多重宇宙的想法近乎科幻，但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，除了我們常說到的那一種多重宇宙，還有另外三種多重宇宙，而且每一種都比之前的更抽象和離奇。
撰文 | 馬克斯·泰格馬克
翻譯 | 劉星宇
第一個(gè)層次：我們的宇宙視界之外
這是最簡單的一種平行宇宙：因?yàn)榫嚯x我們太遙遠(yuǎn)而無法看到的空間區(qū)域。我們能夠觀察到的最遠(yuǎn)距離是4.4x1026米，也就是460億光年。這是大爆炸以來光傳播的最遠(yuǎn)距離。（這個(gè)距離比140億光年還遠(yuǎn)，因?yàn)樗挥钪媾蛎浝L了。）每一個(gè)第一層平行宇宙都與我們的宇宙基本相同，所有的差異都是源自物質(zhì)初始條件的不同。根據(jù)現(xiàn)有的理論，大爆炸早期的某些物理過程會(huì)使物質(zhì)的分布具有一定的隨機(jī)性，產(chǎn)生所有概率不為零的分布方式。宇宙學(xué)家認(rèn)為，我們這個(gè)宇宙是有代表性的（至少在有觀測者的宇宙中很有代表性）：它的物質(zhì)分布幾乎完全均勻，初始密度漲落為10萬分之一。
在第一層次的多重宇宙中，多遠(yuǎn)才能出現(xiàn)一個(gè)完全一樣的宇宙？
我們首先考慮一個(gè)簡化的模型。想象有一種二維的小宇宙，它的空間僅能容納4個(gè)粒子。這樣的宇宙中，物質(zhì)共有24即16種可能的排列方式。如果這樣的宇宙超過16個(gè)，那么它的物質(zhì)排列方式必定會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。在這個(gè)例子中，距離另一個(gè)最近宇宙的距離，約為每個(gè)宇宙直徑的4倍左右。
用同樣的理論也可以討論我們的宇宙。一個(gè)哈勃球（可見宇宙的范圍）最多能容納10118個(gè)質(zhì)子。事實(shí)上每個(gè)質(zhì)子既可能存在，也可能不存在，這樣所有的質(zhì)子就有210^118種可能的組合方式。如果一個(gè)盒子容納了這樣多個(gè)哈勃球，那它就窮盡上述的所有可能性。這些哈勃球如果真的在一個(gè)盒子里，那盒子的直徑大約是1010^118米。在這個(gè)范圍外，這些盒子里的宇宙（包括我們的宇宙）必將會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。同樣，我們可以估算出離你最近的“另一個(gè)你”在距地球 1010^28米的地方。
關(guān)鍵的是要預(yù)測平行寧宙的分布形式，并且在此基礎(chǔ)上得出一個(gè)概率分布，或數(shù)學(xué)家所稱的“測度”。我們的宇宙應(yīng)該是最可能出現(xiàn)的宇宙之一。如果不是這樣 （也就是說，如果多重宇宙理論認(rèn)為我們居住在一個(gè)發(fā)生概率很低的宇宙中），那么這個(gè)理論就有麻煩了。下面我們將討論，測度問題是如何變得非常棘手的。
第二個(gè)層次：暴脹形成的泡泡
第一層次的多重宇宙已經(jīng)顯得太大，不好接受了。此時(shí)，你不妨試著想象一個(gè)由無窮多第一層多重宇宙結(jié)構(gòu)組成的集合。它們或許有各自不同的時(shí)空維度，不同的物理常數(shù)。目前流行的永恒混沌暴脹理論預(yù)測，在更大的尺度上，是存在無數(shù)第一層次多重宇宙的，它們合起來構(gòu)成了第二層次的多重宇宙。
這個(gè)平行宇宙的設(shè)想是：整個(gè)空間將永遠(yuǎn)不停地膨脹下去，但空間的某些區(qū)域會(huì)停止膨脹，從而形成一個(gè)個(gè)泡泡，就像發(fā)面時(shí)，面團(tuán)里的氣泡一樣。我們這一層次的多重宇宙（我們的宇宙加上相鄰的空間）就是一個(gè)泡泡，漂浮在一個(gè)更大卻幾乎空無一物的空間中。這個(gè)空間中還有其他的泡泡，但與我們的泡泡沒有聯(lián)系，這些泡泡像云中的雨滴一樣凝結(jié)成核，在成核過程中，量子場的變化給了每個(gè)泡泡不同的特性。
第二層多重宇宙的多樣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了第一層多重宇宙，泡泡之間不僅初始條件不相同，甚至某些似乎應(yīng)該恒定不變的自然特征也都不同。如今，物理學(xué)界流行的看法是，時(shí)空的維數(shù)，基本粒子的特性，以及許多其他所謂的物理常數(shù)，并不是物理學(xué)定律固有的，而是一類被稱為“對(duì)稱破壞”的過程所產(chǎn)生的結(jié)果，例如，理論物理學(xué)家認(rèn)為，我們宇宙的空間維度可能曾經(jīng)有9維，每個(gè)維度的地位都一樣。在宇宙史的早期，這些維度中有3維參與了宇宙膨脹，結(jié)果就變成了我們今天所觀察到的3維空間，其余6維現(xiàn)在都無法觀測到了。這可能是因?yàn)樗麄內(nèi)匀环浅Ｎ⑿。榍商鹛鹑畹耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，也可能是因?yàn)樗形镔|(zhì)都被約束在了9維空間的3維表面上（稱為“膜”）上。
這樣各維之間的初始對(duì)稱性就被破壞了。驅(qū)動(dòng)混沌暴脹的量子漲落在不同的泡泡中，可能造成不同的對(duì)稱破壞，有的可能變成4維空間，有的可能只有兩代，而不是三代夸克，還有些泡泡的宇宙學(xué)常數(shù)可能比我們宇宙的還大。
雖然我們不能與其他第二層平行宇宙相互作用，但是宇宙學(xué)家還是能夠間接推斷它們的存在。而它們的存在，也可以解釋我們宇宙中部分令人費(fèi)解的巧合，例如太陽的質(zhì)量。恒星的質(zhì)量決定了它的亮度，我們可以計(jì)算出，只有當(dāng)太陽的質(zhì)量落在1.6~2.4×1030千克這個(gè)狹小的范圍之內(nèi)時(shí)，才有可能出現(xiàn)我們所知的地球生命。而天文學(xué)家測得的太陽質(zhì)量為2.0×1030千克。
恒星的質(zhì)量通常為1029~1032千克，如果太陽質(zhì)量是隨機(jī)的，那么要恰好處在適宜生命存在的范圍內(nèi)可是概率極小的。乍看起來，適于生命棲居的質(zhì)量值與太陽實(shí)際質(zhì)量值恰好相符這件事純屬走運(yùn)。不過我們可以假設(shè)存在一個(gè)集合（在這個(gè)例子里是大量的行星系統(tǒng)），再加上選擇效應(yīng)（我們必定會(huì)發(fā)現(xiàn)自己生活在某個(gè)適合生存的行星上），來解釋這種表面上的巧合。這種與觀測者有關(guān)的選擇效應(yīng)稱為“人擇原理”。
從行星系統(tǒng)引申出來的觀點(diǎn)，也可以用在理解平行宇宙上。通過對(duì)稱破壞形成的物理常數(shù)中，即便不是全部，也有大部分看起來都會(huì)讓人覺得“恰到好處”。它們的數(shù)值哪怕只改變很小一點(diǎn)，就可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)性質(zhì)完全不同的宇宙，而在這樣的宇宙中多半就沒有我們了。
雖然物理學(xué)家對(duì)這種“精細(xì)調(diào)節(jié)”的程度還有爭議，但這些例子已經(jīng)在暗示，有可能存在物理學(xué)常數(shù)與我們不同的平行宇宙。第二層次的多重宇宙理論預(yù)言，物理學(xué)家永遠(yuǎn)也無法通過第一性原理來確定這些常數(shù)的值。他們只能計(jì)算這些值的概率分布，而在做這項(xiàng)計(jì)算時(shí)，也應(yīng)該把選擇效應(yīng)考慮進(jìn)去。這樣，結(jié)果就能既符合我們存在這個(gè)事實(shí)，同時(shí)又具有普遍性。
第三個(gè)層次：量子多重世界
第一和第二個(gè)層次的多重宇宙包含了距離遙遠(yuǎn)的平行世界，甚至遠(yuǎn)到了超出天文學(xué)家的觀測范圍。不過，下一個(gè)層次的多重宇宙就在你身邊。這種概念源自量子力學(xué)的多世界詮釋，一個(gè)雖然廣為人知，但卻飽受爭議的理論。多世界詮釋認(rèn)為，隨機(jī)的量子過程會(huì)使宇宙分裂成多重宇宙，而每一重只代表其中一種可能的結(jié)果。
原子世界不服從經(jīng)典的牛頓力學(xué)定律，20世紀(jì)初問世的量子力學(xué)則對(duì)原子世界的規(guī)律給出了圓滿的解釋，從此一場物理學(xué)的革命也拉開了序幕。盡管理論取得了顯著的成功，但對(duì)于量子力學(xué)的真正物理意義，物理學(xué)家依然爭論不休。量子力學(xué)理論不用粒子的位置和速度之類的經(jīng)典術(shù)語來描述宇宙的狀態(tài)，而是用一個(gè)稱為波函數(shù)的數(shù)學(xué)概念。根據(jù)薛定諤方程，狀態(tài)演變的方式具有數(shù)學(xué)家所說的“幺正性”（unitary）。這意味著波函數(shù)的改變，相當(dāng)于在一個(gè)抽象的無限維空間（稱為希爾伯特空間）中旋轉(zhuǎn)。
棘手的問題在于如何把這個(gè)波函數(shù)與我們的觀測結(jié)果聯(lián)系起來。許多正常的波函數(shù)，導(dǎo)致的卻是與直覺相矛盾的情況，例如，一只貓?jiān)谒^的疊加態(tài)中，可以同時(shí)既是死的又是活的。20世紀(jì)20年代，物理學(xué)家提出了一種方法來解釋這類怪事：每當(dāng)有人觀察，波函數(shù)便“坍縮”成某個(gè)確定的經(jīng)典結(jié)果。這種假設(shè)優(yōu)點(diǎn)在于可以解釋觀測結(jié)果，但它卻把一個(gè)優(yōu)美、幺正的理論變得笨拙難看了。
近年來，許多物理學(xué)家已經(jīng)放棄了這種觀點(diǎn)，轉(zhuǎn)而接受休·埃弗里特三世（Hugh Everett III）在1957年提出的一個(gè)觀點(diǎn)。當(dāng)時(shí)埃弗里特還是美國普林斯頓大學(xué)的研究生，他證明坍縮假設(shè)并不是必要的。事實(shí)上，沒有外加假設(shè)的量子理論并不會(huì)導(dǎo)致任何矛盾。雖然它預(yù)言一個(gè)經(jīng)典的現(xiàn)實(shí)會(huì)逐步分裂成許多這類現(xiàn)實(shí)的疊加，但觀測者主觀上對(duì)這種分裂的體驗(yàn)只是一些隨機(jī)性，而概率本身則與傳統(tǒng)的坍縮假設(shè)完全相同。經(jīng)典世界的這種疊加，就是第三個(gè)層次的多重宇宙。
40多年來，埃弗里特的多重世界詮釋令物理學(xué)界內(nèi)外困惑不已。不過，如果把兩種看待物理學(xué)理論的角度區(qū)分開，這個(gè)詮釋就比較容易領(lǐng)會(huì)了：一種是物理學(xué)家研究數(shù)學(xué)方程式時(shí)采取的外部視角，就像是一只鳥從高處俯瞰地面；另一種是觀測者在方程式所描述的世界中采取的內(nèi)部視角，則像是生活在地面上的青蛙。
從鳥的角度看，第三個(gè)層次的多重宇宙很單純，只有一個(gè)波函數(shù)。這個(gè)波函數(shù)以確定的方式隨時(shí)間平滑地演變，不會(huì)發(fā)生任何分裂或者平行并存現(xiàn)象。這個(gè)不斷演變的波函數(shù)所描述的抽象量子世界，包含了數(shù)量龐大的平行經(jīng)典故事線，不斷地分開又融合，同時(shí)還有許多無法用經(jīng)典物理學(xué)描述的量子現(xiàn)象。
而從青蛙的角度出發(fā)，觀測者只能察覺到全部事實(shí)中極小的一部分。他可以看到自己的第一層宇宙，但退相干（decoherence）過程（與波函數(shù)的坍縮相仿，卻保持幺正）會(huì)讓他無法看第三層次多重宇宙的“另一個(gè)自己”。
第三個(gè)層次的存在，依賴于一個(gè)關(guān)鍵的假設(shè)：波函數(shù)隨時(shí)間的演變是幺正的。迄今為止，實(shí)驗(yàn)上還沒有碰到任何違背幺正性的情況。如果物理學(xué)是幺正的話，那么關(guān)于量子漲落在大爆炸之初如何起作用的標(biāo)準(zhǔn)圖景就必須修改。這些量子漲落不是隨機(jī)地產(chǎn)生初始條件，而是產(chǎn)生所有可能性的量子疊加態(tài)，讓這些初始條件同時(shí)并存。然后退相干使得這些初始條件在各個(gè)獨(dú)立的量子分支內(nèi)呈現(xiàn)出經(jīng)典的行為。問題的關(guān)鍵在于，某個(gè)哈勃球內(nèi)不同量子分支上的結(jié)果分布（第三個(gè)層次多重宇宙），與單個(gè)量子分支上不同哈勃球的結(jié)果分布（第一個(gè)層次多重宇宙）是完全相同的。在統(tǒng)計(jì)力學(xué)中，量子漲落的這種性質(zhì)稱為遍歷性。
根據(jù)遍歷性原理，量子平行宇宙與其他形式較為平凡的平行宇宙是等價(jià)的，一個(gè)量子宇宙會(huì)隨時(shí)間分裂成多重宇宙（下圖左），不過這些新的宇宙，與已經(jīng)存在于空間其他地方的平行宇宙（例如其他的第一層宇宙）并沒有什么不同（下圖右）。關(guān)鍵是，無論何種類型的平行宇宙，都包含了所有可能的事件的不同發(fā)展方式。
同樣的推理也適用于第二個(gè)層次。對(duì)稱破壞的過程不會(huì)產(chǎn)生唯一的結(jié)果，而是產(chǎn)生所有可能結(jié)果的疊加。因此，如果物理常數(shù)、時(shí)空維數(shù)等，可以在第三層次多重宇宙的不同量子分支間以不同的值存在，那么這些性質(zhì)也可以在第二個(gè)層次的多重宇宙之間有所不同。
換句話說，第三層次并未在第一層次和第二層次之外增加什么新東西，只是在同一個(gè)宇宙中有了更多不可分辨的分身而已：同樣的故事線一次次地在其他量子分支上反復(fù)上演。因此，只要發(fā)現(xiàn)同樣宏大但爭議較少的多重宇宙（第一和第二層次），圍繞埃弗里特理論的火爆爭論看來就可以圓滿收場了。
第四個(gè)層次：其他的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)
第一層、第二層和第三層次的多重宇宙的初始條件和物理常數(shù)可以變化，但支配自然界的基本定律還是相同的。為什么要到此為止呢？為什么不允許物理定律本身也變化呢？如果一個(gè)宇宙只服從經(jīng)典物理學(xué)而沒有量子效應(yīng)，那么情況將如何？如果時(shí)間是離散的而不是連續(xù)的，情況又將如何？實(shí)際上，在第四個(gè)層次的多重宇宙中，所有這些另類怪胎都是存在的。
這樣一個(gè)多重宇宙很可能不是科學(xué)家在喝了啤酒后的胡思亂想，因?yàn)槌橄笸评硎澜缗c觀測到的現(xiàn)實(shí)世界之間存在密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。方程式（以及更廣泛的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，如數(shù)、向量與幾何物體）對(duì)世界的描述非常逼真。數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)也具有驚人的真實(shí)感。它滿足客觀存在的關(guān)鍵性判斷標(biāo)準(zhǔn)：無論誰來研究，它都不變。
要認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)與物理學(xué)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有兩種言之有理但卻截然相反的模式，這兩方的論辯可以追溯到柏拉圖和亞里士多德時(shí)代。亞里士多德的模式認(rèn)為，物理實(shí)在是最根本的，而數(shù)學(xué)語言只不過是一種有用的近似描述。柏拉圖的模式則認(rèn)為，數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)才是真正實(shí)在的，而觀察者永遠(yuǎn)不能完美地認(rèn)知它。換言之，這兩種模式對(duì)哪種視角（觀測者的青蛙視角，或者物理學(xué)定律的鳥視角）更為基本的問題，產(chǎn)生了截然相反的意見。亞里士多德模式傾向于青蛙的視角，而柏拉圖模式則傾向于鳥視角。
當(dāng)代的理論物理學(xué)家多半都信奉柏拉圖模式，認(rèn)為數(shù)學(xué)能夠完美地描述宇宙，因?yàn)橛钪姹举|(zhì)上就是數(shù)學(xué)的。因此所有的物理學(xué)推到極致都成了數(shù)學(xué)問題：只要一位數(shù)學(xué)家擁有無限的智慧和資源，原則上可以計(jì)算青蛙視角下的世界。也就是說，他能計(jì)算出宇宙中具有自我意識(shí)的觀測者有哪些，他們能認(rèn)識(shí)到什么，以及他們用什么語言向彼此描述各自的認(rèn)識(shí)。
數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)是一種抽象的、不可變的實(shí)體，超越時(shí)空之外。比如，想象一下由點(diǎn)狀粒子在3維空間中運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的世界。在4維時(shí)空中（鳥的視角），這些粒子的軌跡仿佛一團(tuán)糾結(jié)的面條。如果青蛙看到一個(gè)粒子勻速運(yùn)動(dòng)，那么鳥看到的就是一根未煮過的直面條。如果蛙看到的是一對(duì)互相環(huán)繞的粒子，那么鳥看到的就是兩根螺旋纏繞在一起的面條。對(duì)青蛙來說，世界是由牛頓的運(yùn)動(dòng)與引力定律來描述的；對(duì)鳥來說，世界則是用面條的幾何（一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)）來描述的。當(dāng)然，我們的宇宙比這個(gè)例子要復(fù)雜得多，如果真的有一種確切的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，科學(xué)家也還不知道它具體對(duì)應(yīng)的是哪一種。
柏拉圖模式提出了一個(gè)問題：宇宙為何是這個(gè)樣子？如果宇宙本質(zhì)上是數(shù)學(xué)的，那為什么在如此眾多的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)中只有一種被挑選出來描述宇宙呢？看來客觀實(shí)在的核心就具有最基本的不對(duì)稱性。
為了解決這個(gè)問題，我認(rèn)為應(yīng)該保持完整的數(shù)學(xué)上的對(duì)稱性，也就是說，所有數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)在物理上都是存在的，每一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于一個(gè)平行宇宙，這個(gè)多重宇宙的各個(gè)組成部分并不存在于同一個(gè)空間中，而是存在于空間與時(shí)間之外。而且，它們中大多數(shù)也許完全沒有觀測者。這個(gè)假說可以視為一種激進(jìn)的柏拉圖主義，主張的是柏拉圖模式中的數(shù)學(xué)觀念。第四個(gè)層次的多重宇宙可以說是多重宇宙的頂層，因?yàn)槿魏我环N自洽的基本物理理論，都能夠表示為某種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。
第四層多重宇宙假說做出的預(yù)測是可以檢驗(yàn)的，與第二層次相仿，它包含了一個(gè)集合（即它包含一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)）以及選擇效應(yīng)。隨著數(shù)學(xué)家繼續(xù)對(duì)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，他們應(yīng)該發(fā)現(xiàn)，描述我們宇宙的結(jié)構(gòu)正是與我們的觀測相符的最一般結(jié)構(gòu)。類似的，我們將來的觀測也應(yīng)該是不違背我們過去觀測的最一般的觀測結(jié)果，而我們過去的觀測應(yīng)當(dāng)是不違背我們存在的最一般的觀測結(jié)果的。
等待驗(yàn)證
因此，平行宇宙的科學(xué)理論提出了一種四層結(jié)構(gòu)：層次越高，其中的宇宙與我們自己這個(gè)宇宙的差異就越大。這些平行宇宙可能具有不同的初始條件（第一層）、不同的物理常數(shù)和基本粒子（第二層）或不同的物理學(xué)定律（第四層）。具有諷刺意味的是，第三層次的多重宇宙在過去數(shù)十年中遭受的攻擊反而最猛烈，盡管它是唯一沒有引入具有全新性質(zhì)宇宙的理論。
未來若干年內(nèi)，對(duì)微波背景輻射和大尺度物質(zhì)分布的宇宙學(xué)測量將獲得顯著的進(jìn)步，這可以幫助科學(xué)家更準(zhǔn)確地測定空間的曲率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而證明或推翻關(guān)于第一層多重宇宙的假說。這些測量還可以檢驗(yàn)永恒混沌暴脹理論，從而有助于確定第二層次假說的真?zhèn)巍Ｌ祗w物理學(xué)和高能物理學(xué)的進(jìn)展，應(yīng)該也會(huì)進(jìn)一步弄清物理常數(shù)“精細(xì)調(diào)節(jié)”的程度，據(jù)此放寬或加強(qiáng)第二層次多重宇宙的條件。
如果當(dāng)前建造量子計(jì)算機(jī)的努力獲得成功，那么這種計(jì)算機(jī)將使第三層假說獲得更有力的證據(jù)，因?yàn)樗鼈儗?shí)質(zhì)上就是利用第三層多重宇宙的平行性來做平行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家也在尋找違反幺正性的證據(jù)，如果找到，可以否認(rèn)第三層次多重宇宙存在的可能。最后，統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子場論（當(dāng)代物理學(xué)的重大挑戰(zhàn)）的努力，無論成敗都將影響我們對(duì)第四層次假說的看法。要么我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)與我們的宇宙完全吻合的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，要么我們將撞上數(shù)學(xué)有效性的極限，從而不得不放棄第四層次的假說。
所有四個(gè)層次的多重宇宙都具備一個(gè)共同特征——那些最簡單或者也可以說是最優(yōu)美的理論，天生就包含了平行宇宙概念。而要否定那些宇宙的存在，我們就必須塞進(jìn)一些沒有實(shí)驗(yàn)依據(jù)的過程，以及特置的假定：如有限空間、波函數(shù)坍縮以及本體上的不對(duì)稱等等，來把理論復(fù)雜化。這樣看來，到底是哪一種選擇會(huì)比較浪費(fèi)而不優(yōu)美？是讓這些宇宙存在，還是我們?nèi)ゴ筚M(fèi)口舌？或許我們會(huì)逐漸習(xí)慣這個(gè)宇宙的種種古怪行徑，并發(fā)現(xiàn)，它的古怪正是它的魅力之一。
本文節(jié)選自《宇宙?？分小端膫€(gè)層次的多重宇宙》一文
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