漫談平行宇宙

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平行宇宙是物理學中的重要概念，也是科幻作品中常見的素材。在《終結者》系列、《鬼武者3》、《哈利·波特》等作品中，都有平行宇宙的影子。那麼關於平行宇宙，你了解多少呢？在新春佳節之際，小編為大家獻上一份科普大餐——漫談平行宇宙。

我們可以將目前涉及到平行宇宙的理論分為四類：

1、宇宙泡；

2、可觀測宇宙有限而導致的視界平行宇宙；

3、胚理論（膜理論）；

4、量子力學平行宇宙詮釋（多世界理論）。

這其中，第四種是我們最經常提及的。接下來我們將逐一了解一下每一種平行宇宙理論。

我們先說第一種，即蟲洞和宇宙泡，又稱口袋宇宙。根據現代量子宇宙學，早期宇宙誕生於高溫之中，拓撲結構非常複雜，量子漲落很劇烈，複雜的時空泡沫好比一鍋沸騰的湯，每個時空泡沫獨立地膨脹，溫度逐漸降低，趨於平穩，就形成了一個個平行宇宙，而聯繫其中的隧道正是蟲洞。我們的宇宙非常有可能是其中某個普通的時空泡。當然蟲洞的兩端也有可能是同一個時空泡的不同位置，因此蟲洞有些像隧道，而有些則像把手一樣。那麼，我們有沒有可能通過蟲洞前往其他宇宙進行旅行呢？很遺憾，至今我們尚未發現任何蟲洞，也無法找到撐開蟲洞的反常物質。關於蟲洞的研究，我們還有很長的路要走。

接下來我們說說視界與平行宇宙。我們所熟知的視界一般指的是黑洞的視界。今天我們不詳細討論黑洞的視界，而談論可觀測宇宙與視界問題。

為了解釋這個問題，我們要引入可觀測宇宙這一概念。眾所周知，在英語中，universe一詞是宇宙的意思，而如果u大寫，變成Universe，則代表可觀測宇宙。顧名思義，可觀測宇宙就是人類理論上所能夠觀測到的宇宙。也就是說，不考慮技術等外在原因，根據宇宙學原理，宇宙是各向同性的，因此人類所能夠接收到的最遠的光信號或者其他信號的距離，就是可觀測宇宙的半徑。

由於我們的宇宙在不斷地膨脹，因此若想估算可觀測宇宙的半徑，首先要知道宇宙的年齡。宇宙年齡的估計與宇宙中各天體的年齡測定密切相關，因此宇宙的年齡可以通過多種方式來測量，例如：利用宇宙的膨脹速率來估計；測定球狀星團中最古老的恆星的年齡；測量放射性元素的年齡；利用白矮星的冷卻估算，通過計算星系團中熱氣體的冷卻時間等。但是，這些測量中有很多未知的系統誤差，從而造成了測量結果的不確定性。因此，尋找一個更加可靠的測量方法是一個有待解決的重要問題。根據現代宇宙學理論，結合暗能量的觀測值，目前認為宇宙的年齡大概在137億年左右。

那麼，如果宇宙是穩定不變的，不膨脹也不收縮且足夠平坦，我們能夠觀測到的宇宙的範圍就是個半徑為137億光年的球體。但是，正是因為我們的宇宙在不斷膨脹，因此，為了計算簡便，假定宇宙以光速膨脹，此時假設有一顆恆星距離地球137億光年，並且認為在137億光年之後它發出的光芒到達地球。但是，在光傳播的過程中，宇宙是在膨脹的，因此在137億年之後，它早已遠離了原來的位置，我們的地球亦然。那麼，我們很容易估計出可觀測宇宙的大小了。

那麼如何研究不可觀測宇宙呢？或者說，研究不可觀測的東西有意義嗎？答案是肯定的。標準宇宙模型的最大問題在於，宇宙視界的存在意味著因果性有最大的時空限度，但是如果早期宇宙中許多區域無法以因果性相聯繫，那麼今天的均勻且各向同性的宇宙是怎樣形成的呢？這被稱作標準宇宙模型的視界疑難，該疑難啟發了物理學家們對其進行微創手術。這其中最廣為接受的就是暴漲理論。

暴漲理論指的是極早期宇宙在非常短時間內宇宙劇烈的膨脹，在宇宙的大統一對稱性SU（5）破缺時候就開始（大約是宇宙開端的10^-35秒），能夠解決標準宇宙模型的包括視界困難在內的幾個難題，並且已經從宇宙微波背景輻射的各向異性的精細測量得到驗證。

話說回來，在宇宙視界外，由於宇宙膨脹，信息尚未來得及到達我們的地球就已經離我們遠去了。那麼，可以認為，視界之外的宇宙對我們是沒有因果影響的。這樣，如果宇宙是無限大的，理論上就會出現無數個平行宇宙，這樣，就可能存在著一些相同的「人」在不同宇宙中過著完全互不影響的不同的人生。

接下來我們討論一下胚理論（膜理論）中的平行宇宙。這個理論認為，不同胚上的世界相互獨立存在，彼此直接不連通，但是可以通過某種方式感知到彼此的存在。這裡我們再簡單介紹一下為什麼胚理論是比膜理論更好的翻譯。在英文中，這個單詞為Brane，是從薄膜一詞Membrane演化而來。如果用膜的翻譯，就會出現「膜是二維的膜」等類似的中文笑話。

對應於暴漲理論，我們再介紹一下與胚理論有關的火鳳凰宇宙。這是一種比較優美的翻譯方法，其他的翻譯方法還有火劫宇宙或者火宇宙等等。這個宇宙模型是和暴漲理論相競爭的，也就是說，假設存在兩個三維的胚世界（膜世界），它們在額外維上靠近再反彈，其中反彈之前的幾十億年的緩慢收縮和暴漲能得到一樣的效果，這樣就避免了大爆炸。這個理論的誕生頗具傳奇色彩，理論的創始人斯特恩哈特先生曾經是為暴漲宇宙立下汗馬功勞的人物，因此這個名字也標誌他與過去的正式告別，也標誌了物理學界新的一次大規模論戰——宇宙起源戰爭正式打響。

在講第四種平行宇宙之前，我們首先了解下量子力學中的觀測。用量子力學創始人海森堡的話說，量子力學中的觀測者就是觀鳥者，為什麼呢？離得遠，看不清細節，只能看宏觀現象；離得近，鳥嚇跑了。

而如果用狄拉克的話說就是極限干擾假設，也就是說，如果我們的觀測行為對系統沒有影響，那麼就可以用經典物理來討論。但是如果我們的觀測行為會對系統有影響，那麼就必須用量子力學了。

但這並不是說量子力學就只能處理微觀問題，因為量子力學有許多宏觀效應，最典型的就是中子星的簡併壓，還有卡西米爾效應等。另外前幾年還有科學家大開腦洞，用換了個普朗克常數的薛定諤方程來求行星軌道分布，不過後來大家覺得這個理論太生硬了，因此這個研究就被拋棄了。

那麼，話說回來，如何詮釋量子力學？量子力學的本質是什麼？科學界的主流是哥本哈根學派的波函數坍縮理論，幾乎所有教科書採用都的是這種詮釋。愛因斯坦一直反對的，也是這種詮釋，而非反對量子力學本身。另外還有穆雷·蓋爾曼、詹姆斯·哈特、羅伯特·格里菲斯提出的退相干理論以及本文要談論的，由美國科學家休·埃弗雷特提出的多世界理論。

以我們熟悉的電子雙縫干涉現象為例，一言以蔽之，你的觀測行為會把你分配到某個平行宇宙中。

還是得從觀測說起。什麼是觀測？什麼又是觀測者呢？如果把實驗儀器打開，並且放置一個攝像機，但是不去看攝像機的屏幕，這樣算不算觀測？量子力學的數學基礎奠基人之一馮諾依曼認為，這只不過是不確定性的轉移，也就是說，用於測量目標的儀器，其本身也擁有自己的波函數，這樣只不過是把儀器也捲入這個模糊的疊加態之中，你在看攝像機的屏幕之前，一切還都是老樣子。

那麼這似乎太過於強調人的意識的重要性了，如果是一隻小狗看了一眼呢？或者說，一個對實驗毫不知情的人看了一眼呢？再或者，只是目光掠過而並沒有看清楚呢

因此，關於到底什麼是意識，著名思想實驗薛定諤的貓有個進化版，就是薛定諤的好朋友。這是諾貝爾化學獎得主魏格納提出的，此公在量子力學的對稱性與守恆律方面做出過傑出的貢獻並因此榮膺諾獎。他設計的實驗是，假如把薛定諤和貓一起放進盒子里，當然薛定諤要做好保護措施，但是貓就不管了。過一會，打開箱子看看。假如按照哥本哈根的說法，那麼此時波函數會坍縮，即坍縮到「死貓和生無可戀的薛定諤」態，或者「活貓和喜極而泣的薛定諤」態。那麼，在沒打開之前呢？難道是處於疊加態？顯然不是，因為這時候薛定諤在裡面啊，他明白貓到底死沒死，所以只能說某個確定態。

所以問題就來了，難道說，意識可以作用於外部世界嗎！這聽上去似乎很難以令人接受，畢竟意識並不是某個實在的物質，但卻又依賴於物質基礎存在。這方面還有一個著名的實驗叫惠勒延遲選擇實驗，限於篇幅，在這裡不再贅述。

那麼，如果拋棄意識，按照多世界理論的解釋，你的觀測行為會讓你進入某個平行世界中去。這裡我們用一個很血腥的實驗，叫量子自殺和量子永生來解釋。假如你有一把左輪手槍，但是這把槍是量子的，每次你都有六分之一的概率自殺成功，每次的自殺事件都是獨立的。那麼，每次你試圖自殺，都會讓你進入或死或活的平行宇宙中，在這個複雜的世界網路中，總有一個平行宇宙中的你是活著的。而從人擇原理的角度說，只有你還活著的那個宇宙里，你才能具有意識，才能來解釋這個實驗。那麼你真的會量子永生嗎？反正小編是不敢做這個實驗。

不過，平行宇宙對量子力學的詮釋，是一次簡單易懂卻代價巨大的嘗試，但是這一理論反倒成了科幻作品或者青春作品常用題材。而提出理論的埃弗雷特本人，卻並沒有被當時的學術界所重視。包括玻爾在內的科學家們對他的理論十分不滿，導致他在博士畢業後不得不退出學術界。在1982年，由於長期酗酒而心力交瘁的埃弗雷特不幸離世。而他的女兒也在14年後難以承受精神分裂症而自殺。據說，他的女兒留給我們這個世界的最後一句話就是，她在平行世界裡和父親團聚了。或許在某個平行世界中，埃弗雷特和家人度過了幸福寧靜的一生，但是在我們的世界裡，他的故事卻成了學術界永恆的悲劇。