知乎用户，星海无垠，科学无隅，人间有温度！宇宙地球科普！ 阅读原文 宇宙是唯一的吗？多元宇宙理论。 19世纪末，奥地利物理学家兼哲学家恩斯特.马赫否认原子的存在。 他嘲笑地问原子倡导者：「你见过一个吗？」 如今，许多科学家以类似嘲讽的态度谈论这样一个观念，即可见的宇宙并不孤单，而仅仅是许多宇宙中的一个，这个理论称为多元宇宙。 严格地说，「宇宙是否唯一」这个问题是一种语言的误用，因为如果说宇宙并不唯一，我们总可以把所有不同宇宙的总和称之为宇宙，那就唯一了。不过，语言和哲学上的过度洁癖也可能会抑制思维的活力，因此，这里不细究这些概念的详细定义，而先看看多重宇宙究竟是指什么。 01 可观测宇宙 由于光速是因果影响（信号）传播的最大速度，当我们观看远距离外的物体时，看到的并非是它现在的影像，而是之前某一时刻的。宇宙大爆炸发生在138亿年前，因此我们现在所能看到的最远处来的光就是那时发出的。由于光传播的这段时间里宇宙膨胀造成的距离改变，发出这些光的地方与我们现在的距离不是138亿光年,而是大约469亿光年。这就是我们此刻所能观测到的宇宙范围，称之为「粒子视界」。当然，未来的观测者将能够看到来自更遥远的地方传来的光波。 我们未来可观测的范围还受到宇宙膨胀速度的影响。由于宇宙膨胀，宇宙间相距遥远的两点在相互远离，远离的速度正比于它们之间的距离，这就是哈勃定律。因此只要足够远，远离的速度将超过光速。这与相对论中光速是物体或信号传播最大速度并不矛盾，因为这是空间膨胀引起的，其速度是相对于遥远的物体而不是本地的物体。如果宇宙膨胀减慢，光最终还是会传过来。但是现在人们发现宇宙膨胀在加速，这种情况下一定距离之外的光将永远无法抵达我们这里，这个界限称为「事件视界」。 通常我们把信号所能传播范围以内的时空称为「可观测宇宙」，有时就干脆简称其为「宇宙」。由于上述粒子视界和事件视界的存在，可观测宇宙是有限的，但是在可观测宇宙之外时空还是可以存在的。如果空间是无限的，时空中将存在大量甚至无穷多彼此互相没有直接因果联系的部分，有些学者把这些也称为不同的宇宙。不过，在传统的宇宙大爆炸理论中，这些时空区域都有相同的膨胀历史。因此，称它们为同一宇宙的不同部分更合适一些。 02 暴胀与多重宇宙 在广义相对论中，时间空间并不是先验地均匀各向同性，而是受物质影响并可以发生动力演化的，其演化中相互影响的传播同样不超过光速。这样，就有一个让人疑惑的问题：既然在大爆炸宇宙中存在粒子视界，那么超出粒子视界之外的时空区域为什么具有均匀各项同性的性质？这种「神同步」 是怎么实现的呢？ 1980 年，古思提出了暴胀理论，认为在宇宙极早期（宇宙时标约10-32秒），宇宙曾发生了一种非常快速的加速膨胀，线性标度膨胀了至少 1025 倍，称为暴胀。按照这一理论，比我们原来估算的粒子视界大得多的区域在宇宙极早期其实都曾经同处在一块非常小的、有因果联系的时空范围内，只是此后的暴胀使其变得非常大，看上去好像超出了粒子视界。这样，这些区域的高度均匀一致就不奇怪了。 林德进而提出了混沌暴胀理论，在这一理论中，暴胀的倍数取决于开始时暴胀场的势能，势能越大，倍数越高。我们可以想象，如果一开始暴胀场的分布是不完全均匀的，那么宇宙中各不同点所经历的暴胀持续时间和暴胀的倍数可以有很大的不同，比如相差几十个数量级甚至更多。由于暴胀过程中空间急剧的增长，那些暴胀持续时间长一些的地方在暴胀结束时其体积就会远远超过持续时间稍短的地方，这样暴胀的宇宙将形成一种复杂的分形结构，由许多尺度远大于可观测宇宙的“泡泡”构成，在每个泡泡内时空是均匀各向同性的，但在更大的尺度上却是不均匀的，每个泡泡的宇宙膨胀历史也会有相当大的不同。因此一些宇宙学家把它们称之为「多重宇宙」（multiverse），以与传统的「宇宙」（universe）的区别。 03 物理规律与人择原理 除了宇宙膨胀的历史不同外，这些不同区域中所表现的物理规律也有可能是不同的。当然，我们仍假定有某种普适的基本物理规律支配着所有时空和物质。但是，在一定的能量范围内，我们所观察到的物理规律并不一定是最基本的规律。例如，在不同的温度和压力下，我们所熟悉的水可以表现为固体--冰、气体--水蒸气，或者液体水，因而展现不同的物理规律。现在已知的最基本相互作用，即粒子物理标准模型，很可能也是某种更基本的但还不为我们所知的理论在较低能量下有效理论，而低能有效理论可能并不是唯一的，因此不同的「多重宇宙」的所表现的物理规律也可能有所不同。 与此密切相关的一个问题是“人择原理”。传统的物理学研究纲领认为物理规律是固定，我们只能寻找、发现这些规律。但是，另一种考虑这些问题的方式是，具有不同物理规律的宇宙有很大的不同，也许只有在某些规律的宇宙中才能产生智慧生命，也才会有人去问这样的问题！比如，如果其他条件都不变，而宇宙学常数可以取不同的值，那么宇宙学常数过大的宇宙会在大爆炸结束后很快进入加速膨胀，而没有足够的时间形成恒星、星系等结构，当然也就更无法产生生命。因此，我们所观测到的宇宙学常数的取值必定是要使得生命能够产生。这可能是回答我们看到的宇宙学常数相对于普朗克密度这么小的原因。 人择原理要起作用，需要存在大量的「多重宇宙」，并在其中实现各种不同的物理规律。在暴胀结束后形成的泡泡有可能形成大量不同的宇宙，可以为人择原理的应用提供条件。 04 量子力学中的多世界诠释 另一种多重宇宙的概念起源于量子力学的多世界诠释。量子力学中，一个孤立系统的状态由波函数描述，而波函数的动力学演化则由薛定谔方程决定，这本身是一个决定论过程。但是，人们早已知道，在一般情况下无法完全准确地预言一个量子测量实验的结果，而只能预言所可能出现的不同测量结果以及相应的几率。例如，已知一个电子的自旋状态为沿着 z 轴方向 +1/2，这已给出了对该电子自旋态的完全描述，并且沿着z-轴的测量可以得到确定结果。但是如果我们现在沿着垂直于z轴的x-轴进行测量，则不能得到确定的结果，只能预测可能出现的结果是 +1/2 或-1/2，且两种可能性各为一半。 如何理解这种几率性的结果呢？哥本哈根诠释是最常见的量子力学标准诠释。按照这种诠释，对量子自旋的测量瞬间改变了其自旋态，即波包塌缩，这一过程不像薛定谔方程那样是确定的，而是并几率性的。这一诠释有许多让人感到困惑之处, 如EPR佯谬、薛定谔猫佯谬、维格纳朋友佯谬等。 例如在EPR佯谬中, 如果两个粒子曾发生相互作用而形成相互关联的量子态，即所谓纠缠态，那么对其中一个粒子的测量不仅导致该粒子的波包塌缩，也会导致另一个粒子的波包瞬间塌缩，无论二者相距多远。乍看起来，这似乎违反了相对论中信息传播速度不能超过光速的原理。不过，就实验而言，尽管对两个相互远离的粒子测量总是能得到一致的结果，但由于这种测量结果是随机且无法控制的，因此这种测量并不能用于超光速传递信息。怎样理解这种奇怪的瞬时塌缩呢？按照哥本哈根诠释，波函数并不是实体，而仅仅是观测者对系统的描述，因此不能把这种波包塌缩理解为物理信号的传递。 一种与哥本哈根诠释完全不同的量子力学诠释是多世界诠释，由埃弗里特（Hugh Everett）提出。埃弗里特主张待测系统和仪器的整体状态可由一个普适的量子力学波函数描述, 量子测量就是待测系统和仪器之间的相互作用，这种相互作用过程由整个系统的薛定谔方程决定，导致二者形成一种关联的（纠缠的）状态，埃弗里特将这种关系称为相对态 在这一理论中波函数是实体，而且并没有所谓的波包塌缩, 一切演化都由薛定谔方程描述，在测量过程结束后，系统并没有发生波包塌缩，但是相互作用使普适波函数分裂为不同的项，或者叫不停分支，在每一个分支中观测者都只能看到与自己的观测结果一致的世界，而无法看到不同测量结果的世界。根据该诠释，宇宙中无时不在发生的各种相互作用都相当于量子测量，这使世界迅速分裂成难以想象的巨大数量的各种可能分支，每一分支中发生的情况各不相同。例如，在这一世界中，此刻笔者正在撰写这篇文章，在另一个可能世界里，笔者可能并未打算撰写这一文章，在更多的其它可能世界里，也许根本没有笔者这个人，甚至根本没有人类乃至地球。这听上去极为疯狂，但逻辑上是完全自洽的。 埃弗里特曾与玻尔等人进行讨论，但他们在量子力学上的立场早已固化，完全不接受他的观点。埃弗里特毕业后离开学术界转入国防研究，其理论在一段时间内几乎不为人知。后来，德维特（Bryce de Witt）撰文介绍了这一理论并将其称之为量子力学的多世界诠释。 多世界诠释现在已是量子力学的主流诠释之一，但很多人还是觉得这种诠释太古怪而无法接受。不过，埃弗里特最初提出的一些观点后来得到了广泛的认同，并也被其它诠释所使用。例如，在后来出现的相容历史诠释中，用退相干理论，通过待测系统与周边环境的相互作用解释从量子态到经典态的转变（即波包塌缩），这样就解决了哥本哈根诠释中原来存在的主要问题，Omnes 等学者认为没有必要把多个世界当做真实存在的。另一方面，对于那些愿意接受多世界诠释的人来说，也存在如何理解所谓的「多个世界」的问题。如果有人要问，这些平行宇宙是否「真的存在」？那我们要指出，「存在」一词本身就有很多不同的意义。这种“存在”的本体论意义是什么？这恐怕是物理学留给哲学的一个问题。 05 总结 对于「多重宇宙」这个概念是有许多质疑和争议的。有些学者认为，暴胀中产生的「多重宇宙」仍然是同一个时空中的不同部分，它们的整体才是宇宙, 没有必要引入「多重宇宙」这样的概念。但是目前看来，这一概念已被大多数学者和公众所接受和使用。实际上，只要理解其中的意义，叫什么名字并不是太重要。 另一些学者则质疑多重宇宙研究的意义。科学之所以能不断取得进步，其关键在于理论预言能够用实验或观测加以检验，是否具有可证伪性甚至被一些人认为是判断一个理论是属于科学的标准。多重宇宙没有办法直接用实验方法加以检验，Paul Steinhardt 等人认为，按照多重宇宙和人择原理的逻辑，几乎任何现象都是理论所允许的，这样的理论无法证伪，因此几乎不能算是科学。不过，对特定的多重宇宙模型，在引入某些特殊假定情况下，也可以给出一些间接的检验。另外，主张多重宇宙的研究者们往往并未把其作为理论的出发点，而是在理论的推论中出现多重宇宙，因此如果这些理论预言能得到部分实验的证实，也可以给出多重宇宙的间接证据。 阅读原文
