的可以去往平行宇宙嗎?我們正處於第幾宇宙!

2007年8月,科學家在研究宇宙微波背景輻射(CMB)信號時發現了一個巨大的冷斑(cold spot),其中完全是「空」的,沒有任何的正常物質或者暗物質,也沒有輻射信號,為什麼宇宙中會存在如此怪異的時空。為了尋找這個答案,科學家認為這是另一個宇宙的證據,冷斑現象可能使得宇宙學家推出一種結論,暗示人們所處的宇宙之外還存在平行宇宙。科學家通過普朗克望遠鏡觀測到的輻射數據發現我們的宇宙可能是10億個宇宙中的一個,第一次有證據顯示平行宇宙是存在的。

普朗克望遠鏡繪製的地圖顯示了微波背景輻射的分布情況,科學家認為大爆炸後期殘留的輻射均勻分布於宇宙空間中,尤其是在南天。北卡羅萊納州大學教堂山分校理論物理學家勞拉·梅爾西尼-霍頓博士與來自卡內基·梅隆大學教授理查德·霍爾曼在2005年就預言了異常輻射的存在,並認為由於平行宇宙的存在導致了輻射分布異常。梅爾西尼-霍頓博士認為普朗克探測器的數據支持了平行宇宙存在的假設,這意味著在人們所處的宇宙之外還存在無限多的宇宙,正是由於其他宇宙的拖拽效應使得南天出現分布不均的輻射。

據《星期日泰晤士報》稱,劍橋大學理論物理學教授馬爾科姆·佩瑞認為,該發現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教授喬治·埃弗斯塔西歐對此也表示支持:「多重宇宙的論調現在聽起來仍然讓有些人感到怪異,這情況就像當年大爆炸理論的提出一樣。不過,現今我們已經掌握了有力的證據,這必將徹底改變人們對於宇宙的認知。」


第一層平行宇宙是什麼樣的

對世界的物理描述傳統上分為兩部分: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。比較看好的理論認為,初始條件(早期的密度和不同類物質的運動)由暴脹時代的量子波動所產生。量子力學形成了實際上是隨機的初始條件,產生了被數學家稱為遍歷隨機場(ergodic random field)所描述的密度波動。遍歷意味著,如果你假想一個許多宇宙的集合,每個宇宙都有著自己隨機的初始條件,在一個給定提及範圍內出現各種結果的概率分布,和你在同一個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生在這裡的事情,在其他的某個地方實際上就會發生。

暴脹實際上導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在10-5量級,均勻分布的初始條件。這些波動被引力聚集(gravitational clustering)過程加強放大,從而形成星系、恆星、行星以及其他結構。這意味著,不僅幾乎所有可以想像的物質構成都發生在某個遙遠的哈勃體積內,而且我們應該認識到,我們的哈勃體積是相當典型的——至少在那些包含觀察者的哈勃體積中是典型的。一個粗略估計顯示,距你最近的那個和你一模一樣的人將遠在101?2?米之外。而在101??1米外才會有一個半徑100光年的區域,它裡面的一切與我們居住的空間完全相同,也就是說未來100年內我們的所有經歷都會和我們的副本一致。而至少101?11?米之外該區域才會增大到哈勃體積那麼大。這就引起了一個有趣的哲學問題,它不久之後將會困擾我們:如果真的存在那麼多和「你」有完全一樣的經歷和生活的副本,即使你掌握了整個宇宙態的完全知識,你也不能計算你自己的未來。原因是,你將不能決定哪一個副本才是「你」(他們都自認為是)。但他們的人生最終將是不同的,所以你最多只能預計你今後各種經歷的概率。傳統決定論的觀點就此終結。

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第一層平行宇宙


第二層平行宇宙是什麼樣的

大家普遍認為,人們觀察到的物理,只是一個更加對稱的理論的低能極限,這個理論只在極端高溫下才起作用。基礎理論也許是二維的,超對稱的,包含自然界四種基本作用力的大統一。這種理論的一個共性是,驅動暴脹的場的勢能有著幾個不同的最小值(被稱為「真空態」),相應於破缺對稱的不同途徑,也相應於得到的不同的低能物理。例如:可以把除三個空間維度之外的所有維度都捲起來(「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捲起來,留下一個七維空間。驅動混沌暴脹的量子波動可以造成各個泡沫中不同的對稱性破缺,導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,也來自於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。

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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——物理常量所刻畫。其中包括電子/質子質量比,即宇宙學常數,它在普朗克單位中約是10-123。有模型顯示,這樣的連續參量在各個後暴脹泡沫中互不相同【注】。


※註:雖然物理基本方程在所有第二層平行宇宙中都是一樣的,但支配我們觀察到的低能世界的近似有效方程卻是不同的。例如,從一個三維空間移到(非壓縮的)四維空間,會改變觀察到的引力方程,從一個反平方定律變成一個反立方定律。同樣,用不同方式破缺粒子物理中的基本對稱性,會改變基本例子的排列以及描述它們的有效方程。但是,我們會等到第四層平行宇宙中再使用「不同的方程」和「不同的物理定律」,在那裡不只是近似方程改變,基本方程也發生了改變。

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都不相同。

在繼續之前,先來評論一下幾個密切相關的平行宇宙概念。首先,如果能存在一個第二層平行宇宙,並不斷以分形的形式自我複製,那麼將會出現無限多個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的,因為它既沒有增加任何實質上不同的世界,也沒有改變它們所含物質的概率分布。在每個第二層平行宇宙中,所有可能的初始條件和對稱性破缺都已經實現了。

托爾曼和惠勒教授層提出一個想法,(第一層)平行宇宙是周期性的,要經歷一系列無限的大爆炸。這個想法已經被斯坦哈特和圖爾克闡明了。如果確實存在,那麼這些不同時期的集合也形成了一個多元宇宙,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)也提出過一個想法,一個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、變異和產生的新的宇宙。這就預言了一個自然選擇的形式,傾向於產生最多黑洞的宇宙。

在膜世界的設定中,存在另一個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,因為我們也許能夠用引力和它相互作用,就像我們跟暗物質那樣。


第三層平行宇宙是什麼樣的

在討論平行宇宙時,我們必須先區分考察物理理論的兩種方法:從外面開始,研究數學基本方程的數學家所持的,也稱為「鳥的視角」;生活在方程所描述世界裡的觀察者所持的內部觀點,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:只用一個波函數就能描述,並且它隨時間平滑而確定地演化,沒有任何分裂或平行。由整個演化的波函數描述的抽象量子世界內部,包含了大量平行的經典故事線(圖1.5),它們一刻都不停的分裂、合併,經典理論無法描述的許多量子現象也是如此。然而,以青蛙視角來看,每個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。當她被問問題時,做出快速的決定並回答時,大腦內神經元水平上的量子效應分出多重結果。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,她的每個副本都不知道其他人的存在,所以這個量子分叉在她看來不過是一次小小的隨機事件。實際上,後來出現了擁有完全相同的記憶的無數個副本,直到她回答了問題。

人真的可以去往平行宇宙嗎?我們正處於第幾宇宙!

第三層平行宇宙


第四層平行宇宙是什麼樣的

我們應用、檢驗和排除理論的方法,就是用我們過去的經驗來計算未來事件的概率分布,並把這些預言和觀測結果相比較。在多元宇宙論中,一般而言,不只有一個SAS和你經歷了過去同樣的生活,所以不能確定哪一個才是你。因此,為了做出預言,你必須計算他們中多大比例的人能夠預見未來,這就導致了下面幾個預言:

預言1:描述我們世界的數學結構是與我們的觀測一致的數學結構中最普遍的一種。

預言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。

數學結構有一個令人驚異的特性,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。它們更像是常規而不是例外,數學結構傾向於自動具有這些性質,而為了除去它們,必須增加複雜的公理等。換句話說,正因為這一點和選擇效應,第四層平行宇宙中的生命不再是一團混亂。

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第四層平行宇宙


第四層平行宇宙存在的證據

我們以猜測程度越來越高的順序描述了四層平行宇宙,那麼為什麼要相信第四層的存在呢。邏輯上,這主要依賴兩個獨立的假設:

假設1:物理世界(特別是第四層平行宇宙)是一個數學結構。

假設2:數學民主性:所有數學結構在同一個意義上都在「那裡」。

在一篇著名的評論中,魏格納(1967)寫道「數學對自然科學的幫助大得神乎其神」,而「這並沒有理性的解釋」。這個論點可以被看作是對假設1的支持:數學在描述物理世界上的便利,正是後者本身就是數學結構的自然結果,而我們正逐漸認識到這一點。我們現有物理理論中的許多近似理論很成功,原因在於,簡單的數學結構能夠較好地近似描述SAS怎樣感知更複雜的數學結構。換句話說,我們成功的理論並不是模擬物理的數學,而是模擬數學的數學。魏格納的評論並不是建立在僥倖的巧合基礎上,在他提出這個觀點的數十年後,自然中更多的數學規則被發現,包括粒子物理的標準模型。

支持假設1的第二個論據就是,抽象數學是如此的一般,以至於任何可用純形式術語(不依賴模糊的人類語言)定義的TOE也必定是數學結構,例如,一個包含一組不同類型的實體(比如,用詞語表示)以及它們之間的關係(用附加詞語表示)的TOE,就是一個集合理論模型,而且我們可以一般地找到它所在的規範體系。

這個論據同樣使假設2更令人信服,因為它意味著,任何可能想到的平行宇宙理論都可以在第四層被描述。第四層平行宇宙,被泰格馬克(1997)稱為「終極集合」,因為它包含了所有的集合,從而終結了平行宇宙的層次,不可能再有第五層。考慮一個數學結構的集合也沒有增加新內容,因為它只不過是另一個數學結構。考慮另一個經常被討論的觀點,即,宇宙是一個計算機模擬嗎。這個想法常在科幻小說中出現,並且實質上也被相信闡述過。數字計算機的信息內容是一串比特,比如「1001011100111001…」,雖然很長但仍有限,等價於一個很大但有限的整數n用二進位寫出來。計算機的信息處理就是將一個記憶態變成另一個的確規則(反覆應用),所以在數學上就是一個函數f,反覆地將一個整數映射到另一個上去:

n∣f(n)∣f(f(n))∣…

換句話說,即使是最複雜的計算機模擬,也只是一個數學結構的特殊情況,包含在第四層多元宇宙里(順帶一提,迭代連續函數,而不是整數函數,能形成分形)。

假設2的另一個吸引人的特性在於,目前,只有它唯一回答了惠勒教授的問題:為什麼是這些特殊的方程,而不是別的。讓宇宙隨著所有可能方程的曲調而起舞,一勞永逸地解決了微調問題,即使是在基本方程層次:雖然很大數學結構都是死的,而且不包含SAS們,不能形成SAS們需要的複雜性、穩定性和可預測性,但我們當然以100%的概率住在能支持生命的數學結構中。由於這個選擇效應,對問題「到底是什麼把活力注入方程,使宇宙能被其描述」的答案,就是「你,SAS。」

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