多重宇宙，或许存在于时间和空间之外
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本文经公众号“环球科学ScientificAmerican”（ID: huanqiukexue）授权转载。
撰文：马克斯·泰格马克
翻译：刘星宇
如果说你在看这篇文章的时候，还有另一个你也在做同样的事，你会相信吗？而且另一个你也住在一颗和地球一样的行星上。这个人无论在外表、思维还是生活习惯，都和你一模一样。也许，另一个你放下了这本杂志，而你会继续读下去……
多重宇宙的想法近乎科幻，但科学家发现，除了我们常说到的那一种多重宇宙，还有另外三种多重宇宙，而且每一种都比之前的更抽象和离奇。
第一个层次：我们的宇宙视界之外
这是最简单的一种平行宇宙：因为距离我们太遥远而无法看到的空间区域。我们能够观察到的最远距离是4.4x1026米，也就是460亿光年。这是大爆炸以来光传播的最远距离。（这个距离比140亿光年还远，因为它被宇宙膨胀拉长了。）每一个第一层平行宇宙都与我们的宇宙基本相同，所有的差异都是源自物质初始条件的不同。根据现有的理论，大爆炸早期的某些物理过程会使物质的分布具有一定的随机性，产生所有概率不为零的分布方式。宇宙学家认为，我们这个宇宙是有代表性的（至少在有观测者的宇宙中很有代表性）：它的物质分布几乎完全均匀，初始密度涨落为10万分之一。
在第一层次的多重宇宙中，多远才能出现一个完全一样的宇宙？
我们首先考虑一个简化的模型。想象有一种二维的小宇宙，它的空间仅能容纳4个粒子。这样的宇宙中，物质共有24即16种可能的排列方式。如果这样的宇宙超过16个，那么它的物质排列方式必定会重复出现。在这个例子中，距离另一个最近宇宙的距离，约为每个宇宙直径的4倍左右。
用同样的理论也可以讨论我们的宇宙。一个哈勃球（可见宇宙的范围）最多能容纳10118个质子。事实上每个质子既可能存在，也可能不存在，这样所有的质子就有210^118种可能的组合方式。如果一个盒子容纳了这样多个哈勃球，那它就穷尽上述的所有可能性。这些哈勃球如果真的在一个盒子里，那盒子的直径大约是1010^118米。在这个范围外，这些盒子里的宇宙（包括我们的宇宙）必将会重复出现。同样，我们可以估算出离你最近的“另一个你”在距地球 1010^28米的地方。
关键的是要预测平行宁宙的分布形式，并且在此基础上得出一个概率分布，或数学家所称的“测度”。我们的宇宙应该是最可能出现的宇宙之一。如果不是这样 （也就是说，如果多重宇宙理论认为我们居住在一个发生概率很低的宇宙中），那么这个理论就有麻烦了。下面我们将讨论，测度问题是如何变得非常棘手的。
第二个层次：暴胀形成的泡泡
第一层次的多重宇宙已经显得太大，不好接受了。此时，你不妨试着想象一个由无穷多第一层多重宇宙结构组成的集合。它们或许有各自不同的时空维度，不同的物理常数。目前流行的永恒混沌暴胀理论预测，在更大的尺度上，是存在无数第一层次多重宇宙的，它们合起来构成了第二层次的多重宇宙。
这个平行宇宙的设想是：整个空间将永远不停地膨胀下去，但空间的某些区域会停止膨胀，从而形成一个个泡泡，就像发面时，面团里的气泡一样。我们这一层次的多重宇宙（我们的宇宙加上相邻的空间）就是一个泡泡，漂浮在一个更大却几乎空无一物的空间中。这个空间中还有其他的泡泡，但与我们的泡泡没有联系，这些泡泡像云中的雨滴一样凝结成核，在成核过程中，量子场的变化给了每个泡泡不同的特性。
第二层多重宇宙的多样性远远超过了第一层多重宇宙，泡泡之间不仅初始条件不相同，甚至某些似乎应该恒定不变的自然特征也都不同。如今，物理学界流行的看法是，时空的维数，基本粒子的特性，以及许多其他所谓的物理常数，并不是物理学定律固有的，而是一类被称为“对称破坏”的过程所产生的结果，例如，理论物理学家认为，我们宇宙的空间维度可能曾经有9维，每个维度的地位都一样。在宇宙史的早期，这些维度中有3维参与了宇宙膨胀，结果就变成了我们今天所观察到的3维空间，其余6维现在都无法观测到了。这可能是因为他们仍然非常微小，蜷曲成甜甜圈状的拓扑结构，也可能是因为所有物质都被约束在了9维空间的3维表面上（称为“膜”）上。
这样各维之间的初始对称性就被破坏了。驱动混沌暴胀的量子涨落在不同的泡泡中，可能造成不同的对称破坏，有的可能变成4维空间，有的可能只有两代，而不是三代夸克，还有些泡泡的宇宙学常数可能比我们宇宙的还大。
虽然我们不能与其他第二层平行宇宙相互作用，但是宇宙学家还是能够间接推断它们的存在。而它们的存在，也可以解释我们宇宙中部分令人费解的巧合，例如太阳的质量。恒星的质量决定了它的亮度，我们可以计算出，只有当太阳的质量落在1.6~2.4×1030千克这个狭小的范围之内时，才有可能出现我们所知的地球生命。而天文学家测得的太阳质量为2.0×1030千克。
恒星的质量通常为1029~1032千克，如果太阳质量是随机的，那么要恰好处在适宜生命存在的范围内可是概率极小的。乍看起来，适于生命栖居的质量值与太阳实际质量值恰好相符这件事纯属走运。不过我们可以假设存在一个集合（在这个例子里是大量的行星系统），再加上选择效应（我们必定会发现自己生活在某个适合生存的行星上），来解释这种表面上的巧合。这种与观测者有关的选择效应称为“人择原理”。
从行星系统引申出来的观点，也可以用在理解平行宇宙上。通过对称破坏形成的物理常数中，即便不是全部，也有大部分看起来都会让人觉得“恰到好处”。它们的数值哪怕只改变很小一点，就可能会产生一个性质完全不同的宇宙，而在这样的宇宙中多半就没有我们了。
虽然物理学家对这种“精细调节”的程度还有争议，但这些例子已经在暗示，有可能存在物理学常数与我们不同的平行宇宙。第二层次的多重宇宙理论预言，物理学家永远也无法通过第一性原理来确定这些常数的值。他们只能计算这些值的概率分布，而在做这项计算时，也应该把选择效应考虑进去。这样，结果就能既符合我们存在这个事实，同时又具有普遍性。
第三个层次：量子多重世界
第一和第二个层次的多重宇宙包含了距离遥远的平行世界，甚至远到了超出天文学家的观测范围。不过，下一个层次的多重宇宙就在你身边。这种概念源自量子力学的多世界诠释，一个虽然广为人知，但却饱受争议的理论。多世界诠释认为，随机的量子过程会使宇宙分裂成多重宇宙，而每一重只代表其中一种可能的结果。
原子世界不服从经典的牛顿力学定律，20世纪初问世的量子力学则对原子世界的规律给出了圆满的解释，从此一场物理学的革命也拉开了序幕。尽管理论取得了显著的成功，但对于量子力学的真正物理意义，物理学家依然争论不休。量子力学理论不用粒子的位置和速度之类的经典术语来描述宇宙的状态，而是用一个称为波函数的数学概念。根据薛定谔方程，状态演变的方式具有数学家所说的“幺正性”（unitary）。这意味着波函数的改变，相当于在一个抽象的无限维空间（称为希尔伯特空间）中旋转。
棘手的问题在于如何把这个波函数与我们的观测结果联系起来。许多正常的波函数，导致的却是与直觉相矛盾的情况，例如，一只猫在所谓的叠加态中，可以同时既是死的又是活的。20世纪20年代，物理学家提出了一种方法来解释这类怪事：每当有人观察，波函数便“坍缩”成某个确定的经典结果。这种假设优点在于可以解释观测结果，但它却把一个优美、幺正的理论变得笨拙难看了。
近年来，许多物理学家已经放弃了这种观点，转而接受休·埃弗里特三世（Hugh Everett III）在1957年提出的一个观点。当时埃弗里特还是美国普林斯顿大学的研究生，他证明坍缩假设并不是必要的。事实上，没有外加假设的量子理论并不会导致任何矛盾。虽然它预言一个经典的现实会逐步分裂成许多这类现实的叠加，但观测者主观上对这种分裂的体验只是一些随机性，而概率本身则与传统的坍缩假设完全相同。经典世界的这种叠加，就是第三个层次的多重宇宙。
40多年来，埃弗里特的多重世界诠释令物理学界内外困惑不已。不过，如果把两种看待物理学理论的角度区分开，这个诠释就比较容易领会了：一种是物理学家研究数学方程式时采取的外部视角，就像是一只鸟从高处俯瞰地面；另一种是观测者在方程式所描述的世界中采取的内部视角，则像是生活在地面上的青蛙。
从鸟的角度看，第三个层次的多重宇宙很单纯，只有一个波函数。这个波函数以确定的方式随时间平滑地演变，不会发生任何分裂或者平行并存现象。这个不断演变的波函数所描述的抽象量子世界，包含了数量庞大的平行经典故事线，不断地分开又融合，同时还有许多无法用经典物理学描述的量子现象。
而从青蛙的角度出发，观测者只能察觉到全部事实中极小的一部分。他可以看到自己的第一层宇宙，但退相干（decoherence）过程（与波函数的坍缩相仿，却保持幺正）会让他无法看第三层次多重宇宙的“另一个自己”。
第三个层次的存在，依赖于一个关键的假设：波函数随时间的演变是幺正的。迄今为止，实验上还没有碰到任何违背幺正性的情况。如果物理学是幺正的话，那么关于量子涨落在大爆炸之初如何起作用的标准图景就必须修改。这些量子涨落不是随机地产生初始条件，而是产生所有可能性的量子叠加态，让这些初始条件同时并存。然后退相干使得这些初始条件在各个独立的量子分支内呈现出经典的行为。问题的关键在于，某个哈勃球内不同量子分支上的结果分布（第三个层次多重宇宙），与单个量子分支上不同哈勃球的结果分布（第一个层次多重宇宙）是完全相同的。在统计力学中，量子涨落的这种性质称为遍历性。
根据遍历性原理，量子平行宇宙与其他形式较为平凡的平行宇宙是等价的，一个量子宇宙会随时间分裂成多重宇宙（下图左），不过这些新的宇宙，与已经存在于空间其他地方的平行宇宙（例如其他的第一层宇宙）并没有什么不同（下图右）。关键是，无论何种类型的平行宇宙，都包含了所有可能的事件的不同发展方式。
同样的推理也适用于第二个层次。对称破坏的过程不会产生唯一的结果，而是产生所有可能结果的叠加。因此，如果物理常数、时空维数等，可以在第三层次多重宇宙的不同量子分支间以不同的值存在，那么这些性质也可以在第二个层次的多重宇宙之间有所不同。
换句话说，第三层次并未在第一层次和第二层次之外增加什么新东西，只是在同一个宇宙中有了更多不可分辨的分身而已：同样的故事线一次次地在其他量子分支上反复上演。因此，只要发现同样宏大但争议较少的多重宇宙（第一和第二层次），围绕埃弗里特理论的火爆争论看来就可以圆满收场了。
第四个层次：其他的数学结构
第一层、第二层和第三层次的多重宇宙的初始条件和物理常数可以变化，但支配自然界的基本定律还是相同的。为什么要到此为止呢？为什么不允许物理定律本身也变化呢？如果一个宇宙只服从经典物理学而没有量子效应，那么情况将如何？如果时间是离散的而不是连续的，情况又将如何？实际上，在第四个层次的多重宇宙中，所有这些另类怪胎都是存在的。
这样一个多重宇宙很可能不是科学家在喝了啤酒后的胡思乱想，因为抽象推理世界与观测到的现实世界之间存在密切的对应关系。方程式（以及更广泛的数学结构，如数、向量与几何物体）对世界的描述非常逼真。数学结构也具有惊人的真实感。它满足客观存在的关键性判断标准：无论谁来研究，它都不变。
要认识数学与物理学之间的对应关系，有两种言之有理但却截然相反的模式，这两方的论辩可以追溯到柏拉图和亚里士多德时代。亚里士多德的模式认为，物理实在是最根本的，而数学语言只不过是一种有用的近似描述。柏拉图的模式则认为，数学结构才是真正实在的，而观察者永远不能完美地认知它。换言之，这两种模式对哪种视角（观测者的青蛙视角，或者物理学定律的鸟视角）更为基本的问题，产生了截然相反的意见。亚里士多德模式倾向于青蛙的视角，而柏拉图模式则倾向于鸟视角。
当代的理论物理学家多半都信奉柏拉图模式，认为数学能够完美地描述宇宙，因为宇宙本质上就是数学的。因此所有的物理学推到极致都成了数学问题：只要一位数学家拥有无限的智慧和资源，原则上可以计算青蛙视角下的世界。也就是说，他能计算出宇宙中具有自我意识的观测者有哪些，他们能认识到什么，以及他们用什么语言向彼此描述各自的认识。
数学结构是一种抽象的、不可变的实体，超越时空之外。比如，想象一下由点状粒子在3维空间中运动构成的世界。在4维时空中（鸟的视角），这些粒子的轨迹仿佛一团纠结的面条。如果青蛙看到一个粒子匀速运动，那么鸟看到的就是一根未煮过的直面条。如果蛙看到的是一对互相环绕的粒子，那么鸟看到的就是两根螺旋缠绕在一起的面条。对青蛙来说，世界是由牛顿的运动与引力定律来描述的；对鸟来说，世界则是用面条的几何（一种数学结构）来描述的。当然，我们的宇宙比这个例子要复杂得多，如果真的有一种确切的数学结构，科学家也还不知道它具体对应的是哪一种。
柏拉图模式提出了一个问题：宇宙为何是这个样子？如果宇宙本质上是数学的，那为什么在如此众多的数学结构中只有一种被挑选出来描述宇宙呢？看来客观实在的核心就具有最基本的不对称性。
为了解决这个问题，我认为应该保持完整的数学上的对称性，也就是说，所有数学结构在物理上都是存在的，每一种数学结构对应于一个平行宇宙，这个多重宇宙的各个组成部分并不存在于同一个空间中，而是存在于空间与时间之外。而且，它们中大多数也许完全没有观测者。这个假说可以视为一种激进的柏拉图主义，主张的是柏拉图模式中的数学观念。第四个层次的多重宇宙可以说是多重宇宙的顶层，因为任何一种自洽的基本物理理论，都能够表示为某种数学结构。
第四层多重宇宙假说做出的预测是可以检验的，与第二层次相仿，它包含了一个集合（即它包含一个数学结构）以及选择效应。随着数学家继续对数学结构进行分类，他们应该发现，描述我们宇宙的结构正是与我们的观测相符的最一般结构。类似的，我们将来的观测也应该是不违背我们过去观测的最一般的观测结果，而我们过去的观测应当是不违背我们存在的最一般的观测结果的。
等待验证
因此，平行宇宙的科学理论提出了一种四层结构：层次越高，其中的宇宙与我们自己这个宇宙的差异就越大。这些平行宇宙可能具有不同的初始条件（第一层）、不同的物理常数和基本粒子（第二层）或不同的物理学定律（第四层）。具有讽刺意味的是，第三层次的多重宇宙在过去数十年中遭受的攻击反而最猛烈，尽管它是唯一没有引入具有全新性质宇宙的理论。
未来若干年内，对微波背景辐射和大尺度物质分布的宇宙学测量将获得显著的进步，这可以帮助科学家更准确地测定空间的曲率和拓扑结构，从而证明或推翻关于第一层多重宇宙的假说。这些测量还可以检验永恒混沌暴胀理论，从而有助于确定第二层次假说的真伪。天体物理学和高能物理学的进展，应该也会进一步弄清物理常数“精细调节”的程度，据此放宽或加强第二层次多重宇宙的条件。
如果当前建造量子计算机的努力获得成功，那么这种计算机将使第三层假说获得更有力的证据，因为它们实质上就是利用第三层多重宇宙的平行性来做平行计算。实验物理学家也在寻找违反幺正性的证据，如果找到，可以否认第三层次多重宇宙存在的可能。最后，统一广义相对论和量子场论（当代物理学的重大挑战）的努力，无论成败都将影响我们对第四层次假说的看法。要么我们会发现一个与我们的宇宙完全吻合的数学结构，要么我们将撞上数学有效性的极限，从而不得不放弃第四层次的假说。
所有四个层次的多重宇宙都具备一个共同特征——那些最简单或者也可以说是最优美的理论，天生就包含了平行宇宙概念。而要否定那些宇宙的存在，我们就必须塞进一些没有实验依据的过程，以及特置的假定：如有限空间、波函数坍缩以及本体上的不对称等等，来把理论复杂化。这样看来，到底是哪一种选择会比较浪费而不优美？是让这些宇宙存在，还是我们去大费口舌？或许我们会逐渐习惯这个宇宙的种种古怪行径，并发现，它的古怪正是它的魅力之一。
有缘的人终会相聚，慕客君想了想，要是不分享出来，怕我们会擦肩而过~
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