多重宇宙作者：環球科學雜誌社 (繁_EPUB)

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2024-4-27 17:05 上傳

◎書名：多重宇宙：「平行世界」存在嗎？
◎作者：環球科學雜誌社
◎內容簡介：
我們所處的宇宙並非唯一，在我們看不到的地方，有無數與我們的宇宙相同或不同的平行宇宙——這個多重宇宙理論早已為多數物理學家所熟知、接受。但是，研究愛因斯坦相對論的頂尖學者、與霍金合著物理鉅著《時空的大尺度結構》的埃利斯卻懷疑多重宇宙是否存在，認為這個理論可能永遠無法驗證……

過去十年裡，有一個不尋常的聲音讓宇宙學家著迷：我們能看到的這個膨脹著的宇宙不是唯一的，還存在著數十億個別樣的宇宙。不是一個宇宙，而是多重宇宙。在《科學美國人》的文章、布賴恩·格林（Brian Greene）的新書《隱藏的真實》（Hidden Reality）等報道和書籍中，頂級科學家正在談論一場超越哥白尼“日心說”的革命。從這個角度來說，不僅地球只不過是眾多行星中的一員，就連我們的宇宙在大尺度上也無足輕重。它只不過是各自為營的無數宇宙中的一個。

“多重宇宙”（multiverse）這個詞具有不同的含義。天文學家可以看到大約420億光年遠的地方，那裡是我們目前能看到的最遠地方（即可見視界）。但我們沒有理由認為宇宙會在那裡終止。在它之外可能存在許多極為相似的宇宙（甚至無窮多個），每一個都具有不同的初始物質分佈，但都由相同的物理定律操控。今天，幾乎所有宇宙學家（包括我）都接受這種多重宇宙的觀點，馬克斯·蒂格馬克（Max Tegmark）稱其為“第1層”（level 1）。然而，有人走得更遠。他們提出，完全不同類型的宇宙是存在的，它們具有不同的物理定律、不同的歷史，也許還有不同的空間維數。雖然其中一些會充滿生命，但絕大多數都是不毛之地。這種“第2層”（level 2）多重宇宙觀點的支持者主要是亞歷山大·維蘭金（Alexander Vilenkin）。他描繪了一幅生動的畫面：在無窮多個宇宙中有無窮多個星系，無窮多顆行星，以及無窮多個和你同名的人在看這篇文章。

自古以來，許多文化中都有類似的觀念。不同的是，多重宇宙的主張是一個科學理論，這意味著該理論具有數學上的嚴謹性和實驗上的可檢驗性。但我對這個說法表示懷疑。我不相信其他宇宙的存在已經得到了證明——或者有一天能夠被證明。多重宇宙的擁護者，以及大幅擴大了物理現實概念的人，無疑正在重新定義“科學”的含義。

多重宇宙是否存在

20世紀90年代末，平行宇宙的概念從科幻小說躍入了科學期刊中。許多科學家聲稱在我們可見視界之外存在著不計其數的其他宇宙，每一個都擁有自己的物理定律。它們被總稱為多重宇宙。

問題是，永遠也不會有天文觀測能看到這些宇宙，這些論據最多也是間接的。而且，即使多重宇宙存在，它也是大自然最神秘的未解之謎。

跨越視界

那些贊成廣泛意義上的多重宇宙的科學家，對於多重宇宙如何產生，以及它們位於何處，有著不同的看法。這些宇宙可能都位於遠離我們的空間區域中，就如艾倫·古斯（Alan Guth）、安德烈·林德（Andrei Linde）等人的混沌暴脹模型（chaotic inflation model）所預想的一樣。按照保羅·J.·斯坦哈特（Paul J. Steinhardt）和尼爾·圖羅克（Neil Turok）提出的循環宇宙模型（cyclic universe model），它們也可能存在於不同的時期。戴維·多伊奇（David Deutsch）提出，其他宇宙和我們現在這個宇宙可能存在於同一空間，但具有不同的量子波函數。蒂格馬克和丹尼斯·西阿瑪（Denis Sciama）則認為，其他宇宙也許根本不和我們的時空相連。

在這些選項中，最受認可的是混沌暴脹，本文中我會集中討論它（不過，我在文中的絕大多數評論也適用於其他多重宇宙理論）。混沌暴脹理論認為，大尺度上的空間會永遠膨脹，其中的量子效應會不斷產生新的宇宙，就像小孩吹泡泡一樣。暴脹的概念可以回溯至20世紀80年代，物理學家根據弦理論（string theory）——用於闡釋自然本質的最全面的理論，已經對暴脹進行了詳細解釋。弦理論允許宇宙泡之間看上去大相徑庭。實際上，不僅每個宇宙都始於隨機的物質分佈，而且還具有隨機的物質類型。我們這個宇宙包含電子和夸克等能通過電磁力相互作用的粒子，而在其他宇宙中，基本粒子和作用力則可能截然不同——這也意味著不同的物理定律。把所有局部的物理規律集合起來，就構成了“景觀”（landscape）。在弦理論的一些解釋中，“景觀”的內容極為寬泛，確保了宇宙的巨大多樣性。

談論多重宇宙的許多物理學家，尤其是擁護弦景觀（string landscape）的人，並不關心平行宇宙（parallel universes）本身。對他們來說，其他人對多重宇宙這一概念的反對意見並不重要。他們的理論能否存在，取決於理論能否自恰（consistency），或者最終能否得到實驗的驗證。他們根據自己的理論，推想出了一個多重宇宙的場景，卻沒有想過這個場景是如何產生的——但宇宙學家卻很關心這一過程。

對一個宇宙學家而言，所有多重宇宙假說的基本問題是，我們的宇宙存在一個視界（visual horizon）。這個視界限制了我們所能看到的最遠距離，因為，從宇宙創生至今，在某個遙遠的地方，以光速（它是有限的）向我們傳播的信號，跟本沒有足夠的時間抵達我們這裡。所有的平行宇宙都位於我們的視界之外，無論技術如何進步，我們永遠無法看見它們。事實上，它們實在太遠了，對我們的宇宙不會產生任何影響。這就是多重宇宙支持者的論斷沒有一個可被直接證明的原因。

這些支持者正在告訴我們，根據在視界中所獲得的數據，我們可以外推描述比我們宇宙視界大1 000倍、10100倍、

101 000 000倍乃至無窮多倍的空間裡會發生什麼。這是一種不合理的外推。也許，宇宙在一個非常大的尺度上是閉合的，並非無窮大；也許，宇宙中的所有物質會在某個地方終止，在這之外則永遠是真空；也許，空間和時間會在一個奇點處走向盡頭，這個奇點又形成新的宇宙。我們不知道究竟發生了什麼，因為我們沒有來自這些區域的信息，而且永遠都不會有。

外推的危險

外面是什麼？

當天文學家凝視宇宙時，他們最遠可以看到約420億光年處。那裡是我們的宇宙視界，代表著自大爆炸以來光所能走的最遠距離，同時也是自那時起宇宙所膨脹了的大小。假設空間並沒有在那裡終止，並且可能是無窮大，宇宙學家對其他部分會是什麼樣子進行了有依據的猜測。

第1層多重宇宙：可信。最直接的假設是，我們所屬的空間只是整體的一個代表樣本。遙遠的外星人會看到不同的部分，但除了物質分佈的隨機變化之外，所有地方看上去都基本相同。這些可見與不可見區域一起構成了多重宇宙的一個基本類型。

第2層多重宇宙：可疑。許多宇宙學家走得更遠，他們懷疑在足夠遠的地方，事物會看上去和我們所見的截然不同。我們的宇宙也許是懸浮在另外一個真空背景裡的許多“泡泡”中的一個。在泡與泡之間，物理定律會存在差別，導致幾乎難以置信的各異結果。即使只是從原理上講，這些泡泡也是無法觀測的。作者和懷疑者認為，這一類型的多重宇宙是可疑的。