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平行宇宙
本詞條是多義詞，共10個(gè)義項
天文學(xué)術(shù)語(yǔ)
平行宇宙，天文學(xué)術(shù)語(yǔ)，是指平行作用力宇宙，是平行作用力產(chǎn)生的純基本粒子宇宙，與人類(lèi)己知的萬(wàn)有引力星球宇宙形成多元宇宙理論。所以多元宇宙所包含的是多種不同相互作用力宇宙。多元宇宙，表示無(wú)限個(gè)或有限個(gè)可能的多元不同相互作用力宇宙的集合。包括一切存在和可能存在的事物：所有的不同相互作用力、空間、時(shí)間、物質(zhì)、能量以及描述它們的物理定律和物理常數。多元宇宙所包含的各個(gè)宇宙被稱(chēng)為平行宇宙（parallel universes）。也稱(chēng)平行世界（parallel worlds）、平行時(shí)空（parallel spacetimes）、平行次元（parallel dimensions）和代替宇宙（alternative universes）。通常所說(shuō)的平行宇宙，一般是指在我們的宇宙之外還可能存在的與我們所認知的宇宙類(lèi)似的其他宇宙（即分類(lèi)上的第一層平行宇宙）。
在20世紀50年代，有的物理學(xué)家在觀(guān)察量子的時(shí)候，發(fā)現了已知道的四種相互作用力。而由于宇宙空間的所有物質(zhì)都是由量子組成，所以這些科學(xué)家推測既然每個(gè)量子都產(chǎn)生不同的相互作用力，那么宇宙也有可能并不只是一種相互作用力，而是由多個(gè)截然不同的相互作用力宇宙組成。平行宇宙的平行作用力宇宙概念的提出，得益于現代量子力學(xué)的不同相互作用力事實(shí)，尤其直接對立萬(wàn)有引力宇宙。
基本概要
平行宇宙
相互平行的兩個(gè)宇宙，
既不重合，也不相交，可謂“井水不犯河水”。雖然有時(shí)通過(guò)一些偶然的事件，兩個(gè)宇宙能相互感知對方的存在；但一般而言，仍是“雞犬之聲相聞，老死不相往來(lái)”。
三個(gè)相互平行的宇宙
有學(xué)者描述平行宇宙時(shí)用了這樣的比喻，它們可能處于同一空間體系，但時(shí)間體系不同，就好像同在一條鐵路線(xiàn)上疾馳的先后兩列火車(chē)；它們有可能處于同一時(shí)間體系，但空間體系不同，就好像同時(shí)行駛在立交橋上下兩層通道中的小汽車(chē)。
提出背景
平行宇宙的概念，并不是因為時(shí)間旅行悖論提出來(lái)的，它是來(lái)自量子力學(xué)，因為量子力學(xué)有一個(gè)不確定性，就是量子的不確定性。平行宇宙概念的提出，得益于現代量子力學(xué)的科學(xué)發(fā)現。在20世紀50年代，有的物理學(xué)家在觀(guān)察量子的時(shí)候，發(fā)現每次觀(guān)察的量子狀態(tài)都不相同。而由于宇宙空間的所有物質(zhì)都是由量子組成，所以這些科學(xué)家推測既然每個(gè)量子都有不同的狀態(tài)，那么宇宙也有可能并不只是一個(gè)，而是由多個(gè)類(lèi)似的宇宙組成。
多世界解釋
埃弗雷特提出了一個(gè)大膽的想法：如果波函數沒(méi)有“塌縮”，則它必定保持線(xiàn)性增加。也就是說(shuō)，上述實(shí)驗中電子即使再觀(guān)測后仍然處在左/右狹縫的疊加狀態(tài)。埃弗雷特由此進(jìn)一步提出：人們的世界也是疊加的，當電子穿過(guò)雙縫后，處于疊加態(tài)的不僅僅是電子，還包括整個(gè)的世界。也就是說(shuō)，當電子經(jīng)過(guò)雙縫后，出現了兩個(gè)疊加在一起的世界，在其中的一個(gè)世界里電子穿過(guò)了左邊的狹縫，而在另一個(gè)世界里，電子則通過(guò)了右邊的狹縫。這樣，波函數就無(wú)需“塌縮”，去隨機選擇左還是右，因為它表現為兩個(gè)世界的疊加：生活在一個(gè)世界中的人們發(fā)現在他們那里電子通過(guò)了左邊的狹縫，而在另一個(gè)世界中，人們觀(guān)察到的電子則在右邊。以“薛定諤的貓”來(lái)說(shuō)，埃弗雷特指出兩只貓都是真實(shí)的。有一只活貓，有一只死貓，但它們位于不同的世界中。問(wèn)題并不在于盒子中的發(fā)射性原子是否衰變，而在于它既衰變又不衰變。當觀(guān)測者向盒子里看時(shí)，整個(gè)世界分裂成它自己的兩個(gè)版本。這兩個(gè)版本在其余的各個(gè)方面是完全相同的。唯一的區別在于其中一個(gè)版本中，原子衰變了，貓死了；而在另一個(gè)版本中，原子沒(méi)有衰變，貓還活著(zhù)。前述所說(shuō)的“原子衰變了，貓死了；原子沒(méi)有衰變，貓還活著(zhù)”這兩個(gè)世界將完全相互獨立平行地演變下去，就像兩個(gè)平行的世界一樣。量子過(guò)程造成了“兩個(gè)世界”，這就是埃弗雷特前衛的“多世界解釋”。
這個(gè)解釋的優(yōu)點(diǎn)是：薛定諤方程始終成立，波函數從不塌縮，由此它簡(jiǎn)化了基本理論。它的問(wèn)題是：設想過(guò)于離奇，付出的代價(jià)是這些平行的世界全都是同樣真實(shí)的。這就難怪有人說(shuō)：“在科學(xué)史上，多世界解釋無(wú)疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。”
哥本哈根解釋
從20世紀20年代起，許多物理學(xué)家都為量子力學(xué)中，微觀(guān)粒子的狀態(tài)用波函數（Wave function）來(lái)描述。當微觀(guān)粒子處于某一狀態(tài)時(shí)，它的力學(xué)量（如坐標、動(dòng)量、角動(dòng)量、能量等）一般不具有確定的數值，而具有一系列可能值，每個(gè)可能值以一定的概率出現（宏觀(guān)物體處于某一狀態(tài)時(shí)，它的力學(xué)量具有確定的數值）。也就是說(shuō)，微觀(guān)粒子的運動(dòng)具有不確定性和概率性。波函數就能描述微觀(guān)粒子在空間分布的概率。
物理學(xué)中著(zhù)名的“單電子雙縫干涉”實(shí)驗正是微觀(guān)粒子運動(dòng)不確定性和隨機性的體現。在這個(gè)實(shí)驗中，單電子通過(guò)雙縫后竟然發(fā)生了干涉。在經(jīng)典力學(xué)看來(lái)，電子在同一時(shí)刻只能通過(guò)一條縫，它不可能同時(shí)通過(guò)兩條縫并發(fā)生干涉；而根據量子力學(xué)，電子的運動(dòng)狀態(tài)是以波函數形式存在，電子有可能在同一時(shí)刻既通過(guò)這條狹縫，又通過(guò)那條狹縫，并發(fā)生干涉。但是，當科學(xué)家試圖通過(guò)儀器測定電子究竟通過(guò)了哪條縫時(shí)，永遠只會(huì )在其中的一處發(fā)現電子。兩個(gè)儀器也不會(huì )同時(shí)偵測到電子，電子每次只能通過(guò)一條狹縫。這看起來(lái)好像是測量者的觀(guān)測行為改變了電子的運動(dòng)狀態(tài)，這種反常的現象又作何解釋呢，物理學(xué)家玻爾提出了著(zhù)名的“哥本哈根解釋”：當人們未觀(guān)測時(shí)，電子在兩條縫位置都有存在的概率；但是，一旦被測量了，比如說(shuō)測得該電子在左縫位置，電子有了準確的位置，它在該點(diǎn)的概率為1，其他點(diǎn)的概率為0。也就是說(shuō)，該電子的波函數在被測量的瞬間“塌縮”到了該點(diǎn)。
玻爾把觀(guān)察者及其意識引入了量子力學(xué)，使其與微觀(guān)粒子的運動(dòng)狀態(tài)發(fā)生關(guān)系。但觀(guān)察者和“塌縮”的解釋并不十分清晰和令人信服，也受到了很多科學(xué)家的質(zhì)疑。例如，塌縮是如何發(fā)生的，是在一瞬間就發(fā)生，還是要等到光子進(jìn)入人們的眼睛并在視網(wǎng)膜上激起電脈沖信號后才開(kāi)始。
發(fā)展歷程
思想雛形
公元前5世紀，德謨克利特就提出“無(wú)數世界”的概念，認為“無(wú)數世界”是原子通過(guò)自身運動(dòng)形成的。他說(shuō)：“原子在虛空中任意移動(dòng)著(zhù)，而由于它們那種急劇、凌亂的運動(dòng)，就彼此碰撞了，并且，在彼此碰在一起時(shí)，因為有各種各樣的形狀，就彼此勾結起來(lái)，這樣就形成了世界及其中的事物，或毋寧說(shuō)形成了無(wú)數世界。”
公元前4世紀，伊壁鳩魯表述了世界多元性的思想：“存在著(zhù)無(wú)限多個(gè)世界，它們有的像我們的世界，有的不像我們的世界。”“在一切世界里，都有我們這個(gè)世界里所見(jiàn)到的動(dòng)物、植物以及其他事物。”
萊布尼茨提出了他的“可能世界”的概念，設想在必然世界（可觀(guān)測的宇宙）范圍之外還存在著(zhù)無(wú)窮多個(gè)“可能世界”。他認為世界由無(wú)限的單子組合而成，單子之間沒(méi)有因果關(guān)系，而是某種前定的和諧關(guān)系，單子雖然各自獨立，但它們之間有品極高低的差異。萊布尼茲把某個(gè)現實(shí)事件的出現，例如，具體的人，闡釋為許多單子組合的結果，各種不同的組合的結果與單子中更勝一籌的單子的主導作用有關(guān)。這意味著(zhù)世界可以用不同的樣子，任何事件都是偶發(fā)的，甚至整個(gè)宇宙也是如此。
正式提出
物理學(xué)家埃弗雷特提出了自己對量子測量問(wèn)題的想法。他指出，在量子力學(xué)中，存在多個(gè)平行的世界，在每個(gè)世界中，每次量子力學(xué)測量的結果各自不同，因此不同的歷史發(fā)生在不同的平行宇宙中。多世界解釋認為，對測量裝置的觀(guān)察，會(huì )使得測量裝置被分解為兩個(gè)。并且在這個(gè)測量鏈上，這種分解會(huì )不斷地進(jìn)行下去。伴隨著(zhù)這種分解，一定有一個(gè)完全的宇宙的復制。也就是說(shuō)，只要有一個(gè)量子測量發(fā)生，那么，每個(gè)宇宙分支，以及這個(gè)分支中的分量就會(huì )導致一個(gè)可能的測量結果。每個(gè)處在特殊宇宙分支中的人都會(huì )認為，他的測量結果和所處的宇宙是唯一存在的。也就是說(shuō)，一次測量產(chǎn)生了一次新的宇宙。這些各自不同的新宇宙，除非完全相同，否則絕無(wú)重合的可能。這一理論的發(fā)表，標志著(zhù)平行宇宙概念的正式提出。
研究現狀
存在證據
宇宙學(xué)家認為平行宇宙有可能被探測到，當人們所在的宇宙與另一個(gè)平行宇宙之間發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì )在宇宙微波背景輻射中留下痕跡。一旦軌道望遠鏡發(fā)現背景輻射中的可疑痕跡，暗示這可能是來(lái)自另一個(gè)平行宇宙。英國天文學(xué)家稱(chēng)找到了支持平行宇宙論的證據。通過(guò)對宇宙微波背景輻射圖的研究，他們發(fā)現了四個(gè)由“宇宙摩擦”形成的圓形圖案，這表明我們的宇宙可能至少4次進(jìn)入過(guò)其他宇宙。
宇宙微波背景輻射
普朗克望遠鏡繪制的地圖顯示了微波背景輻射的分布情況，科學(xué)家認為大爆炸后期殘留的輻射均勻分布于宇宙空間中，尤其是在南天。北卡羅萊納州大學(xué)教堂山分校理論物理學(xué)家勞拉·梅爾西尼-霍頓博士與來(lái)自卡內基·梅隆大學(xué)教授理查德·霍爾曼在2005年就預言了異常輻射的存在，并認為由于平行宇宙的存在導致了輻射分布異常。梅爾西尼-霍頓博士認為普朗克探測器的數據支持了平行宇宙存在的假設，這意味著(zhù)在人們所處的宇宙之外還存在無(wú)限多的宇宙，正是由于其他宇宙的拖拽效應使得南天出現分布不均的輻射。
根據普朗克探測器的數據，梅爾西尼霍頓博士認為自己的假設已經(jīng)被證明，在人們所處的宇宙之外還存在更多的平行宇宙，由于這些宇宙的存在，導致了背景輻射的異常，這一切都體現在宇宙學(xué)理論無(wú)法解釋的冷斑時(shí)空中。隸屬于歐空局的普朗克空間望遠鏡具有非常高的觀(guān)測精度，其繪制的精確CMB圖像為科學(xué)家打開(kāi)了一扇通往另一個(gè)時(shí)空的大門(mén)。
理論進(jìn)展
2014年10月31日，物理學(xué)家稱(chēng)，“平行宇宙”的確存在，給不同版本的“我們”提供生存空間。不僅如此，平行宇宙之間還會(huì )相互影響，所以才會(huì )出現微觀(guān)層面種種奇怪的物理學(xué)現象。澳大利亞格里菲斯大學(xué)和美國加州大學(xué)學(xué)者聯(lián)合提出上述理論。他們認為，平行宇宙不僅存在，而且相互影響，并非各自獨立地發(fā)展變化；而相互作用，恰好能夠解釋微觀(guān)物理研究發(fā)現的粒子奇怪的反應。
格里菲斯大學(xué)物理學(xué)教授霍華德·威斯曼說(shuō)：“大概在1957年左右，量子物理學(xué)界出現了平行宇宙的想法。照此推斷，量子測量每進(jìn)行一次，一個(gè)宇宙就會(huì )產(chǎn)生出新的分支宇宙。所以就產(chǎn)生了無(wú)數的可能性——在有的宇宙里，隕石沒(méi)有砸中地球，恐龍們幸存下來(lái)。再換一個(gè)宇宙，澳大利亞就成了葡萄牙人的殖民地了。
威斯曼和同事們認為，人們所處的宇宙不過(guò)是浩如煙海的眾多的宇宙中的滄海一粟。這些宇宙同時(shí)存在，有的和人們所在的宇宙相似，有的則大不相同。威斯曼還表示，比較“靠近”的宇宙會(huì )相互排斥，增加相互之間的差異。
研究前景
科學(xué)家將會(huì )有多種方法檢驗這些平行宇宙的理論，甚至可能排除其中的一些。在今后幾十年，隨著(zhù)宇宙測量技術(shù)的巨大進(jìn)步，通過(guò)諸如宇宙微波背景輻射探測、大尺度物質(zhì)分布測量等，科學(xué)家會(huì )進(jìn)一步限定空間的彎曲和拓撲結構，從而檢驗第一層平行宇宙理論。而更精確的暴脹測量，可以用來(lái)檢驗第二層平行宇宙的理論。天體物理學(xué)和高能物理學(xué)的共同進(jìn)步，也會(huì )確定物理常量的微調程度，從而削弱或加強第二層的存在可能。如果全球制造量子計算機的努力能夠成功。那么它將會(huì )為第三層宇宙的存在提供進(jìn)一步的證據，因為它在本質(zhì)上要利用第三層平行宇宙的平行性來(lái)做平行計算。相反，糾正不守恒的實(shí)驗證據則會(huì )排除第三層。最后，現代物理的重大挑戰，統一廣義相對論和量子場(chǎng)論的成功或失敗，會(huì )給第四層宇宙的研究帶來(lái)更多啟示。科學(xué)家可能最終找到一個(gè)和人們的宇宙相匹配的數學(xué)結構，也可能突然碰到不可思議的數學(xué)有效性極限，從而不得不放棄第四層。
類(lèi)型層次
提出時(shí)間
四種不同類(lèi)型的平行宇宙
第一層：視界之外
如果空間是無(wú)限的，而且物質(zhì)分布在大尺寸上是足夠均勻的，那么即使最不可能發(fā)生的事情也必然發(fā)生在某處。特別地，應該存在無(wú)限多有人的行星，而且包括不是一個(gè)而是無(wú)限多和你一樣的外表、姓名、記憶的人。無(wú)限多和我們可觀(guān)測宇宙大小一樣的區域確實(shí)存在，在那里任何可能的宇宙歷史都會(huì )實(shí)際存在。這就是第一層平行宇宙。
第一層平行宇宙的存在證據
平行宇宙的存在
但是第一層平行宇宙的觀(guān)點(diǎn)，曾經(jīng)也是有過(guò)爭議的（事實(shí)上，梵蒂岡教廷就曾把上述觀(guān)點(diǎn)看作異端邪說(shuō)，并以其為理由之一，于1600年在火刑柱上燒死了布魯諾），所以讓我們來(lái)回顧一下這兩種假設（無(wú)限空間和“足夠均勻”的分布）的地位。
空間有多大。從觀(guān)測來(lái)看，我們宇宙大小的下限已經(jīng)戲劇性地增長(cháng)了很多，并且沒(méi)有停下來(lái)的跡象（圖1.2）。我們都接受這樣的事實(shí)，即我們暫時(shí)看不見(jiàn)，但經(jīng)過(guò)移動(dòng)或等待后可以看見(jiàn)的事物是存在的，例如地平線(xiàn)之下的船只。宇宙視界之外的物體也一樣，隨著(zhù)更遠的光花更多的時(shí)間到達我們這里，可觀(guān)測宇宙的半徑每年都擴大一光年。既然我們都在學(xué)校學(xué)過(guò)簡(jiǎn)單的歐幾里得空間，所以很難想象空間不是無(wú)限的——誰(shuí)能想象某處插著(zhù)幾塊牌子，上書(shū)“空間到此結束，當心下面的溝”。但愛(ài)因斯坦的引力理論允許空間是有限的，只要是以不同歐幾里得空間的方式相連，例如四維球或一個(gè)甜甜圈的拓撲結構，從而使朝一個(gè)方向的旅行最終可以把你帶到相反方向。宇宙微波背景輻射可以用來(lái)細致檢驗這樣的有限模型，但至今還沒(méi)有給出任何支持——平坦的無(wú)限模型非常符合觀(guān)測數據，而空間彎曲和多連通拓撲結構的模型都有很強的限制。而且，空間無(wú)限宇宙是暴脹宇宙理論的直接預言。下面所列出的暴脹理論的巨大成功進(jìn)一步支持了空間就是像我們在學(xué)校里學(xué)的一樣簡(jiǎn)單而無(wú)限。
平行宇宙
大尺度的物質(zhì)分布有多均勻呢。在一個(gè)“島宇宙”模型里，時(shí)間是無(wú)限的，但物質(zhì)都集中在在一個(gè)有限區域，于是第一層平行宇宙幾乎所有的成員都死氣沉沉的，只有空空的空間。在歷史上這樣的模型曾經(jīng)流行過(guò)，一開(kāi)始認為這個(gè)島就是地球和裸眼可見(jiàn)的天體，在20世紀早期認為銀河星系的已知部分。另一個(gè)非均勻的選擇就是分形宇宙，其中物質(zhì)分布是自相似的，宇宙星系分布的所有結構都只是一個(gè)更大的自相似結構的一小部分。島宇宙和分形宇宙的模型都是最近的觀(guān)測推翻了。三維的星系分布圖顯示，觀(guān)測到的特殊大尺度結構（星系群，星系團，超星系團）讓位給大尺度上的單調均勻，自相似結構都不超過(guò)10^24米。更量化一下，設想在不同的隨機位置上放置一個(gè)半徑為R的球，測量里面每次包含多少質(zhì)量，并計算每次測量值的變化，用標準偏差△M來(lái)表示。已知測量的相對波動(dòng)△，在R～3×10^23米的尺度以下，偏差在1的量級，而在更大的尺度上，偏差變小。斯隆數字巡天計劃（Sloan Digital Sky Survey）顯示，在R～3×10^25米的尺度上△就只有1%了，而且宇宙微波背景輻射的測量也確認，均勻化的趨勢一直延續到我們的可觀(guān)測宇宙邊緣（R～3×10^27米），這時(shí)△～10 。不考慮認為宇宙的設計整個(gè)就是愚弄我們的懷疑論論調，觀(guān)測結果明確表明：我們熟悉的空間必然延伸到可觀(guān)測宇宙之外，那里也同樣充滿(mǎn)星系、恒星和行星。
第一層平行宇宙是什么樣的
對世界的物理描述傳統上分為兩部分：初始條件，以及決定初始條件如何演化的物理定律。住在第一層平行宇宙的觀(guān)察者和我們觀(guān)察到完全相同的物理定律，但初始條件卻和我們所在的哈勃體積中的不同。比較看好的理論認為，初始條件（早期的密度和不同類(lèi)物質(zhì)的運動(dòng)）由暴脹時(shí)代的量子波動(dòng)所產(chǎn)生。量子力學(xué)形成了實(shí)際上是隨機的初始條件，產(chǎn)生了被數學(xué)家稱(chēng)為遍歷隨機場(chǎng)（ergodic random field）所描述的密度波動(dòng)。遍歷意味著(zhù)，如果你假想一個(gè)許多宇宙的集合，每個(gè)宇宙都有著(zhù)自己隨機的初始條件，在一個(gè)給定提及范圍內出現各種結果的概率分布，和你在同一個(gè)宇宙的不同體積取樣得到的概率分布是一樣的。也就是說(shuō)，任何在原則上可以發(fā)生在這里的事情，在其他的某個(gè)地方實(shí)際上就會(huì )發(fā)生。
暴脹實(shí)際上導致了所有概率不為零的可能的初始條件，最可能的是那些波動(dòng)在10 量級，均勻分布的初始條件。這些波動(dòng)被引力聚集（gravitational clustering）過(guò)程加強放大，從而形成星系、恒星、行星以及其他結構。這意味著(zhù)，不僅幾乎所有可以想象的物質(zhì)構成都發(fā)生在某個(gè)遙遠的哈勃體積內，而且我們應該認識到，我們的哈勃體積是相當典型的——至少在那些包含觀(guān)察者的哈勃體積中是典型的。一個(gè)粗略估計顯示，距你最近的那個(gè)和你一模一樣的人將遠在10^(10^29)米之外。而在10^(10^91)米外才會(huì )有一個(gè)半徑100光年的區域，它里面的一切與我們居住的空間完全相同，也就是說(shuō)未來(lái)100年內我們的所有經(jīng)歷都會(huì )和我們的副本一致。而至少10^(10^115)米之外該區域才會(huì )增大到哈勃體積那么大。這就引起了一個(gè)有趣的哲學(xué)問(wèn)題，它不久之后將會(huì )困擾我們：如果真的存在那么多和“你”有完全一樣的經(jīng)歷和生活的副本，即使你掌握了整個(gè)宇宙態(tài)的完全知識，你也不能計算你自己的未來(lái)。原因是，你將不能決定哪一個(gè)副本才是“你”（他們都自認為是）。但他們的人生最終將是不同的，所以你最多只能預計你今后各種經(jīng)歷的概率。傳統決定論的觀(guān)點(diǎn)就此終結。
怎樣證明或證偽一個(gè)平行宇宙理論
平行宇宙這一理論是不是屬于形而上學(xué)而非物理。正如卡爾·波普爾（Karl Popper）所強調的，物理和形而上學(xué)的區別就在于，理論是否能被實(shí)踐證明和證偽。一個(gè)理論包含不可觀(guān)測的實(shí)體，本質(zhì)上并不能說(shuō)明它不可檢驗。例如，一個(gè)理論宣稱(chēng)666個(gè)平行宇宙，每個(gè)都缺少氧，從這個(gè)理論可以做出可檢驗預言，那就是我們在這里應該不能觀(guān)測到氧，所以這個(gè)理論能被觀(guān)測排除。
一個(gè)更嚴肅的例子是，第一層平行宇宙的框架常常被用來(lái)排除現代天文學(xué)的理論，雖然很少有人明確地那么說(shuō)。例如，關(guān)于宇宙微波背景輻射（CMB）觀(guān)測顯示，空間幾乎沒(méi)有彎曲。CMB圖上溫度高和溫度低的點(diǎn)都有一個(gè)特征尺度，這一尺度取決于空間曲率，觀(guān)測到的點(diǎn)都過(guò)大，不符合先前流行的“開(kāi)放宇宙”模型。但是，平均的點(diǎn)的大小在每個(gè)哈勃體積上有些隨機的差別，所以做到統計精確是很重要的。當宇宙學(xué)家說(shuō)開(kāi)放宇宙模型以99.9%的置信度被排除時(shí)，他們真正說(shuō)的是，如果開(kāi)放宇宙模型是正確的，那么顯示出我們所觀(guān)測到大小的CMB點(diǎn)的哈勃體積少于總數的千分之一——所以擁有無(wú)限多哈勃體積的模型就被排除了，即使我們只在自己的特殊哈勃體積中（當然）顯示了CMB圖。
我們從這個(gè)例子上得到的經(jīng)驗是：平行宇宙這一理論可以被實(shí)踐證明或證偽，但這要求理論給出平行宇宙集合的預言，并給出其概率分布（或更一般的，給出數學(xué)家所說(shuō)的測量）。我們接下來(lái)將會(huì )看到，解答測量問(wèn)題不容易，有些平行宇宙理論中，這一問(wèn)題還沒(méi)有得到解決。
第二層：后暴脹泡沫
即其他后暴脹泡沫，具有不同的有效物理定律、物理常數、時(shí)空維度、粒子種類(lèi)。
若覺(jué)得第一層平行宇宙太大，簡(jiǎn)直無(wú)法容忍。那么試著(zhù)想象一下無(wú)窮多個(gè)完全不同的宇宙（每個(gè)在圖1.1用一個(gè)泡沫表示），這些宇宙甚至有不同的維度和物理常數。這就是現在流行的混沌暴脹理論所預言的，我們稱(chēng)之為第二層平行宇宙。這些宇宙屬于不同的范疇，離開(kāi)得比無(wú)限遠還要遙遠，也就是說(shuō)即使你以光速前進(jìn)無(wú)窮長(cháng)的時(shí)間也到不了那里。原因是，我們的第一層平行宇宙團和鄰近的第一層平行宇宙團之間的空間仍在暴脹，空間延展和創(chuàng )造新體積的速度遠大于你能穿過(guò)它的速度。不過(guò)，你可以到達任意遠的第一層平行宇宙，只要你足夠耐心，而且宇宙膨脹減速的話(huà)。
第二層平行宇宙的存在的證據
到20世紀70年代，大爆炸模型，已經(jīng)被證明是一個(gè)成功解釋了我們宇宙的大部分歷史的理論。它揭示了原始火球怎樣膨脹并冷卻，在40萬(wàn)年后怎樣變得透明，怎樣發(fā)出宇宙微波背景輻射，并通過(guò)引力聚集過(guò)程形成密度起伏，產(chǎn)生了星系、恒星和行星。但仍然存在惱人的問(wèn)題，到底發(fā)生了什么。是無(wú)中生有嗎。所有那些超重粒子，例如粒子物理預言的磁單極子，早期時(shí)應該在哪里被創(chuàng )造（“磁單極子疑難”）。為什么空間是現在這么大，這么老，這么平坦，而一般的初始條件都預言在10秒量級之后，彎曲度會(huì )隨時(shí)間增長(cháng)，密度要么趨于0要么趨于無(wú)窮大（“平坦性疑難”）。是什么機制導致了沒(méi)有因果聯(lián)系的空間區域上CMB溫度都是基本一致的（“視界疑難”）。又是什么機制產(chǎn)生了在10水平上的原始密度起伏，從而長(cháng)出所有宇宙結構。
暴脹過(guò)程一舉解決了所有這些疑難，成為關(guān)于宇宙極早期的最流行理論。暴脹是空間的快速拉伸，它稀釋了磁單極子和其他殘余物，使空間就像一個(gè)膨脹氣球的表面一樣平坦均勻，并使量子真空波動(dòng)演變成宏觀(guān)大的密度波動(dòng)從而形成星系。從一開(kāi)始，暴脹就通過(guò)了附加的檢驗：CMB觀(guān)測顯示，空間是極端平坦的，并測出初始波動(dòng)具有近乎隨尺度不變的波譜，沒(méi)有物質(zhì)的引力波成分，所有這些都和暴脹所預言的完全一致。
暴脹是很多基本粒子理論中的普遍現象。在流行的混沌暴脹模型中，暴脹在空間的某些區域停下來(lái)，使得我們所知的生命能夠出現，同時(shí)量子波動(dòng)導致其他區域暴脹得更快。本質(zhì)上，一個(gè)暴脹中的泡沫產(chǎn)生出其他暴脹泡沫，這些暴脹泡沫再產(chǎn)生更多的泡沫，從而形成無(wú)限的連鎖反應。暴脹停止的泡沫就是第二層平行宇宙的構成元素。每個(gè)泡沫在尺度上都是無(wú)限的，而因為永不停止的連鎖反應，泡沫數量也是無(wú)限的。（雖然泡泡宇宙的產(chǎn)生能以 2^n 的形式增長(cháng)，而n趨勢于無(wú)窮，這或許與整數集的取冪很像，但這依舊是可數無(wú)窮的。）在這種情況下，同樣不存在時(shí)間的開(kāi)端和絕對的大爆炸：過(guò)去、現在和將來(lái)都永遠只是存在無(wú)數的暴脹泡沫和后暴脹區域，就像我們居住的地方一樣，形成一個(gè)分形圖樣。
第二層平行宇宙是什么樣的
大家普遍認為，人們觀(guān)察到的物理，只是一個(gè)更加對稱(chēng)的理論的低能極限，這個(gè)理論只在極端高溫下才起作用。基礎理論也許是二維的，超對稱(chēng)的，包含自然界四種基本作用力的大統一。這種理論的一個(gè)共性是，驅動(dòng)暴脹的場(chǎng)的勢能有著(zhù)幾個(gè)不同的最小值（被稱(chēng)為“真空態(tài)”），相應于破缺對稱(chēng)的不同途徑，也相應于得到的不同的低能物理。例如：可以把除三個(gè)空間維度之外的所有維度都卷起來(lái)（“壓縮”），形成有效的三維空間，就像我們所處的空間一樣。或者也可以把更少的維度卷起來(lái)，留下一個(gè)七維空間。驅動(dòng)混沌暴脹的量子波動(dòng)可以造成各個(gè)泡沫中不同的對稱(chēng)性破缺，導致第二層平行宇宙中不同的成員具有不同的維度。在粒子物理中觀(guān)測到的很多對稱(chēng)性，也來(lái)自于對稱(chēng)性破缺的具體途徑，所以，也許存在只含有兩代而非三代夸克的第二層平行宇宙。
除了維度和基本粒子這些離散的特性之外，我們的宇宙還被一組無(wú)維度的數——物理常量所刻畫(huà)。其中包括電子/質(zhì)子質(zhì)量比≈1836，即宇宙學(xué)常數，它在普朗克單位中約是10。有模型顯示，這樣的連續參量在各個(gè)后暴脹泡沫中互不相同。
※注：
這樣，第二層平行宇宙就可能比第一層平行宇宙更為多樣化，不僅初始條件不同，而且維度、基本粒子和物理常數都不相同。
在繼續之前，先來(lái)評論一下幾個(gè)密切相關(guān)的平行宇宙概念。首先，如果能存在一個(gè)第二層平行宇宙，并不斷以分形的形式自我復制，那么將會(huì )出現無(wú)限多個(gè)完全分離的其他第二層平行宇宙。但是，這些宇宙變體是不可檢驗的，因為它既沒(méi)有增加任何實(shí)質(zhì)上不同的世界，也沒(méi)有改變它們所含物質(zhì)的概率分布。在每個(gè)第二層平行宇宙中，所有可能的初始條件和對稱(chēng)性破缺都已經(jīng)實(shí)現了。
托爾曼和惠勒教授層提出一個(gè)想法，（第一層）平行宇宙是周期性的，要經(jīng)歷一系列無(wú)限的大爆炸。這個(gè)想法已經(jīng)被斯坦哈特和圖爾克闡明了。如果確實(shí)存在，那么這些不同時(shí)期的集合也形成了一個(gè)多元宇宙，可以證明，它和第二層多元宇宙有著(zhù)相似的多樣性。
斯莫林（Smolin）也提出過(guò)一個(gè)想法，一個(gè)和第二層多元宇宙的多樣性相似的集合，但不是在暴脹中，而是通過(guò)黑洞、變異和產(chǎn)生的新的宇宙。這就預言了一個(gè)自然選擇的形式，傾向于產(chǎn)生最多黑洞的宇宙。
在膜世界的設定中，存在另一個(gè)和我們的世界非常類(lèi)似的三維世界，只是在高緯上有一定差別。但是這樣一個(gè)世界（“膜”），是否可以被稱(chēng)為和我們的世界不同的平行世界還不一定，因為我們也許能夠用引力和它相互作用，就像我們跟暗物質(zhì)那樣。
微調和選擇效應
圖1.3
假想你住進(jìn)一座旅館，被分到一個(gè)房間，門(mén)牌號碼是1967。你驚奇地發(fā)現，這數字正是你出生的年份。不過(guò)你隨即反應過(guò)來(lái)，這完全不算什么巧合。整個(gè)旅館有成百上千的房間，其中有一間門(mén)牌數和你生日相同很正常。然而你若看見(jiàn)的是另一個(gè)數字，便不會(huì )引發(fā)上面的思考。于是你認識到，即便對旅館一無(wú)所知，也可以推斷出還有很多房間，因為如果只有一個(gè)房間，那么你就遇到了一個(gè)沒(méi)有解釋的巧合。
再舉一個(gè)更貼切的例子，考慮太陽(yáng)質(zhì)量M。M影響太陽(yáng)的發(fā)光度，通過(guò)基本的物理計算就可以得出，只有在M處于1.6×10^30～2.4×10^30千克這樣一個(gè)狹窄范圍內時(shí)，地球上我們所知的生命才可能存在——否則地球上的氣溫將比火星更冷，或者比金星更熱。測量值正好是2.0×10^30千克。乍看之下，可居住的M值無(wú)疑是種令人困惑的巧合，由計算可知絕大多數恒星的質(zhì)量分布于10^29～10^32千克的巨大范圍內。然而有了旅館的經(jīng)驗，我們便明白這種表面的巧合實(shí)為一個(gè)集合中的選擇效應：如果存在許多太陽(yáng)系，其中心恒星和行星軌道有一定分布，我們顯然應該生活在適于居住的太陽(yáng)系里。
更普遍地來(lái)說(shuō)，某些物理參量正好是可居住的觀(guān)測值，這樣的巧合可以被看作一個(gè)更大的集合的存在證據，而我們觀(guān)察到的只是其中一個(gè)元素。雖然其他的旅館房間和其他太陽(yáng)系的存在，是毋庸置疑并被觀(guān)測證實(shí)了的，但平行宇宙的存在還沒(méi)有，因為它們不能被觀(guān)測到。但是如果觀(guān)察到物理常數的微調，那就可以通過(guò)和上面同樣的邏輯來(lái)論證它們的存在（圖1.4）。實(shí)際上，存在很多微調的例子，顯示具有不同物理常數的平行宇宙確實(shí)存在，盡管微調的程度仍然在大家仍在激烈爭論，并需要由進(jìn)一步計算所澄清。
例如，如果電磁力減弱4%，太陽(yáng)就會(huì )瞬間爆炸（雙質(zhì)子能形成束縛態(tài)，使太陽(yáng)的發(fā)光度增大10 倍）。如果電磁力再強一點(diǎn)，那么穩定原子會(huì )少很多。實(shí)際上，大部分（如果不是全部）影響低能物理的參量都在某個(gè)水平上被微調過(guò)，也就是說(shuō)即使只改變少許，我們的宇宙也會(huì )變得太不相同。
如果弱相互作用再弱一些，宇宙中就不會(huì )有氫，因為它會(huì )在大爆炸后迅速變成氦。無(wú)論它是變得更強還是更弱，超新星爆炸形成的中微子都不能?chē)姵龀滦牵疑纬伤枰?/span>重元素，能否離開(kāi)產(chǎn)生它們的恒星也值得懷疑。如果質(zhì)子的質(zhì)量增加0.2%，它們立即衰變成中子，沒(méi)法束縛電子，原子也就無(wú)法穩定存在。如果質(zhì)子-電子質(zhì)量比更小一些，就不會(huì )存在穩定的恒星；如果它更大一些，像晶體和DNA分子這樣的有序結構就不會(huì )出現。
一旦有人提到人擇這一“A打頭的詞”，關(guān)于微調的討論就常常變得激烈起來(lái)。所謂的人擇原理定義五花八門(mén)，解釋各種各樣，它所引發(fā)的混亂已經(jīng)蓋過(guò)了它所帶來(lái)的啟迪。但下面所說(shuō)的MAP一般沒(méi)有爭論，即最小化人擇原理（minimalistic anthropic principle）：
MAP：用觀(guān)測數據檢驗基礎理論時(shí)，忽略選擇效應會(huì )得出不正確的結論。
從我們前面的例子來(lái)看，這是很顯然的：如果我們忽略選擇效應，圍繞一個(gè)太陽(yáng)這么重的恒星旋轉是非常令人驚奇的，因為更輕更暗的恒星也大量存在。同樣，MAP說(shuō)明，混沌爆炸模型并沒(méi)有由于我們正好生活在暴脹停止的極小的分形空間而被排除，因為暴脹的部分不適合我們居住。幸運的是，正如玻爾茲曼一百年前就指出的那樣，選擇定則并不能拯救所有的模型。如果宇宙處于經(jīng)典的熱平衡（熱寂），熱波動(dòng)仍然能夠使原子隨機結合在一起，從而千載難逢地形成了擁有自我意識的一個(gè)你，所以你正好存在這一事實(shí)并不能排除熱寂宇宙模型。但是，你在統計上應該看到，世界的其他部分都應該處于高熵的混亂狀態(tài)中，而不是看到的有序的低熵狀態(tài)，從而排除了這個(gè)模型。
粒子物理的標準模型中有28個(gè)獨立參量，而宇宙學(xué)中可能還有更多。如果我們真的住在第二層多元宇宙中的一個(gè)，那么對于那些在平行宇宙之間的數值不同的物理量，我們永遠不能根據第一性原理預言出它們的觀(guān)測值。將選擇效應考慮在內，我們也只能計算出這些數值的概率分布。我們也會(huì )發(fā)現，這些可能有不同取值的物理量在我們宇宙中的觀(guān)測值，應該普遍的和我們的存在一致。從下面的具體討論中將會(huì )看到，如何定義“普遍”，具體地說(shuō)也就是，如何用物理理論計算概率，變成了令人困窘的棘手問(wèn)題。
第三層：量子力學(xué)中的多世界解釋
即量子波函數的其他分支，沒(méi)有增加任何實(shí)質(zhì)的新東西
前兩層平行宇宙如此遙遠，但這一層平行宇宙卻可能就在我們身邊。如果物理基本方程一直都是被數學(xué)家稱(chēng)為“幺正的”，那么宇宙就會(huì )像漫畫(huà)上那樣，不斷分叉處平行宇宙：只要一個(gè)量子事件可以有隨機結果，那么所有結果實(shí)際上都會(huì )發(fā)生，每一個(gè)形成一個(gè)分支。這就是第三層平行宇宙。雖然與第一層、第二層平行宇宙相比，第三層平行宇宙備受爭議。我們仍會(huì )看到，這一層次并沒(méi)有增加新型的宇宙。
第三層平行宇宙存在的證據
圖1.5
在20世紀20年代，為了擺脫這一不可思議的現象，物理學(xué)家們假設，一旦做出觀(guān)察，波函數立即“塌縮”成某種確定的經(jīng)典結果，其概率由波函數給出。愛(ài)因斯坦對破壞了幺正性的這種自然內在隨機性很不高興，他堅持認為“上帝不擲骰子”。其他人也抱怨沒(méi)有具體指導塌縮何時(shí)發(fā)生的方程。1957年，普林斯頓的學(xué)生休·埃弗雷特（Hugh Everett）在他的物理學(xué)博士論文里提出，這個(gè)有爭議的塌縮假設完全是多余的。量子理論預言，一個(gè)經(jīng)典實(shí)在會(huì )逐漸分裂成許多態(tài)的疊加（圖1.5）。他指出，觀(guān)察者主觀(guān)上只會(huì )將這個(gè)分裂體驗成一種隨機性，隨機概率恰好等于原理的預言。這種經(jīng)典世界的疊加就是第三層多元宇宙。
埃弗雷特的工作仍然留下了兩個(gè)問(wèn)題沒(méi)有回答：首先，如果這個(gè)世界真包含了荒謬的宏觀(guān)疊加，為什么我們沒(méi)有感覺(jué)到。直到1970年才有人回答這個(gè)問(wèn)題，迪特爾·澤（Dieter Zeh）指出，薛定諤方程自己引發(fā)了一種審查效應。這個(gè)效應叫“退相干”，在接下來(lái)的幾十年中沃伊切赫·祖雷克（Wojciech Zurek）和澤等人對其進(jìn)行了仔細研究。研究發(fā)現，相干的量子疊加只要不被世界中的其他部分知道，就會(huì )保持下去。和一個(gè)愛(ài)打聽(tīng)的質(zhì)子或空氣分子的一次碰撞，就足以讓我們在圖1.5中的人永遠無(wú)法意識到，平行的故事線(xiàn)中還有自己的一個(gè)拷貝。埃弗雷特圖像中第二個(gè)沒(méi)有回答的問(wèn)題更為微妙，但同樣重要：什么物理機制選出近似經(jīng)典的狀態(tài)（例如一個(gè)物體一次只能在一個(gè)地方）。它在極端巨大的希爾伯特空間中是相當特殊。退相干同樣回答了這個(gè)問(wèn)題，它認為，經(jīng)典狀態(tài)就是最堅決抵制退相干的那些態(tài)。總的來(lái)說(shuō)，退相干既確定了希爾伯特空間中的第三層平行宇宙，又給它們劃清了界限。退相干已經(jīng)無(wú)可爭議，在各種情況下都被實(shí)驗測量到。既然退相干實(shí)際上能起到波函數塌縮的效果，那么人們就失去了研究非幺正量子力學(xué)的動(dòng)機，埃弗雷特的多世界詮釋日益流行。要了解這些量子文獻的詳細內容，可以在泰格馬克和惠勒的文章中找到流行觀(guān)點(diǎn)，朱利尼等人的著(zhù)作中有技術(shù)性的回顧。
如果波函數的時(shí)間演化是幺正的，那么就存在第三層平行宇宙，物理學(xué)家都在竭力地檢驗這個(gè)關(guān)鍵假設。目前還沒(méi)有發(fā)現對幺正行性的偏離。最近幾十年，巧妙的實(shí)驗證明了更大體系的幺正性，包括極重的碳60巴基球原子，以及千米尺度的光纖系統。在理論方面，一個(gè)反對幺正性的重要爭論涉及黑洞蒸發(fā)時(shí)可能的信息丟失，這意味著(zhù)量子引力效應是非幺正的，從而使波函數塌縮。但弦理論上的一個(gè)突破，叫做AdS/CFT對應的理論指出，量子引力也是幺正的，在數學(xué)上它和一個(gè)低緯的無(wú)引力量子場(chǎng)論是等價(jià)的。
第三層平行宇宙是什么樣的
在討論平行宇宙時(shí)，我們必須先區分考察物理理論的兩種方法：從外面開(kāi)始，研究數學(xué)基本方程的數學(xué)家所持的，也稱(chēng)為“鳥(niǎo)的視角”；生活在方程所描述世界里的觀(guān)察者所持的內部觀(guān)點(diǎn)，也稱(chēng)為“青蛙視角”。以鳥(niǎo)的視角來(lái)看，第三層平行宇宙非常簡(jiǎn)單：只用一個(gè)波函數就能描述，并且它隨時(shí)間平滑而確定地演化，沒(méi)有任何分裂或平行。由整個(gè)演化的波函數描述的抽象量子世界內部，包含了大量平行的經(jīng)典故事線(xiàn)（圖1.5），它們一刻都不停的分裂、合并，經(jīng)典理論無(wú)法描述的許多量子現象也是如此。然而，以青蛙視角來(lái)看，每個(gè)觀(guān)察者只能感知全部真相的一小塊碎片：她只能看見(jiàn)自己所在的哈勃體積（第一層），退相干使她無(wú)法感知到自己的第一層平行副本。當她被問(wèn)問(wèn)題時(shí)，做出快速的決定并回答時(shí)，大腦內神經(jīng)元水平上的量子效應分出多重結果。從鳥(niǎo)的視角看，她唯一的過(guò)去分叉出多重的未來(lái)。而從青蛙視角來(lái)看，她的每個(gè)副本都不知道其他人的存在，所以這個(gè)量子分叉在她看來(lái)不過(guò)是一次小小的隨機事件。實(shí)際上，后來(lái)出現了擁有完全相同的記憶的無(wú)數個(gè)副本，直到她回答了問(wèn)題。
存在多少個(gè)不同的平行宇宙
盡管聽(tīng)起來(lái)很奇怪，圖1.5說(shuō)明完全相同的情況也發(fā)生在第一層平行宇宙中，唯一的區別只在于她的副本在什么地方（要么住在以往舊的三維空間的其他地方，要么住在無(wú)限維的希爾伯特空間的其他的量子分支）。在這個(gè)意義上，第三層不比第一層奇怪多少。實(shí)際上，如果物理理論是幺正的，那么暴脹中的量子漲落，通過(guò)隨機過(guò)程并沒(méi)有產(chǎn)生唯一的初始條件，而是同時(shí)產(chǎn)生了所有可能的初始條件，形成量子疊加，之后退相干再使這些漲落在分立的量子分支中按照本來(lái)的經(jīng)典方式演變。這些量子漲落的遍歷本性意味著(zhù)，一個(gè)給定的第三層哈勃體積（如圖1.3所示在不同的量子分支之間）中結果的分布，和你通過(guò)取樣一個(gè)量子分支中不同的哈勃體積（第一層）得到的分布是一致的。如果物理常數，空間維度等再第二層中都可以改變，那么它們在第三層的平行量子分支中也是各不相同的。原因在于，若物理是幺正的，自發(fā)的對稱(chēng)性破缺過(guò)程就不會(huì )產(chǎn)生唯一（雖然是隨機的）結果，而是產(chǎn)生所有結果的疊加，并迅速退相干形成各個(gè)獨立的第三層分支。簡(jiǎn)而言之，第三層平行宇宙如果存在，也沒(méi)有在第一層和第二層上增加任何新東西——它不過(guò)是它們更難以區分的復制品罷了，同樣的事情在各個(gè)量子分支中一遍遍重復。這種重復顯然不符合奧卡姆（Occam）剃刀原理，不過(guò)要是為了擺脫第三層宇宙，硬假設一個(gè)還沒(méi)看到的非幺正效應出來(lái)，奧卡姆也滿(mǎn)意不到哪里去。
關(guān)于埃弗雷特的平行宇宙一度激烈的爭論，在發(fā)現了一種恰好差不多大，但爭議較少的多重宇宙之后，突然銷(xiāo)聲匿跡了。這讓人不禁回想起20世紀20年代中著(zhù)名的夏普利一柯蒂斯（Shapley-Cur—tis）爭論：到底是有大量的星系（在那時(shí)的標準來(lái)看就相當于平行宇宙）還是只有一個(gè)。考慮到現在的研究已經(jīng)轉移到其他星系團、超星系團，甚至哈勃體積，再來(lái)看這場(chǎng)爭論，不過(guò)是茶杯中掀起的一場(chǎng)風(fēng)暴罷了。事后來(lái)看，無(wú)論是夏普利一柯蒂斯爭論還是埃弗雷特爭論，這些爭論的產(chǎn)生無(wú)疑都是離奇的，反映了我們對擴展視界的本能抗拒。
多重宇宙
遍歷性意味著(zhù)，第三層平行宇宙的量子態(tài)在空間平移下是不變的，和時(shí)間平移一樣，是一個(gè)幺正操作。如果在時(shí)間平移下也是不變的（可以通過(guò)這樣實(shí)現：構建一組無(wú)限多量子態(tài)的疊加，其中每個(gè)態(tài)是同一量子態(tài)的不同時(shí)間平移態(tài)，這樣不同的時(shí)間發(fā)生的大爆炸就在不同的量子分支中），那么宇宙數目就會(huì )自動(dòng)保持常數。所有可能的宇宙快照在每時(shí)每刻都存在，而時(shí)間的推移不過(guò)是觀(guān)看者眼中的景象——這是在科幻小說(shuō)《排列城》（Permutation City）中提出的想法，而后被多伊奇（Deutsch）、巴布爾（Barbour）等人發(fā)展了。
兩種世界觀(guān)
銀河系漫游指南
正如在科幻諷刺電影《銀河系漫游指南》（Hitchhiker's Guideto the Galaxy）中說(shuō)的那樣，已經(jīng)發(fā)現答案就是“42”，而困難在于找出真正的問(wèn)題。關(guān)于平行宇宙的問(wèn)題，就像關(guān)于實(shí)在的疑問(wèn)一樣深刻，但除此之外，還有一個(gè)更深刻的問(wèn)題：就是關(guān)于物理實(shí)在和數學(xué)的地位問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題存在兩種都有道理但截然相反的觀(guān)點(diǎn)，這一分歧的形成甚至可以追溯到柏拉圖和亞里士多德時(shí)代，問(wèn)題是：誰(shuí)才是正確的呢。
亞里士多德模型：主觀(guān)感覺(jué)上的青蛙視角是真實(shí)的物理，而鳥(niǎo)的視角和它所有的數學(xué)語(yǔ)言都不過(guò)是一種有用的近似。
柏拉圖模型：鳥(niǎo)的視角（數學(xué)結構）才是真正的“真實(shí)”，而青蛙視角和我們用來(lái)描述它的所有人類(lèi)語(yǔ)言，都只是對我們主觀(guān)感覺(jué)的有效近似。
哪個(gè)更為基本——青蛙視角還是鳥(niǎo)的視角，人類(lèi)語(yǔ)言還是數學(xué)語(yǔ)言。你的回答將決定你怎樣看待平行宇宙。如果你傾向于柏拉圖模型，你會(huì )覺(jué)得平行宇宙是很自然的，我們感覺(jué)第三層平行宇宙是“不可思議的”，只是反映了青蛙和鳥(niǎo)的視角的極端不同。我們破壞了對稱(chēng)，把后者當作不可思議的，只是因為我們從小就被灌輸了亞里士多德模型，那時(shí)我們還遠沒(méi)有接觸數學(xué)——柏拉圖觀(guān)點(diǎn)是后天培養出來(lái)的品位。
在第二種（柏拉圖）模型下，任何物理學(xué)最終都歸結為一個(gè)數學(xué)問(wèn)題，一個(gè)擁有無(wú)窮智慧的數學(xué)家，給他宇宙的基本方程，原則上他就能計算出青蛙視角，也就是，宇宙中會(huì )包含怎樣的有自我意識的觀(guān)察者，他們可以感知到什么，他們會(huì )發(fā)明何種語(yǔ)言來(lái)向同類(lèi)描述他們的感知。換句話(huà)說(shuō)，在圖1.7中，樹(shù)的頂部是“大統一理論”（ToE），其公理都是純數學(xué)的，而英語(yǔ)中的假設，是指可以被推導出來(lái)，從而是多余的解釋。而另一方面，在亞里士多德模型中絕不會(huì )有TOE的存在，我們終究只是用一些語(yǔ)言表述來(lái)解釋另一些語(yǔ)言表述——這被稱(chēng)為無(wú)限回歸問(wèn)題。
第四層：終極集合
即其他數學(xué)結構，具有不同的基本物理方程
假設你認同了柏拉圖模型，相信在圖1.7的頂部確實(shí)存在一個(gè)TOE——只是我們還沒(méi)找到正確的方程。那么就會(huì )遇到這樣一個(gè)令人困窘的問(wèn)題，也是惠勒教授所強調的：為什么是這些特殊的方程，而不是別的。就讓我們來(lái)探索數學(xué)的民主思想，由此得到其他方程所支配的宇宙也同樣真是。這就是第四層平行宇宙。不過(guò)，我們先要消化另外兩個(gè)想法：數學(xué)結構的概念，以及物理世界也是一個(gè)數學(xué)結構的觀(guān)點(diǎn)。
數學(xué)結構是什么
圖1.8
形式系統包括一些抽象的符號，以及操縱它們的規則，具體規定新的符號（稱(chēng)為定理）應該怎樣用已有的符號（稱(chēng)為公理）推導出來(lái)。這一歷史性的進(jìn)步，是解構主義的一種表現形式，因為它去掉了傳統上賦予數學(xué)結構的所有意義和解釋?zhuān)涣粝滤鼈冏罡镜某橄箨P(guān)系。結果，現在計算機能夠不借助任何關(guān)于空間是什么的物理直覺(jué)，直接證明幾何定理。
圖1.8顯示了某些最根本的數學(xué)結構和它們之間的關(guān)系。雖然這棵學(xué)科樹(shù)的延伸是不確定的，但它仍然說(shuō)明數學(xué)結構一點(diǎn)都不模糊。它們就在“那里”，從某個(gè)意義上來(lái)說(shuō)數學(xué)家發(fā)現了它們，而不是創(chuàng )造了它們，沉思的外星文明也會(huì )發(fā)現同樣的結構（不管是由人、計算機，還是外星文明來(lái)證明，這個(gè)定理都同樣成立）。
第四層平行宇宙存在的證據
我們以猜測程度越來(lái)越高的順序描述了四層平行宇宙，那么為什么要相信第四層的存在呢。邏輯上，這主要依賴(lài)兩個(gè)獨立的假設：
假設1：物理世界（特別是第四層平行宇宙）是一個(gè)數學(xué)結構。
假設2：數學(xué)民主性：所有數學(xué)結構在同一個(gè)意義上都在“那里”。
在一篇著(zhù)名的評論中，魏格納（1967）寫(xiě)道“數學(xué)對自然科學(xué)的幫助大得神乎其神”，而“這并沒(méi)有理性的解釋”。這個(gè)論點(diǎn)可以被看作是對假設1的支持：數學(xué)在描述物理世界上的便利，正是后者本身就是數學(xué)結構的自然結果，而我們正逐漸認識到這一點(diǎn)。我們現有物理理論中的許多近似理論很成功，原因在于，簡(jiǎn)單的數學(xué)結構能夠較好地近似描述SAS怎樣感知更復雜的數學(xué)結構。換句話(huà)說(shuō)，我們成功的理論并不是模擬物理的數學(xué)，而是模擬數學(xué)的數學(xué)。魏格納的評論并不是建立在僥幸的巧合基礎上，在他提出這個(gè)觀(guān)點(diǎn)的數十年后，自然中更多的數學(xué)規則被發(fā)現，包括粒子物理的標準模型。
支持假設1的第二個(gè)論據就是，抽象數學(xué)是如此的一般，以至于任何可用純形式術(shù)語(yǔ)（不依賴(lài)模糊的人類(lèi)語(yǔ)言）定義的TOE也必定是數學(xué)結構，例如，一個(gè)包含一組不同類(lèi)型的實(shí)體（比如，用詞語(yǔ)表示）以及它們之間的關(guān)系（用附加詞語(yǔ)表示）的TOE，就是一個(gè)集合理論模型，而且我們可以一般地找到它所在的規范體系。
這個(gè)論據同樣使假設2更令人信服，因為它意味著(zhù)，任何可能想到的平行宇宙理論都可以在第四層被描述。第四層平行宇宙，被泰格馬克（1997）稱(chēng)為“終極集合”，因為它包含了所有的集合，從而終結了平行宇宙的層次，不可能再有第五層。考慮一個(gè)數學(xué)結構的集合也沒(méi)有增加新內容，因為它只不過(guò)是另一個(gè)數學(xué)結構。考慮另一個(gè)經(jīng)常被討論的觀(guān)點(diǎn)，即，宇宙是一個(gè)計算機模擬嗎。這個(gè)想法常在科幻小說(shuō)中出現，并且實(shí)質(zhì)上也被相信闡述過(guò)。數字計算機的信息內容是一串比特，比如“1001011100111001…”，雖然很長(cháng)但仍有限，等價(jià)于一個(gè)很大但有限的整數n用二進(jìn)制寫(xiě)出來(lái)。計算機的信息處理就是將一個(gè)記憶態(tài)變成另一個(gè)的確規則（反復應用），所以在數學(xué)上就是一個(gè)函數f，反復地將一個(gè)整數映射到另一個(gè)上去：
n∣→f（n）∣→f（f（n））∣→…
換句話(huà)說(shuō)，即使是最復雜的計算機模擬，也只是一個(gè)數學(xué)結構的特殊情況，包含在第四層多元宇宙里（順帶一提，迭代連續函數，而不是整數函數，能形成分形）。
假設2的另一個(gè)吸引人的特性在于，目前，只有它唯一回答了惠勒教授的問(wèn)題：為什么是這些特殊的方程，而不是別的。讓宇宙隨著(zhù)所有可能方程的曲調而起舞，一勞永逸地解決了微調問(wèn)題，即使是在基本方程層次：雖然很大數學(xué)結構都是死的，而且不包含SAS們，不能形成SAS們需要的復雜性、穩定性和可預測性，但我們當然以100%的概率住在能支持生命的數學(xué)結構中。由于這個(gè)選擇效應，對問(wèn)題“到底是什么把活力注入方程，使宇宙能被其描述”的答案，就是“你，SAS。”
第四層平行宇宙是什么樣的
我們應用、檢驗和排除理論的方法，就是用我們過(guò)去的經(jīng)驗來(lái)計算未來(lái)事件的概率分布，并把這些預言和觀(guān)測結果相比較。在多元宇宙論中，一般而言，不只有一個(gè)SAS和你經(jīng)歷了過(guò)去同樣的生活，所以不能確定哪一個(gè)才是你。因此，為了做出預言，你必須計算他們中多大比例的人能夠預見(jiàn)未來(lái)，這就導致了下面幾個(gè)預言：
預言1：描述我們世界的數學(xué)結構是與我們的觀(guān)測一致的數學(xué)結構中最普遍的一種。
預言2：我們未來(lái)的觀(guān)測是與過(guò)去的觀(guān)測一致的最普遍的觀(guān)測。
預言3：我們過(guò)去的觀(guān)測是與我們的存在一致的最普遍的觀(guān)測。
數學(xué)結構有一個(gè)令人驚異的特性，那就是對稱(chēng)性和不變性是普遍的，而正是它們造就了宇宙的簡(jiǎn)單和有序。它們更像是常規而不是例外，數學(xué)結構傾向于自動(dòng)具有這些性質(zhì)，而為了除去它們，必須增加復雜的公理等。換句話(huà)說(shuō)，正因為這一點(diǎn)和選擇效應，第四層平行宇宙中的生命不再是一團混亂。
理論爭議
針對平行宇宙的主要爭論在于，它們很浪費并且很離奇，來(lái)依次考慮這兩點(diǎn)。首先，平行宇宙理論很容易被奧卡姆剃刀原理所攻擊，因為它們假設了其他宇宙存在，而人們卻永遠觀(guān)測不到。為何自然在本體上如此浪費，并沉溺于這些多到無(wú)窮無(wú)盡的不同世界，但這一點(diǎn)也可以反過(guò)來(lái)支持平行宇宙。當人們覺(jué)得自然過(guò)于浪費時(shí)，人們到底是在困惑關(guān)于它浪費的哪一點(diǎn)，顯然不是“空間”，因為標準的平坦宇宙模型中無(wú)限的體積并沒(méi)有引起這樣的反對。也不是“物質(zhì)”或“原子”——理由相同，一旦已經(jīng)浪費了無(wú)限的東西，誰(shuí)在乎再浪費多點(diǎn)呢。所以，這種令人困惑的“浪費”倒不如說(shuō)是一種簡(jiǎn)化，它減少了說(shuō)明所有這些不可見(jiàn)世界所需的信息量。然而，正如泰馬克詳細討論過(guò)的那樣，整個(gè)集合往往要比集合中的單個(gè)元素簡(jiǎn)單得多。例如，一個(gè)普通整數n的算法信息內容在量級上，這就是將它用二進(jìn)制寫(xiě)出來(lái)所需要的比特數。然而，所有整數的集合，1、2、3、…，只需要寥寥幾行計算機程序就能生成，所以整個(gè)集合的算法復雜度要遠小于其中某個(gè)整數。同樣，愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的全部理想流體解的集合，算法復雜度要遠低于其中某個(gè)特解，因為前者只需要很少幾個(gè)方程就能描述，而后者要求在某個(gè)超曲面指定大量的初始數據。不嚴格地說(shuō)，當人們把注意力局限在一個(gè)集合中的某個(gè)特定元素上時(shí)，表觀(guān)信息的內容增加了，卻失去了將所有元素考慮進(jìn)來(lái)時(shí)整個(gè)系統內在的對稱(chēng)性和簡(jiǎn)單些。在這個(gè)意義上，更高層的平行宇宙具有更低的算法復雜度。從通常宇宙升到第一層平行宇宙，就不再需要指定初始條件，升到第二層，就不需要指定物理常數，到了包含所有數學(xué)結構的第四層平行宇宙，本質(zhì)上就不存在算法復雜度了。只有從青蛙視角，從觀(guān)測者的主觀(guān)感覺(jué)來(lái)看，才有那些信息富余和復雜性。可以證明，平行宇宙論要比只取一個(gè)集合元素作為物理存在的單個(gè)宇宙理論經(jīng)濟得多。
平行宇宙
第二個(gè)普遍的抱怨是，平行宇宙太離奇了。但這個(gè)反對多半來(lái)自審美上，而非科學(xué)上的考慮，然而正如上面提到的，這個(gè)意見(jiàn)只有在亞里士多德的世界觀(guān)中才有意義。在柏拉圖模型中，如果鳥(niǎo)的視角和青蛙視角足夠不同，很可能看到的是，觀(guān)察者會(huì )抱怨正確的TOE如此離奇，而每個(gè)跡象都說(shuō)明這正是人們所處的情形。人們所感到的離奇也沒(méi)有什么好大驚小怪的，因為進(jìn)化只賦予了人們對日常物理的直覺(jué)，能夠使人們遠古的祖先生存下來(lái)。但由于有了智慧和創(chuàng )造，人們已經(jīng)比只有一般內部觀(guān)點(diǎn)的青蛙視角稍微多窺見(jiàn)了一些東西，可以確信的是，人們在超出人類(lèi)原始認知的任何地方到遭遇了奇異現象：高速（鐘慢效應）、小尺度（量子粒子能同時(shí)存在于好幾個(gè)地方）、大尺度（黑洞）、低溫（能向上流的液氦）、高溫（碰撞粒子能改變身份），等等。所以，物理學(xué)家大體上已經(jīng)接受了，鳥(niǎo)的視角和青蛙視角是很不相同的。量子場(chǎng)論的一個(gè)現代流行觀(guān)點(diǎn)是，標準模型也僅僅只是一個(gè)有效的理論，是另一個(gè)還沒(méi)發(fā)現的理論的低能極限，而后者與舒服的經(jīng)典概念相去甚遠（例如，包含十維的弦）。許多實(shí)驗學(xué)家已經(jīng)對這么多“離奇”（但重復性很好）的結果感到麻木了，他們簡(jiǎn)單地接受了“這個(gè)世界就是一個(gè)比人們原想的世界更離奇”這樣的觀(guān)點(diǎn)，然后埋頭繼續計算。
參考資料
[1]
如何理解平行宇宙 · 知乎[引用日期2021-08-17]
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