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平行宇宙是荒唐臆想还是事实

2017-03-10 11:18阅读：

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平行宇宙是荒唐臆想还是事实

2017年03月10日 来源：《科学美国人》中文版《环球科学》（北京）
原标题：荒唐臆想还是科学事实？物理学家眼中的“平行宇宙”
　　交替现实、平行次元、多重宇宙，虽然叫法不一样，但都表达了同一个意思：我们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说里的这些情节：三号宇宙中的你不在读这篇文章而是在跳伞；六号宇宙中，你是一只小强；而八十七号宇宙中压根就没有生命，连原子都不存在。
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　　近些年来，这种看似疯狂的想法已经从白日做梦逐渐转变为真正的科学，多重宇宙甚至成为了物理学领域的主流观点。
　　理论上讲，除了我们所在的宇宙外，还可能存在无数个宇宙，就像沸水中的一连串泡泡那样。每个泡泡都拥有自己的一套物理规律。虽然我们从未见过其他泡泡，但部分物理学家表示，越来越多的证据表明“多重宇宙”是合理的，甚至很可能存在。
　　塔夫茨大学物理学家Alex Vilenkin说道：“若是在15年前谈起多重宇宙，大部分物理学家会觉得荒唐可笑。但现在，他们的态度发生了巨大的转变。”
　　尽管如此，多重宇宙的概念仍然充满争议——还是有很多科学家对此持怀疑态度，甚至有人明确反对。但像Vilenkin这样的支持者认为，有充分的理由表明多重宇宙需要被认真对待。
　　事实上，科学家几十年来一直在思考多重宇宙的各种存在形式。例如，物理学家Hugh Everett曾在1957年提出一种新方法，用以解释量子物理中的诡异悖论，比如粒子怎样才能同时处于两个态？在宏观情况下，薛定谔的猫如何能够既生又死？Everett 认为，当你打开黑盒时，两种不同的现实开始分岔，猫在其中一个现实中活着，而在另一个现实中死了。物理学家将这种理论称为量子力学的多世界解释。
　　这些多世界就是平行（多重）宇宙，它们共存于某个抽象数学空间中的不同区域，彼此之间永远隔绝。今天，虽然只有少数人赞同Everett 的观点，可量子物理学家仍在为此争论。
　　而在20世纪80年代初，物理学家意识到还有可能存在另一种多重宇宙，这些多重宇宙和我们的宇宙处在同样的时空中，只是距离我们非常遥远。这个惊人的想法（即所谓的泡泡宇宙）源自宇宙学的新图像。
　　麻省理工的物理学家 Alan Guth 于1980年（当时 Guth 在康奈尔大学做博士后）提出，宇宙在大爆炸后进入一个短暂的迅速膨胀阶段（10-36~10-32秒），而后恢复正常，但膨胀速度慢了许多。“暴胀”由某种排斥力驱动，它能够解释为什么我们的宇宙光滑、平坦——当时的宇宙学家为此困扰不已。
　　“基于谨慎的假设，我们将得到一个激进的结果。”
　　今天，绝大多数宇宙学家接受了暴胀，还提出许多模型来解释暴胀如何发生。而越来越精确的宇宙学观测也验证了暴胀理论的预言。
　　举例来说，过去的几十年中，WMAP、Planck 卫星对 CMB（宇宙微波背景）进行了精确的观测，结果和暴胀理论的预言符合得相当好。宇宙学家还通过 CMB 数据获得了宇宙的物质密度，该数值与理论预言相差不到千分之五。
　　“这些证据很有说服力，”爱丁堡大学物理学家 Andrew Liddle 说道，“大部分人都认为暴胀理论相当令人满意，几乎没有希望被推翻。”
　　而在暴胀理论提出之初，Guth 等人很快发现方程指向一个令人惊讶的结果：暴胀是永恒的，只有在某些泡泡中才会停止。“泡泡以外的空间一直在发生暴胀，更多泡泡将在其中形成，”Vilenkin 解释道，“暴胀空间膨胀得太快，没有什么能够到达它的边界，因此我们可以认为，这些泡泡宇宙彼此独立。”根据这一图像，我们的宇宙不过是无数泡泡中的一个。
　　在1983年，Vilenkin 发现最普通的暴胀模型就预言了多重宇宙。刨除多重宇宙的模型很生硬，也不现实。“基于最简单的假设，我们将得到永恒暴胀和多重宇宙，”加州大学戴维斯分校的物理学家 Andreas Albrecht 说道，“（对于暴胀模型的）谨慎会推出（多重宇宙）这一激进结果。”
　　对多重宇宙最有力的支持与暗能量有关。天文学家在1998年发现，宇宙正在越来越快地膨胀。他们后来将这种加速膨胀归因于暗能量，而膨胀速度则取决于宇宙学常数。但让物理学家感到困惑的是，基于对自然界基本力与粒子的理解，理论预言的宇宙学常数数值比实验测量值大了将近10122倍。为什么测量值这么小？大家并不知道确切的答案，不过多重宇宙倒是能提供一种解释。
　　在20世纪80年代，诺贝尔物理学奖得主 Steven Weinberg 曾对宇宙学常数进行研究。他提出，对于多重宇宙，宇宙学常数的数值在不同的泡泡中可以不一样。只有一小部分数值合适的宇宙才有希望孕育出生命。所以在我们的宇宙中，宇宙学常数这么小的原因就在于，只有这样星系才能形成、生命方可演化。数值稍大些则会导致宇宙在原子结合之前就已分崩离析。我们何其幸运！
　　类似的“人择原理”也能用于解释自然界的其他基本常数，比如中子质量。如果数值有一丁点儿的偏差，生命将不复存在，更不会有人测得偏差了多少。在物理学家找到更合适的理由之前，这至少算是一种解释，聊胜于无。
　　事实证明，Weinberg 的分析极有先见之明。天文学家测得的（1998年）宇宙学常数与 Weinberg 预测的（1987年）相差不大。从那时起，物理学家进一步完善了 Weinberg 的设想，得到的计算值与观测值更为接近：虽然并非完全吻合，但的确是至今为止符合得最好的。
　　同时，万有理论的最佳候选——弦论，提供了支持多重宇宙的理论框架。弦论中存在小到我们无法感知的额外维，这些维度以无数种方式卷起来，每种卷曲方式对应一个泡泡宇宙。但弦论的致命缺点在于缺乏观测证据。
　　提到观测证据，多重宇宙的情况也不容乐观。但研究人员还抱有希望。比如说，如果我们宇宙的“友邻”偶然间撞上我们，就会在 CMB 上留下蛛丝马迹。天文学家已经开始努力寻找，但还没有任何结果。
　　此外，在2015年末，Vilenkin 及其同事提出了另一种方法：利用黑洞来确定多重宇宙是否存在。一旦暴胀停止，泡泡宇宙将坍缩成黑洞。暴胀的时间越长，形成的黑洞质量越大，其内部甚至可以包含另一个正在暴胀的宇宙。因此，暴胀会在多重宇宙中留下一连串质量不同的黑洞。[那我们呢？在别的宇宙看来，我们自己的宇宙可能也是一个黑洞。]原则上，通过测量黑洞碰撞在时空中产生的涟漪——比如 LIGO 在2016年发现的引力波信号——天文学家可以得到黑洞质量的统计分布，分析他们是否由暴胀产生，并以此作为检验多重宇宙的间接证据。（关于这项工作的更多介绍请戳这里）
　　当然，这项工作只是种初步探索，对多重宇宙的支持与否无疑取决于将来的实验观测。支持者所能期待的最好结果是存在某种间接证据：更好的模型或是暴胀理论的确证。
　　“没有哪个科学理论被真正证明过。大家接受的只是可以解释自然界某些现象的最好的已知理论。”
　　然而，多重宇宙的存在仍缺乏直接证据，也许根本无法被检验，这给反对者留下了把柄。
　　最激烈的批评者是普林斯顿大学的 Paul Steinhardt。他和 Albrecht， Guth，以及斯坦福大学的 Andrei Linde 同为暴胀理论的创始人。但当他意识到暴胀永不停止，还会孕育无数泡泡宇宙时，他认为理论存在问题：多重宇宙并非暴胀的特征，而是缺陷。
　　在他看来，这就好比有人告诉你一个理论，它能解释天空为什么是蓝的。初看非常可信，但是仔细推敲后发现，它不仅仅产生蓝色的天空，还有紫色的天空，五彩斑斓的天空……
　　多重宇宙无法解释任何事情——任何事情都有可能发生。科学的特点就是能够对理论进行检验。而如果一个理论能够预言一切，那这样的理论就无法得到检验，或是证伪，因此也不是个有效的科学理论。Steinhardt 认为，多重宇宙只是平添混乱。
　　支持者则认为这种观点太过狭隘。Guth 说道，“没有哪个科学理论被真正证明过。大家接受的只是可以解释自然界某些现象的最好的已知理论。”
　　可证伪性也许是个哲学问题。但想要在多重宇宙中研究物理同样存在现实问题，最核心的困难在于，物理研究依赖于计算某种现象的发生概率——比如说粒子衰变的可能性。但当你考虑的可能性有无数种时，计算概率就毫无意义，也就无从研究相应的物理图像。
　　Guth 表示，“概率的定义是我所知道的最让人受挫的问题之一。”
　　试图解决概率“困境”（也就是度量问题）的成果有限。几年前，Albrecht 基于理论物理学家 Don Page 的工作提出，在考虑多重宇宙时，物理学家通常采用的概率工具将失效。不过他表示，小心地定义概率也许能够解决度量问题。这增加了他对多重宇宙的信心（虽然仍持怀疑态度）——他认为有10%的可能性。（Guth 则认为有过半的可能性。）
　　而 Steinhardt 认为，试图解决度量问题是对错误的想法进行特殊的修正。多重宇宙的问题过于严重，宇宙学家甚至应该将暴胀也一同放弃。“反弹”模型是一种可能的替代理论。在这类模型中，宇宙并非始于大爆炸，而是一直存在着。只不过“大爆炸”之前，宇宙在收缩，直到触底反弹，开始膨胀。有些模型中，宇宙甚至经历了无数次“膨胀-收缩”的循环。这些理论不需要暴胀，因此也没有多重宇宙。
　　只有一小部分物理学家正在研究反弹宇宙学。事实上，这种理论并不像暴胀那样成功，但 Steinhardt 等人仍在继续探索并拥护它。
　　此外，还有一些物理学家在尝试保留暴胀，但没有多重宇宙的宇宙论。这也许是可能的，但这么做需要引入新物理。Albrecht 发现如果想要让这种理论说得通，我们需要对基本的物理定律做出某些极端的假设。这种方法相当激进。
　　当然，暴胀导致多重宇宙的想法也很激进。Albrecht 表示，这一想法的根基还不够稳固，但这无伤大雅——物理学前沿研究本就如此。
　　行路难！行路难！多歧路，今安在？对于多重宇宙，这恐怕是物理学家所能达成的唯一共识。

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