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多重宇宙：科学还是科幻？
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Bob Berman 文 Shea 编译 |
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一些稀奇古怪的想法驱使着理论家们相信平行宇宙的存在。 坐稳了，接下去我们将开启一次超越我们所在宇宙的旅行，去往宇宙平行的维度。我们不仅会探讨当今流行的多重宇宙——我们的宇宙只不过是无数宇宙中的一个，我们还会看到为什么有一些物理学家把这一想法看作是对科学的挑战。 几乎没有科学家会否认，有很多的东西其实位于宇宙视界之外，超出了我们能看到的范围。从最远可见天体所发出的光需花130亿年的时间才能抵达我们，而现在这些天体则位于约400亿光年之外。没有任何理由天体仅存在于这个可见的边界之内。此外，有强有力的证据表明空间在大尺度上是平直的，这意味着宇宙的绝大部分都必定位于视界之外，那里的天体所发出的光还来不及抵达地球。事实上，许多宇宙学家认为，整个宇宙的大小也许是无穷的，因而包含有无穷多个天体。（我们稍后在回到这个“无限”上来。） 由于我们永远也无法看到那些光线还没有抵达地球的天体，我们可以把它们统统划归为另一个宇宙。从逻辑上讲，这个宇宙与我们的宇宙有着相同的物理学定律。这就是最简单的多重宇宙。如果你把我们的宇宙定义为我们所能看到的一切，那么平行宇宙理应是存在的。 当我们接受这些数量巨大的星系、恒星和行星是不可知的之后，其实没有什么特别奇怪的。有人直接称这一巨大的区域为“其余的宇宙”或者“宇宙的其余部分”。道理很简单：存在着他们和我们。几乎所有的天文学家都同意这一观点。 现代多重宇宙 然而，当我们考察主要的多重宇宙假说时，事情就变得有争议且彻头彻尾的怪异。有着诸多科学名人的捧场和媒体的助推，这些假说在最近十年内风头正劲。 1979年，最初的暴胀理论问世，它认为宇宙在其最早的瞬间发生了高速膨胀。作为对这个想法的拓展，提出了混沌暴胀。 它认为，随着宇宙在规模和尺度上永远地疯狂膨胀，在空间中不同的暴胀部分都会有新的空间形成。它们每个都属于同一个宇宙，但由于膨胀的速度非常大，其中的居民永远不会知道在这个宇宙的其他地方发生了什么。在其中的某些地方，物理学定律可以完全不同。因此，可以说，我们的宇宙就是一个多重宇宙——一个巨大且在永远膨胀的宇宙，包含许许多多有着不同物理学定律的“宇宙泡”。 我们的宇宙就是这些宇宙泡中的某一个，但不存在能穿过宇宙泡与宇宙泡之间的地带，进入另一个宇宙泡。因此，我们有着无穷多个独立的宇宙。  [图片说明]：有着不同物理学定律的众多“宇宙泡”。 弦理论的杂音 另一种多重宇宙则来自弦理论。最初，理论家们认为微小的弦和额外的维度有望来解释四种基本作用力——引力、电磁、强相互作用力和弱相互作用力——和粒子物理学的标准模型。 但它并没有成功。除了额外维度至今没有找到确凿的证据之外，弦理论并不能预言我们的宇宙，也不能解释于1998年所发现的宇宙加速膨胀。因此，有越来越人视它为一个失败的理论。但它确实“预言”了10的500次方个现实。这一自身的模糊性使得弦理论变得毫无用处。 另一个极为不同的多重宇宙则来自于量子理论的多重世界解释。 80多年来，我们已经知道，观测行动会改变实验的结果。但为什么呢？此外，当一个电子来到一个岔路口，为什么它会走这条路而不是另一条？ 多重世界解释认为，自然界中的每一个选择都会创造出一个独立的宇宙，随后它们每一个都会与其他的脱离开，各自继续演化。如果你在一个路口向左转而不是向右转，那另一个“你”就会向右转。一个全新的宇宙将会继续，永久地烙有这一现实。除了你所知道的宇宙之外，你永远也不会知晓其他的宇宙。这对于在其他宇宙中做出其他的选择的“你”来说亦是如此。 各自独立的宇宙会不断萌发，多重世界意义下的多重宇宙数目会持续飙升。  [图片说明]：根据量子力学的解释，多重宇宙则来自对微观世界的多重世界解释。 数学使之真实 由此，你拥有了数学上的宇宙假说，也被称为终极集合。这个多重宇宙包含了数学上可能的一切。有一些科学家支持这一观点，他们认为数学是宇宙真实性的基础，而非人类思维的工具。这种观点进一步认为，在数学上可以发生的任何事情都会在各自独立的宇宙中发生。 人择原理为多重宇宙增添了更多的合理性。人择原理提出，尽管从很多方面来看我们的宇宙是简单的，但它所包含的几十个物理学常数其特定的数值却使得生命能得以在其中繁衍生息。如果掌控电磁力强度的精细结构常数有微小的变化，或者是强相互作用力抑或引力的强度略有调整，那么在我们这个宇宙中就有可能不会形成原子和恒星，进而也就没有生命。我们的宇宙是一个为生命而精准调校过的宇宙，科学们必然问这到底是为什么。 通过主张无数其他随机宇宙的存在，且这些宇宙中的绝大多数所具有的物理属性不适宜生命，多重宇宙的倡导者们认为，从总整体来看，我们的宇宙其实并没有什么特别的。在多重宇宙的景观中包含所有各式各样的宇宙，而我们只是碰巧位于那个能承载生命的宇宙中而已。通过这种方式可以让我们这个看似不平凡的宇宙变得“平凡”。 还有一些其他的多重宇宙假说，不过基本想法都是类似的。它的要点就是把整个宇宙描绘成了一个远超我们所能想象、更宏大且包含所有可能性的实体。  [图片说明]：宇宙历史的示意图，先后经历了大爆炸、暴胀和膨胀阶段。版权：PLANCK COLLABORATION。 无限个你 说到“宏大”，让我们回到有关“无限”的这个问题上来，它是多重宇宙模型的重要特征。如果真是这样，那么在另一个与我们几乎完全一模一样的宇宙中肯定会存在着另一个地球，在那个地球上肯定还有另一个“你”。毕竟，无限意味着没有限制。多重宇宙理论会给出这样的结论：任何可能发生的都会发生，并且它会发生无数次。 所以，另一个“你”所穿的袜子上也会和你的袜子一样有一个小洞。另一个“你”所养的宠物猫，也会长着和你的宠物猫相同的花纹。无限也意味着和你完全相同的副本绝不会仅仅只有一个。事实上，会有无限多个完全一样的你。此外，还会有无限多个有着相反性格的你。所有人都无一例外。 是不是感觉有点不对劲儿？有意思的是，在物理学家中近来出现一股反对无限论的浪潮。2014年，有物理学家和数学家在《自然》杂志上撰写社论，提醒高歌猛进的宇宙学家们铭记已故著名数学家希尔伯特的警告，他们指出：“虽然在数学中需要无穷大，但它并不存在于物理宇宙中。” 在任何情况下，内在的数学一致性并不足以充分地支撑一个多重宇宙理论，无论它是否涉及到弦、暴胀抑或是高维膜世界的碰撞。正如公元前450年芝诺通过著名的阿基里斯和乌龟的思想实验所昭示的，数学描述有别于物理现实。 不过，多重宇宙假说的极力反对之声远超其内在的数学。批评者认为，这些假说是无法证伪的，因此和哲学没有什么区别，和说是“上帝所为”如出一辙。而“科学”这一称谓只能授予一个可以被检验的理论。 更有早期暴胀的倡导者认为，多重宇宙这样的想法应该退休了。这是很强的批评。那么，我们真的应该摒弃整个多重宇宙的概念吗？很多批评者都会提到的一个重要问题是，多重宇宙模型并不能预测任何事情，因此它们允许一切事情。此外，有许多人相信，多重宇宙理论的提出主要是为了试图挽救失败的假说，例如弦理论。 科学之所以有用是因为它能解释并预言事情为什么会是这样而不是其他的样子。一个包容任何事情的理论是无用的，因为它不能排除任何的可能性；它同时也是毫无价值的，因为它无法接收生死考验。 不过，“平行宇宙”仍是科幻的主要题材。相比于理论物理学和天文学中的绝大多数内容，更为公众所熟知。电视科教片一直钟爱多重宇宙的想法，通常会让它的拥护者走上银幕阐述一些推测性的证据。 2014年出现了迄今最有说服力的支持多重宇宙的天体物理学证据，成为了世界各地的头版头条。  [图片说明]：位于南极的BICEP2望远镜。版权：BICEP2 COLLABORATION。 阴云密布的证据 它来自一个位于南极的实验，被称为BICEP2。然而，戏剧性且令人惊讶的是，在短短数月之内，这一发现就被指出存在问题。出错的不是测量结果，而是对它的解释。全球各大媒体的标题是首次验证引力波、暴胀——宇宙早期的超高速膨胀——理论得到佐证。现在认为，这些观测结果，即便不是全部，至少也是绝大部分，是由我们银河系中的尘埃颗粒所导致的。 在BICEP2的结果被推翻之前，它被一些多重宇宙的铁杆拥护者视为是支持混沌暴胀模型的证据，而这个模型则被当作是支持平行宇宙的证据。批评者们则把矛头直指这其中毫无根据的假设推理环节。有人不断地问，为什么多重宇宙的想法似乎总能免受科学严格标准的审视，游离在纯粹猜想的道路之上。 其实，只要允许投机性的宇宙学模型存在，那现实就有可能位于和多重宇宙完全相反的方向之上——我们自己所在的宇宙也是简单的，不需要这些五花八门的想法。 诸如巴门尼德和芝诺这样的古希腊思想家最早提出，宇宙（或“存在”）是一个未分化的实体。通过这个解释，在我们身边不会发生单独的事件。相反，宇宙本身才是一个单一事件。在几个世纪的时间里，这一基本统一性的观点出现在了几乎所有的文明中，一些现代量子理论对它也表示支持，但它与多重宇宙相对立。 底线似乎是，虽然“多重宇宙”是一种思想上的延伸，也有其可能性，但它也可能是毫无意义的，对解释我们可观测宇宙的性质来说甚至是有害的。与此同时，关于是否有任何观测能证否多重宇宙模型——这决定着它是否属于科学的范畴之内——亦争论不休。 2012年，有宇宙学家提出，多重宇宙的证据可能来自我们膨胀的宇宙与相邻宇宙之间潜在的碰撞。这一碰撞会在宇宙微波背景辐射——大爆炸的残余辐射——中产生额外的温度变化模式，有朝一日尖端的望远镜兴许可以探测到它。许多人认为这是寻找支持多重宇宙证据最有希望的途径。当然，还提出了其他的方法来检验多重宇宙模型，它们都基于数学上的分析。不过，由于这些方案无疑都是试探性的，因此必须谨慎小心地对待。 支持者的观点是，平行宇宙并不是一种理论，而是某些可检验理论的预言，例如宇宙暴胀。这就是为什么它们不仅在科幻小说中有讨论，但也越来越多地出现在学术会议上。  甚至都不算错误？ 值得注意的是，就算是研究人员也在使用模棱两可的语言来描述即使是最合理的多重宇宙模型。终有一天会探测到某些理论的证据，是否可以认为是“可以被检验”？这样的模糊性是否能被称为科学？鉴于目前对多重宇宙的痴情，对于它的坚决反对者也应该有一个公平的评价。互联网上有一个公众博客，名为“甚至都不算错误”，旨在批评多重宇宙的观点。 这一博客的博主写道：“在20世纪，物理学家取得了巨大的成功，建立起了强大的基本理论。但在过去40年里，却举步维艰，进展甚微。不幸的是，一些著名的理论物理学家们现在基本上已经放弃，决定采取一种简单的方式。于是，多重宇宙被引入，作为一条通用却又不可检验的“捷径”。他们允许像弦理论这样的与一切都相容的想法存在，而不是抛弃这些空洞的理论。令人沮丧的是，物理学可能就终结于此。但愿这一潮流来得快，去得也快。发现更好、更深刻的物理学定律确实极具挑战性，但只要不去一味地推销“此题无解”，它仍在我们人类的能力范围之内。” 这是相当激烈的言辞。如果我们关心物理学，就要把多重宇宙拉下马。 当然，如果无限的多重宇宙确实存在，那么一定会有另一个“甚至都不算错误”的博客正说着完全相反的观点。 |
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[Astronomy 2015年09月]
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