平行世界理论是什么？

如题所述

平行世界[又称平行宇宙（Multiverse、Parallel universes），或者称多重宇宙论]

指的是一种在物理学里尚未被证实的理论，根据这种理论，在我们的宇宙之外，很可能还存在着其他的宇宙，而这些宇宙是宇宙的可能状态的一种反应，这些宇宙可能其基本物理常数和我们所认知的宇宙相同，也可能不同。平行宇宙这个名词是由美国哲学家与心理学家威廉·詹姆士在1895年所发明的。

平行宇宙层次
对“宇宙”的如此定义，人们也许会认为这只是种形而上学的方式罢了。然则物理学和形而上学的区别在于该理论是否能通过实验来测试，而不是它看起来是否怪异或者包含难以察觉的东西。多年来，物理学前沿不断扩张，吸收融合了许多抽象的（甚至一度是形而上学的）概念，比如球形的地球、看不见的电磁场、时间在高速下流动减慢、量子重叠、空间弯曲、黑洞等等。近几年来“多重宇宙”的概念也加入了上面的名单，与先前一些经过检验的理论，如相对论和量子力学配合起来，并且至少达到了一个经验主义科学理论的基本标准：作出预言。当然作出的论断也可能是错误的。科学家们迄今讨论过多达4种类型独立的平行宇宙。现在关键的已不是多重宇宙是否存在的问题了，而是它们到底有多少个层次。

编辑本段第一层次：视界之外
所有的平行宇宙组成第一层多重宇宙。－－这是争论最少的一层。所有人都接受这样一个事实：虽然我们此时此刻看不见另一个自己，但换一个地方或者简单地在原地等上足够长的时间以后就能观察到了。就像观察海平面以外驶来的船只－－观察视界之外物体的情形与此类似。随着光的飞行，可观察的宇宙半径每年都扩大半光年，因此只需要坐在那里等着瞧。当然，你多半等不到另一个宇宙的另一个你发出的光线传到这里那天，但从理论上讲，如果宇宙扩张的理论站得住脚的话，你的后代就有可能用超级望远镜看到它们。

　　怎么样，第一层多重宇宙的概念听起来平平无奇？空间不都是无限的么？谁能想象某处插着块牌子，上书“空间到此结束，当心下面的沟”？如果是这样，每个人都会本能的置疑：尽头的“外面”是什么？实际上，爱因斯坦的重力场理论偏偏把我们的直觉变成了问题。空间有可能不是无限，只要它具有某种程度的弯曲或者并非我们直觉中的拓扑结构（即具有相互联络的结构）。

　　一个球形、炸面圈形或者圆号形的宇宙都可能大小有限，却无边界。对宇宙微波背景辐射的观测可以用来测定这些假设。【见另一篇文章《宇宙是有限的吗？》by Jean-Pierre Luminet, Glenn D. Starkman and Jeffrey R. Weeks； Scientific American, April 1999】然而，迄今为止的观察结果似乎背逆了它们。无尽宇宙的模型才和观测数据符合，外带强烈的限制条件。

　　另一种可能是：空间本身无限，但所有物质被限制在我们周围一个有限区域内－－曾经流行的“岛状宇宙”模型。该模型不同之处在于，在大尺度下物质分布会呈现分形图案，而且会不断耗散殆尽。这种情形下，第一层多重宇宙里的几乎每个宇宙最终都将变得空空如也，陷入死寂。但是近期关于三维银河分布与微波背景的观测指出物质的组织方式在大尺度上呈现出某种模糊的均匀，在大于10^24米的尺度上便观测不到清晰的细节了。假定这种模式延伸下去，我们可观测宇宙以外的空间也将充满行星、恒星和星系。

　　有资料支持空间延伸于可观测宇宙之外的理论。WMAP卫星最近测量了微波背景辐射的波动(左图)。最强烈的振幅超过了0.5开，暗示着空间非常之大，甚至可能无穷(中图)。另外，WMAP和2dF星系红移探测器发现在非常大的尺度下，空间均匀分布着物质

　　生活在第一层多重宇宙不同平行宇宙中的观察者们将察觉到与我们相同的物理定律，但初始条件有所不同。根据当前理论，大爆炸早期的一瞬间物质按一定的随机度被抛出，此过程包含了物质分布的一切可能性，每种可能性都不为0。宇宙学家们假定我们所在的当初有着近似均匀物质分布和初始波动状态（100，000可能性中的一种）的宇宙，是一个相当典型的（至少在所有产生了观察者的平行宇宙中很典型）个体。那么距你最近的和你一模一样那个人将远在10^(10^28)米之外；而在10^(10^92)米外才会有一个半径100光年的区域，它里面的一切与我们居住的空间丝毫不差，也就是说未来100年内我们世界所发生的每件事都会在该区域完全再现；而至少10^(10^118)米之外该区域才会增大到哈勃体积那么大，换句话说才会有一个和我们一模一样的宇宙。

　　上面的估计还算极端保守的，它仅仅穷举了一个温度在10^8开以下、大小为一个哈勃体积的空间的所有量子状态。其中一个计算步骤是这样：在那温度下一个哈勃体积的空间最多能容纳多少质子？答案是10^118个。每个质子可能存在，也可能不存在，也就是总共2^(10^118)个可能的状态。现在只需要一个能装下2^(10^118)个哈勃空间的盒子便用光所有可能性。如果盒子更大些－－比如边长10^(10^118)米的盒子－－根据抽屉原理，质子的排列方式必然会重复。当然，宇宙不只有质子，也不止两种量子状态，但可用与此类似的方法估算出宇宙所能容纳的信息总量。

　　与我们宇宙一模一样的另一个宇宙的平均距离，距你最近那个“分身”没准并不象理论计算的那么远，也许要近得多。因为物质的组织方式还要受其他物理规律制约。给定一些诸如行星的形成过程、化学方程式等规律，天文学家们怀疑仅在我们的哈勃体积内就存在至少10^20个有人类居住的行星；其中一些可能和地球十分相像。

　　第一层多重宇宙的框架通常被用来评估现代宇宙学的理论，虽然该过程很少被清晰地表达。举例来说，考察我们的宇宙学家如何通过微波背景来试图得出“球形空间”的宇宙几何图。随着空间曲率半径的不同，那些“热区域”和“冷区域”在宇宙微波背景图上的大小会呈现某种特征；而观测到的区域表明曲率太小不足以形成球形的封闭空间。然而，保持统计学上的严格是非常重要的事。每个哈勃空间的这些区域的平均大小完全是随机的。因此有可能是宇宙在愚弄我们－－并非空间曲率不足以形成封闭球形使得观测到的区域偏小，而恰巧因为我们宇宙的平均区域天生就比别的来的小。所以当宇宙学家们信誓旦旦保证他们的球状空间模型有99.9%可信度的时候，他们的真正意思是我们那个宇宙是如此地不合群，以至1000个哈勃体积之中才会出一个象那样的。

　　这堂课的重点是：即使我们没法观测其他宇宙，多重宇宙理论依然可以被实践验证。关键在于预言第一层多重宇宙中各个平行宇宙的共性并指出其概率分布－－也就是数学家所谓的“度量”。我们的宇宙应当是那些“出现可能性最大的宇宙”中的一个。否则－－我们很不幸地生活在一个不大可能的宇宙中－－那么先前假设的理论就有大麻烦了。如我们接下来要讨论的那样，如何解决这度量上的问题将会变得相当有挑战性。

编辑本段第二层次：膨胀后留下的气泡
如果第一层多重宇宙的概念不太好消化，那么试着想象下一个拥有无穷组第一层多重宇宙的结构：组与组之间相互独立，甚至有着互不相同的时空维度和物理常量。这些组构成了第二层多重宇宙－－被称为“无序的持续膨胀”的现代理论预言了它们。

　　“膨胀”作为大爆炸理论的必然延伸，与该理论的许多其他推论联系紧密。比如我们的宇宙为何如此之大而又如此的规整，光滑和平坦？答案是“空间经历了一个快速的拉伸过程”，它不仅能解释上面的问题，还能阐释宇宙的许多其他属性。【见《膨胀的宇宙》 by Alan H. Guth and Paul J. Steinhard； Scientific American, May 1984； 《自我繁殖的膨胀宇宙》 by Andrei Linde, November 1994 】“膨胀”理论不仅为基本粒子的许多理论所语言，而且被许多观测证实。“无序的持续”指的是在最大尺度上的行为。作为一个整体的空间正在被拉伸并将永远持续下去。然而某些特定区域却停止拉伸，由此产生了独立的“气泡”，好像膨胀的烤面包内部的气泡一样。这种气泡有无数个。它们每个都是第一层多重宇宙：在尺寸上无限而且充满因能量场涨落而析出的物质。

　　对地球来说，另一个气泡在无限遥远之外，远到即使你以光速前进也永远无法到达。因为地球和“另一个气泡”之间的那片空间拉伸的速度远比你行进的速度快。如果另一个气泡中存在另一个你，即便你的后代也永远别想观察到他。基于同样的原因，即空间在加速扩张，观察结果令人沮丧的指出：即便是第一层多重空间中的另一个自己也将看不到了。

　　第二层多重宇宙与第一层的区别非常之大。各个气泡之间不仅初始条件不同，在表观面貌上也有天壤之别。当今物理学主流观点认为诸如时空的维度、基本粒子的特性还有许许多多所谓的物理常量并非基本物理规律的一部分，而仅是一种被称作“对称性破坏”过程的结果而已。举例言之，理论物理学家认为我们的宇宙曾一度由9个相互平等的维度组成。在宇宙早期历史中，只有其中3个维度参与空间拉神，形成我们现在观察到的三维宇宙。其余6个维度现在观察不到了，因为它们被卷曲在非常微小的尺度中，而且所有的物质都分布在这三个充分拉伸过的维度“表面”上（对9维来说，三维就是一个面而已，或者叫一层“膜”）。

　　我们生活在3+1维时空之中，对此我们并不特别意外。当描述自然的偏微分方程是椭圆或者超双曲线方程时，也就是空间或者时间其中之一是0维或同时多维，对观测者来说，宇宙不可能预测(紫色和绿色部分)。其余情况下(双曲线方程)，若n>3，原子无法稳定存在，n<3，复杂度太低以至于无法产生自我意识的观测者(没有引力，拓扑结构也成问题)。

　　由此，我们称空间的对称性被破坏了。量子波的不确定性会导致不同的气泡在膨胀过程中以不同的方式破坏平衡。而结果将会千奇百怪。其中一些可能伸展成4维空间；另一些可能只形成两代夸克而不是我们熟知的三代；还有些它们的宇宙基本物理常数可能比我们的宇宙大。

　　产生第二层多重宇宙的另一条路是经历宇宙从创生到毁灭的完整周期。科学史上，该理论由一位叫Richard C的物理学家于二十世纪30年代提出，最近普林斯顿大学的Paul J. Steinhardt和剑桥大学的Neil Turok两位科学家对此作了详尽阐述。Steinhardt和Turok 提出了一个“次级三维膜”的模型，它与我们的空间相当接近，只是在更高维度上有一些平移。【see ‘Been There, Done That,‘ by George Musser； News Scan, Scientific American, March 2002】该平行宇宙并非真正意义上的独立宇宙，但宇宙作为一个整体－－过去、现在和未来－－却形成了多重宇宙，并且可以证明它包含的多样性恰似无序膨胀宇宙所包含的。此外，沃特卢的物理学家Lee Smolin还提出了另一种与第二层多重宇宙有着相似多样性的理论，该理论中宇宙通过黑洞创生和变异而非通过膜物理学。

　　尽管我们没法与其他第二层多重宇宙之中的事物相互作用，宇宙学家仍能间接地指出它们的存在。因为他们的存在可以用来很好地解释我们宇宙的偶然性。做一个类比：设想你走进一座旅馆，发现了一个房间门牌号码是1967，正是你出生那年。多么巧合呀，在那瞬间你惊叹到。不过你随即反应过来，这完全不算什么巧合。整个旅馆有成百上千的房间，其中有一个和你生日相同很正常。然而你若看见的是另一个与你毫无干系的数字，便不会引发上面的思考。这说明什么问题呢？即便对旅馆一无所知，你也可以用上面的方法来解释很多偶然现象。

　　让我们举个更切题的例子：考察太阳的质量。太阳的质量决定它的光度（即辐射的总量）。通过基本物理运算我们可知只有当太阳的质量在1.6X10^30～2.4X10^30千克这么个狭窄范围内，地球才可能适合生命居住。否则地球将比金星还热，或者比火星还冷。而太阳的质量正好是2.0X10^30千克。乍看之下，太阳质量是种惊人的幸运与巧合。绝大多数恒星的质量随机分布于10^29～10^32千克的巨大范围内，因此若太阳出生时也随机决定质量的话，落在合适范围的机会将微乎其微。然而有了旅馆的经验，我们便明白这种表面的偶然实为大系统中（在这个例子里是许多太阳系）的必然选择结果（因为我们在这里，所以太阳的质量不得不如此）。这种与观测者密切相关的选择称为“人择原理”。虽然可想而知它引发过多么大的争论，物理学家们还是广泛接收了这一事实：验证基础理论的时候无法忽略这种选择效应。

　　适用于旅馆房间的原理同样适用于平行宇宙。有趣的是：我们的宇宙在对称性被打破的时候，所有的（至少绝大部分）属性都被“调整”得恰到好处，如果对这些属性作哪怕极其微小的改变，整个宇宙就会面目全非－－没有任何生物可以存在于其中。如果质子的质量增加0.2%，它们立即衰变成中子，原子也就无法稳定的存在。如果电磁力减小4%，便不会有氢，也就不会有恒星。如果弱相互作用再弱一些，氢同样无法形成；相反如果它们更强些，那些超新星将无法向星际散播重元素离子。如果宇宙的常数更大一些，它将在形成星系之前就把自己炸得四分五裂。

　　虽然“宇宙到底被调节得多好”尚无定论，但上面举的每一个例子都暗示着存在许许多多包含每一种可能的调节状态的平行宇宙。【see ‘Exploring Our Universe and Others,‘ by Martin Rees； Scientific American, December 1999】第二层多重宇宙预示着物理学家们不可能测定那些常数的理论值。他们只能计算出期望值的概率分布，在选择效应纳入考虑之后。

编辑本段第三层次：量子平行世界
第一层和第二层多重宇宙预示的平行世界相隔如此之遥远，超出了天文学家企及的范围。但下一层多重宇宙却就在你我身边。它直接源于著名的、备受争议的量子力学解释－－任何随机量子过程都导致宇宙分裂成多个，每种可能性一个。

　　量子平行宇宙。当你掷骰子，它看起会随机得到一个特定的结果。然而量子力学指出，那一瞬间你实际上掷出了每一个状态，骰子在不同的宇宙中停在不同的点数。其中一个宇宙里，你掷出了1，另一个宇宙里你掷出了2……。然而我们仅能看到全部真实的一小部分－－其中一个宇宙。

　　20世纪早些年，量子力学理论在解释原子层面现象方面的成功掀起了物理学革命。在原子领域下，物质运动不再遵守经典的牛顿力学规律。在量子理论解释它们取得瞩目成功的同时却引发了爆炸性激烈的争论。它到底意味着什么？量子理论指出宇宙并不像经典理论描述的那样，决定宇宙状态的是所有粒子的位置和速度，而是一种叫作波函数的数学对象。根据薛定鄂方程，该状态按照数学家称之为“统一性”的方式随时间演化，意味着波函数在一个被称为“希尔伯特空间”的无穷维度空间中演化。尽管多数时候量子力学被描述成随机和不确定，波函数本身的演化方式却是完全确定，没有丝毫随机性可言的。

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