多重宇宙存在吗？为什么？

笫5季

在我们生活的宇宙之外，还存在许多个其他不同的宇宙吗？图为韦布望远镜拍摄到的位于金牛座的暗云 L1527的沙漏状星云照片。图源：NASA, ESA, CSA, STScI

导读：
尽管多重宇宙是一个饱受争议的观点，但无论如何，我们都不应该因为存在争议就对它望而却步。只是，如何证实它存在或不存在，是个问题。<span style="outline: 0px;color: rgb(80, 93, 88);font-family: system-ui, -apple-system, system-ui, "/>
托马斯·马卡卡罗，克劳迪奥·M.达达里｜撰文


新近的一种观点认为，在我们生活的宇宙之外，还存在许多个其他不同的宇宙，这就是多重宇宙的概念。显然，多重宇宙要比我们了解的单一宇宙更大、更广阔。目前，多重宇宙的观点依旧停留在假说阶段，许多相关的概念问题还没有解决。
关于多重宇宙，我们尚未建立一个通用的模型，要解决这一问题并在物理学界达成共识，可能需要更加深入地理解量子力学基本原理以及弦理论。与此同时，有许多学者已经开始了对多重宇宙的层次结构的研究。
在之前提到的“世纪大辩论”中，沙普利对柯蒂斯提出的宇宙实际具有的巨大尺寸表示反对，我们不想重蹈这一覆辙。但是坦率地说，存在10的500次方个宇宙甚至10的10的16次方个宇宙（这一数字来自物理学家安德烈·林德和维塔利·范丘林）的观点着实让人感到不安，更何况，多重宇宙的数量很可能是无限的。
我们不妨想象一场棋类游戏，其中棋盘上只有 9 个棋格，2 名玩家分别选择白棋或黑棋，交替在棋格上放置棋子，并试图将 3 个同色棋子放在一条直线上（水平、垂直或者对角线方向）。当游戏进行够一定次数后，所有可能的游戏结果就都产生了，如若再进行下去，结果一定会不可避免地重复。假设忽略掉相互对称的游戏结果（即黑白棋位置可互换），并且在胜利或是陷入死局之时，依然继续游戏直到将整个棋盘填满。我们会发现，游戏中可能出现的不同情况的总数并不是很多，即 9！＝ 362 880。但如果我们意识到，在棋盘旋转对称或者反射对称的情况下，有时 2 场游戏其实是 1 场，那么游戏中可能出现的不同情况就可以被缩减到小于 3 万次。在这个例子中，棋子的种类和棋格的数量很少（只有黑白 2 种颜色的棋子和 9 个棋格），自由发挥的空间小，因此使得可能出现的情况受到了较大的限制。棋子的种类和棋格的数量越多，自由发挥的空间越大，分化的可能性就越大。但随着游戏次数的增加，重复依旧是不可避免的。尽管我们可以玩无数次游戏，但是在游戏中可能出现的情况总是有限的。
我们的忧虑其实就在这里：如果宇宙的数量足够多，那么可以设想，在不同的宇宙中所有可能的跳棋（以及双陆棋、象棋等）游戏都会被进行完毕，所有可能旋律的交响乐、所有可能内容的书籍、所有可能审美的画作都将被全部创作出来，再没有任何新事物可言。因为存在着太多的宇宙，一些事情，不管是简单的还是复杂的，都会不可避免地重演。不仅如此，如果多重宇宙超过了一定的数量，甚至可能（也是必然）会出现重复的宇宙。马克斯·泰格马克计算出，在第一级多重宇宙中，各宇宙在10的10的128次方米之后开始出现重复。我们不得不说，这段距离对人类来说是难以想象的，因为我们可观测宇宙的半径也只有大约 4×10的26次方米，但这不足以说明这一问题毫不值得担忧。如果多重宇宙的数量是无穷无尽的……
或许，这种有关“无限”的假设是我们知识上的倒退。“无限”的概念很难解释，我们难以深究它，更无法理解它的全部含义。一般来说，很少有物理学家喜欢无限这一概念，但数学家们却对此津津乐道，甚至提出了多种“无限”的类型。19 世纪末，格奥尔格·康托尔向我们证明，“无限”里面还包含着“无限”，它们之间可以互相比较，以在其中建立起层次结构。康托尔证明了“无限”并非都是一样的，有些 “无限”较大，有些则较小，他以这项研究为基础构建了超限数的模型。
无论如何，“无限”仍然是一个我们无法在脑海中描绘的概念。“无限”不是“无尽”，对“无尽”的概念我们是很容易理解的，例如，一个环或者一个球面，尽管是有限的，其大小也可以被测量，但因为没有边界，所以被认为是“无尽”的。而一说到“无限”，我们却很难有一个客观的印象。对物理学家来说，遇到“无限”并不是个好迹象，因为它一旦出现，就很可能说明建立的模型不准确或不完整，这时他们心中就会敲响警钟。数学家大卫·希尔伯特也表示，“无限”是一个数学上的抽象概念，并没有物理意义。实际上，物理学家在他们的理论中也都在尽量远离“无限”这一概念，想方设法地避免“无限”在计算中出现。
20 世纪初，经典物理学的理论预测，一个理想状态下的黑体能够散发出的辐射所具有的能量是无限的（史称紫外灾难）。“无限”这一概念在此处的出现使人们意识到，原有的一些理论必须进行修改，这也导致了量子物理学的发展。量子电动力学是目前我们拥有的最优秀的物理学理论之一，使用它能够极为准确地测量许多物理量。但是，这一理论发挥作用的前提是，其应用过程中产生的一些“无限”的量要经过“重正化”处理。许多物理学家注意到了这一缺点，他们坚信，“无限”的出现说明该理论需要进一步改进。
一方面，许多科学家坚持认为物理世界与“无限”的概念不相容；另一方面，随着宇宙暴胀理论的发展，一些宇宙学家开始认真考虑存在无数个具有分形结构的宇宙的可能性。在他们的假设中，这些宇宙遵照各自的形态在不同的尺度上重现。如果这些宇宙学家的假设成立，那么所谓的“宇宙微调问题”（我们生活的宇宙中所有的物理常数都恰好在精妙的水准上达到了平衡，如此一来，人类的存在才成为可能）也会得到解决。
不少科学家对多重宇宙论采取驳斥的态度，他们认为该理论既不能帮助我们计算出不同类型宇宙存在的概率，也不能启发我们对可能的实验结果做出任何预测，因此并不是一个可行的模型。美国天文学家、宇宙暴胀理论的创立者阿兰·古斯认为：“如果只存在一个宇宙，双头奶牛出现的概率一定会比单头奶牛小，我们还可以计算出 2 个种群总数之间的比例。而在拥有无限多个宇宙的多重宇宙中，将会有无数头单头奶牛和无数头双头奶牛，2 个种群总数之间的比例就是无穷比无穷，它的值将是难以确定的。”这是一个测量问题，也是一个涉及“无限”的问题。由此看来，多重宇宙论并不具备一个好的理论应该具有的预测能力。
尽管多重宇宙是一个饱受争议的观点，但无论如何，我们都不应该因为存在争议就对它望而却步。我们已经习惯了在某些知识领域可能存在观点分歧，这是再自然不过的事了。在气候学中是如此，我们不妨想想“人为因素对全球变暖造成的影响”，显然在这一议题上学者们的观点是不同的；在经济学中也是如此，不同的经济学派在分析同一经济现象的起 因和影响时，常常持不同观点；在医学中更是如此，比如当人们患了比较严重的疾病去就医时，不同医生采取的治疗方案可能不同。<span style="background-color: rgb(255, 255, 255);color: rgb(80, 93, 88);font-family: system-ui, -apple-system, "/>
上述争议并不会让我们感到意外，因为我们提到的气候学、经济学和医学虽然是科学，但不是“精准科学”（或者说至少现在不是）。在某些领域，争议源起于理论的不完善、适用范围的局限，以及有漏洞的近似处理；而在另一些领域，争议的原因却来自复杂系统演变的不可预见性。即使在被称为“硬科学”的物理学和天文学等领域，冲突和分歧也是十分常见的，学者们在基本立场上的对立引发了长期的争论，由此促进了科学的发展。
有关星云本质和宇宙大小的“世纪大辩论”，相信大家已经有了比较深刻的印象，在那之后天文学界的一系列争论同样值得我们回顾：稳恒态宇宙模型在与宇宙大爆炸模型的竞争中失利，而弗雷德·霍伊尔、杰弗里·伯比奇和贾扬特·纳利卡在 20 世纪 90 年代提出准稳态假说，试图拯救前者；艾伦·桑德奇、古斯塔夫·塔曼、西德尼·范登贝赫和杰拉德·德沃库勒之间有关哈勃常数值的争执；霍尔顿·阿尔普致力于星系红移的非宇宙学解释，他不认为红移与距离和速度有关，而认为这是星系和星系团的固有属性；威廉·蒂夫特另辟蹊径，提出宇宙红移的离散化特征；等等。如今这些争论都已基本解决，它们早已属于过去，但是一些争论中的主要人物依旧坚持自己的观点，比如蒂夫特。当然，假如霍伊尔、伯比奇和阿尔普还活着，他们可能也会像他一样坚持。
这些争论是如何被解决的呢？答案是通过总结实验数据（包括在实验室里获取的数据和天文观测中获取的数据）来填补一些失效研究所造成的空白，造成失效研究的因素主要有高度不确定性、统计数据的波动和选择效应。哈勃在一些星云中发现了造父变星并系统地测量了它们的红移，进而测出了它们与我们之间的距离，确定了这些星云位于银河系之外，使得沙普利的观点不攻自破。1964年宇宙微波背景辐射的发现，标志着稳恒态宇宙模型彻底退出历史舞台（此前该模型已经显露出严重危机，因为射电源计数情况与该模型的预言并不相符）。哈勃空间望远镜、威尔金森微波各向异性探测器和普朗克卫星的测绘数据促进了精确宇宙学的发展，解决了哈勃常数的不确定性。它们对星系和类星体进行的大量光谱测量，使得对重子物质分布进行精确的三维映射成为可能，也让科学界的绝大多数人意识到“红移”不单单是光谱学概念，也与宇宙学相关。
数据、实验和观测是解决争论的基本工具，它们在证伪一个理论的同时，也会证明另一个理论，在此之后，我们便很容易明白哪一种想法才是正确的。但在此之前，在争论的过程中，往往正反两方都有其道理和漏洞，并且都能提出“可能的”情况假设。
物理学界也存在非常著名的争论，比如爱因斯坦和玻尔关于量子力学的争论（是完整的理论还是存在隐变量），以及霍金和莱昂纳德·萨斯坎德之间有关信息进入黑洞后去向的争论（遗失还是得以保存）。
知识的道路有时是以有组织的方式向前延伸的，有时则是通过偶然的方式，通常也包括对不断出现的现象进行连续的替代解释。用合理的方法验证不同的解释，找出其中最为合理的一个，这是我们研究中的一项重要内容。
理论物理学家的想象力往往是无限的，仅仅一个有趣的新发现（即使尚未得到确认）就足以激发他们的推理和想象，产生许多种可能的解释，而这些解释往往会互相碰撞，引起激烈的讨论。比如，理论物理学家撰写了大量文章，试图解释为何中微子会在满足广义相对论的条件下运动速度超越光速，解释引力波为何在宇宙微波背景辐射中留下奇特的痕迹，解释位于日内瓦的大型强子对撞机收集的数据预示着人们继希格斯玻色子之后可能又发现了一种新的玻色子——这将使标准模型的超对称扩展出现困难。当数据被证明错误时，那么有关的分析自然也就不成立了，对此的思考过程也沦为了一种智力练习，这有时令人尴尬，但总的来说还是十分有趣的。如果观测数据能够被证实，那么之前引起争论的相应观点就会被巩固和完善，寻找新的实验或观察结果会让人明白哪条路是正确的。
归根结底，验证才是科学研究的关键。一项理论要想具备科学价值，它必须是可以被验证的，要么被证实、要么被证伪，这也是最基本的指导原则。在物理学界，有许多学者对弦理论和多重宇宙论提出质疑，也正是因为这两种理论很难被验证。
但目前有一些理论物理学家偏离了这项原则，他们宣称，只要一项理论能够自圆其说，并且可以用来解释一些自然现象，那么它的存在就是有意义的，不一定需要实验验证。
南非开普敦大学的乔治·埃利斯和约翰斯·霍普金斯大学的约瑟夫·西尔克坚决驳斥这样的观点，他们曾在《自然》杂志上发表过一篇文章，对弦理论和多重宇宙模型提出了明确的反对。可是，弦理论虽然在今天无法被证实（当前的技术不允许），但并不代表在未来也不能被证实。
然而，如果说到多重宇宙论，情况就不一样了，我们永远无法证实无数个所谓“平行宇宙”的存在。因此，埃利斯和西尔克认为多重宇宙论不应该被视为“科学”。争论愈演愈烈，将来一定会有越来越多的物理学家、宇宙学家和科学哲学家被卷进来。
<hr/>来源：赛先生

编辑：十一

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