荒唐臆想還是科學事實？物理學家眼中的「平行宇宙」

Rick and Morty 第二季中，來自不同時空的 Morty 坐在一起

交替現實、平行次元、多重宇宙，雖然叫法不一樣，但都表達了同一個意思：我們以截然不同的方式生活在其他宇宙中。你一定很熟悉科幻小說里的這些情節：三號宇宙中的你不在讀這篇文章而是在跳傘；六號宇宙中，你是一隻小強；而八十七號宇宙中壓根就沒有生命，連原子都不存在。

近些年來，這種看似瘋狂的想法已經從白日做夢逐漸轉變為真正的科學，多重宇宙甚至成為了物理學領域的主流觀點。

撰文 Marcus Woo

編譯 金庄維

審校 張士超

理論上講，除了我們所在的宇宙外，還可能存在無數個宇宙，就像沸水中的一連串泡泡那樣。每個泡泡都擁有自己的一套物理規律。雖然我們從未見過其他泡泡，但部分物理學家表示，越來越多的證據表明「多重宇宙」是合理的，甚至很可能存在。

塔夫茨大學物理學家 Alex Vilenkin 說道：「若是在15年前談起多重宇宙，大部分物理學家會覺得荒唐可笑。但現在，他們的態度發生了巨大的轉變。」

儘管如此，多重宇宙的概念仍然充滿爭議——還是有很多科學家對此持懷疑態度，甚至有人明確反對。但像 Vilenkin 這樣的支持者認為，有充分的理由表明多重宇宙需要被認真對待。

事實上，科學家幾十年來一直在思考多重宇宙的各種存在形式。例如，物理學家 Hugh Everett 曾在1957年提出一種新方法，用以解釋量子物理中的詭異悖論，比如粒子怎樣才能同時處於兩個態？在宏觀情況下，薛定諤的貓如何能夠既生又死？Everett 認為，當你打開黑盒時，兩種不同的現實開始分岔，貓在其中一個現實中活著，而在另一個現實中死了。物理學家將這種理論稱為量子力學的多世界解釋。

這些多世界就是平行（多重）宇宙，它們共存於某個抽象數學空間中的不同區域，彼此之間永遠隔絕。今天，雖然只有少數人贊同 Everett 的觀點，可量子物理學家仍在為此爭論。

而在20世紀80年代初，物理學家意識到還有可能存在另一種多重宇宙，這些多重宇宙和我們的宇宙處在同樣的時空中，只是距離我們非常遙遠。這個驚人的想法（即所謂的泡泡宇宙）源自宇宙學的新圖像。

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麻省理工的物理學家 Alan Guth 於1980年（當時 Guth 在康奈爾大學做博士後）提出，宇宙在大爆炸後進入一個短暫的迅速膨脹階段（10-36~10-32秒），而後恢復正常，但膨脹速度慢了許多。「暴脹」由某種排斥力驅動，它能夠解釋為什麼我們的宇宙光滑、平坦——當時的宇宙學家為此困擾不已。

「基於謹慎的假設，我們將得到一個激進的結果。」

今天，絕大多數宇宙學家接受了暴脹，還提出許多模型來解釋暴脹如何發生。而越來越精確的宇宙學觀測也驗證了暴脹理論的預言。

「這些證據很有說服力，」愛丁堡大學物理學家 Andrew Liddle 說道，「大部分人都認為暴脹理論相當令人滿意，幾乎沒有希望被推翻。」

而在暴脹理論提出之初，Guth 等人很快發現方程指向一個令人驚訝的結果：暴脹是永恆的，只有在某些泡泡中才會停止。「泡泡以外的空間一直在發生暴脹，更多泡泡將在其中形成，」Vilenkin 解釋道，「暴脹空間膨脹得太快，沒有什麼能夠到達它的邊界，因此我們可以認為，這些泡泡宇宙彼此獨立。」根據這一圖像，我們的宇宙不過是無數泡泡中的一個。

在1983年，Vilenkin 發現最普通的暴脹模型就預言了多重宇宙。刨除多重宇宙的模型很生硬，也不現實。「基於最簡單的假設，我們將得到永恆暴脹和多重宇宙，」加州大學戴維斯分校的物理學家 Andreas Albrecht 說道，「（對於暴脹模型的）謹慎會推出（多重宇宙）這一激進結果。」

對多重宇宙最有力的支持與暗能量有關。天文學家在1998年發現，宇宙正在越來越快地膨脹。他們後來將這種加速膨脹歸因於暗能量，而膨脹速度則取決於宇宙學常數。但讓物理學家感到困惑的是，基於對自然界基本力與粒子的理解，理論預言的宇宙學常數數值比實驗測量值大了將近10122倍。為什麼測量值這麼小？大家並不知道確切的答案，不過多重宇宙倒是能提供一種解釋。

在20世紀80年代，諾貝爾物理學獎得主 Steven Weinberg 曾對宇宙學常數進行研究。他提出，對於多重宇宙，宇宙學常數的數值在不同的泡泡中可以不一樣。只有一小部分數值合適的宇宙才有希望孕育出生命。所以在我們的宇宙中，宇宙學常數這麼小的原因就在於，只有這樣星系才能形成、生命方可演化。數值稍大些則會導致宇宙在原子結合之前就已分崩離析。我們何其幸運！

類似的「人擇原理」也能用於解釋自然界的其他基本常數，比如中子質量。如果數值有一丁點兒的偏差，生命將不復存在，更不會有人測得偏差了多少。在物理學家找到更合適的理由之前，這至少算是一種解釋，聊勝於無。

事實證明，Weinberg 的分析極有先見之明。天文學家測得的（1998年）宇宙學常數與 Weinberg 預測的（1987年）相差不大。從那時起，物理學家進一步完善了 Weinberg 的設想，得到的計算值與觀測值更為接近：雖然並非完全吻合，但的確是至今為止符合得最好的。

同時，萬有理論的最佳候選——弦論，提供了支持多重宇宙的理論框架。弦論中存在小到我們無法感知的額外維，這些維度以無數種方式捲起來，每種捲曲方式對應一個泡泡宇宙。但弦論的致命缺點在於缺乏觀測證據。

提到觀測證據，多重宇宙的情況也不容樂觀。但研究人員還抱有希望。比如說，如果我們宇宙的「友鄰」偶然間撞上我們，就會在 CMB 上留下蛛絲馬跡。天文學家已經開始努力尋找，但還沒有任何結果。

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當然，這項工作只是種初步探索，對多重宇宙的支持與否無疑取決於將來的實驗觀測。支持者所能期待的最好結果是存在某種間接證據：更好的模型或是暴脹理論的確證。

「沒有哪個科學理論被真正證明過。大家接受的只是可以解釋自然界某些現象的最好的已知理論。」

然而，多重宇宙的存在仍缺乏直接證據，也許根本無法被檢驗，這給反對者留下了把柄。

最激烈的批評者是普林斯頓大學的 Paul Steinhardt。他和 Albrecht, Guth，以及斯坦福大學的 Andrei Linde 同為暴脹理論的創始人。但當他意識到暴脹永不停止，還會孕育無數泡泡宇宙時，他認為理論存在問題：多重宇宙並非暴脹的特徵，而是缺陷。

在他看來，這就好比有人告訴你一個理論，它能解釋天空為什麼是藍的。初看非常可信，但是仔細推敲後發現，它不僅僅產生藍色的天空，還有紫色的天空，五彩斑斕的天空……

多重宇宙無法解釋任何事情——任何事情都有可能發生。科學的特點就是能夠對理論進行檢驗。而如果一個理論能夠預言一切，那這樣的理論就無法得到檢驗，或是證偽，因此也不是個有效的科學理論。Steinhardt 認為，多重宇宙只是平添混亂。

支持者則認為這種觀點太過狹隘。Guth 說道，「沒有哪個科學理論被真正證明過。大家接受的只是可以解釋自然界某些現象的最好的已知理論。」

可證偽性也許是個哲學問題。但想要在多重宇宙中研究物理同樣存在現實問題，最核心的困難在於，物理研究依賴於計算某種現象的發生概率——比如說粒子衰變的可能性。但當你考慮的可能性有無數種時，計算概率就毫無意義，也就無從研究相應的物理圖像。

Guth 表示，「概率的定義是我所知道的最讓人受挫的問題之一。」

試圖解決概率「困境」（也就是度量問題）的成果有限。幾年前，Albrecht 基於理論物理學家 Don Page 的工作提出，在考慮多重宇宙時，物理學家通常採用的概率工具將失效。不過他表示，小心地定義概率也許能夠解決度量問題。這增加了他對多重宇宙的信心（雖然仍持懷疑態度）——他認為有10%的可能性。（Guth 則認為有過半的可能性。）

而 Steinhardt 認為，試圖解決度量問題是對錯誤的想法進行特殊的修正。多重宇宙的問題過於嚴重，宇宙學家甚至應該將暴脹也一同放棄。「反彈」模型是一種可能的替代理論。在這類模型中，宇宙並非始於大爆炸，而是一直存在著。只不過「大爆炸」之前，宇宙在收縮，直到觸底反彈，開始膨脹。有些模型中，宇宙甚至經歷了無數次「膨脹-收縮」的循環。這些理論不需要暴脹，因此也沒有多重宇宙。

只有一小部分物理學家正在研究反彈宇宙學。事實上，這種理論並不像暴脹那樣成功，但 Steinhardt 等人仍在繼續探索並擁護它。

此外，還有一些物理學家在嘗試保留暴脹，但沒有多重宇宙的宇宙論。這也許是可能的，但這麼做需要引入新物理。Albrecht 發現如果想要讓這種理論說得通，我們需要對基本的物理定律做出某些極端的假設。這種方法相當激進。

當然，暴脹導致多重宇宙的想法也很激進。Albrecht 表示，這一想法的根基還不夠穩固，但這無傷大雅——物理學前沿研究本就如此。

行路難！行路難！多歧路，今安在？對於多重宇宙，這恐怕是物理學家所能達成的唯一共識。

原文地址：http://www.sciencefriday.com/articles/why-the-multiverse-isnt-just-madness/