什么是平行世界理论？

指一个没有被物理学证明的理论。根据这个理论，我们的宇宙之外很可能还有其他的宇宙，这些宇宙是宇宙可能状态的一种反应。这些宇宙可能与我们所知的宇宙具有相同或不同的基本物理常数。平行宇宙这个术语是美国哲学家、心理学家威廉·詹姆斯在1895年发明的。

平行宇宙水平

有了这样的“宇宙”定义，人们可能会认为这只是一种形而上学的方式。但是，物理和玄学的区别在于理论是否能被实验检验，而不在于它看起来是否怪异，是否包含难以察觉的东西。多年来，物理学的前沿一直在不断拓展，吸收和融合了许多抽象(甚至是形而上学)的概念，比如球形地球、看不见的电磁场、时间高速缓慢流动、量子重叠、空间弯曲、黑洞等等。近年来，“多元宇宙”的概念也被加入到上述列表中，它与一些之前被检验过的理论，如相对论和量子力学相配合，至少达到了一个经验科学理论的基本标准:做出预测。当然，得出的结论也可能是错误的。到目前为止，科学家们已经讨论了多达四种类型的独立平行宇宙。现在重要的不是多重宇宙的存在，而是它们有多少个层次。

编辑本段第一关:看不见

所有平行宇宙构成了第一个多元宇宙。——这是争议最小的一层。大家都接受这样一个事实，虽然此刻我们看不到另一个自己，但我们可以在另一个地方观察它，或者干脆在同一个地方等很久。这就像观察一艘从海平面以上驶来的船——观察地平线外的一个物体是类似的。随着光的飞行，可观测宇宙的半径每年扩大半光年，你只需要坐在那里观望。当然，你可能等不到另一个宇宙的光到达这里的那一天，但理论上，如果宇宙膨胀理论成立，你的后代可能会用超级望远镜看到它们。

怎么样，多元宇宙第一层的概念听起来不起眼？空间不是无限的吗？谁能想象某个地方有个牌子写着“太空结束，小心下面的沟”？如果是这样，大家会本能地质疑:到底“外”是什么？事实上，爱因斯坦的引力场理论已经把我们的直觉变成了一个问题。空间可能不是无限的，只要它有一定的曲率或者不是我们直觉中的拓扑结构(也就是有一个互联的结构)。

一个球形、甜甜圈形或喇叭形的宇宙可能大小有限，但它没有边界。对宇宙微波背景辐射的观测可以用来检验这些假设。另见文章，宇宙是有限的吗？》作者让-皮埃尔·卢米内、格伦·d·斯塔克曼、杰弗里·r·威克斯；《科学美国人》4月1999然而，迄今为止的观测结果似乎与之相矛盾。无尽宇宙的模型与观测数据一致，有很强的限制。

另一种可能是，空间本身是无限的，但所有物质都被限制在我们周围的有限区域——曾经流行的“岛屿宇宙”模型。这个模型的不同之处在于，物质分布会在大尺度上呈现分形图案，而且是不断耗散的。在这种情况下，第一个多元宇宙中的几乎每个宇宙最终都会变得空虚，陷入沉寂。然而，最近对三维星系分布和微波背景的观测表明，物质的组织在大尺度上呈现出某种模糊的均匀性，在大于10 24米的尺度上无法观测到清晰的细节。假设这种模式继续下去，哈勃体积之外的空间也将充满行星、恒星和星系。

有数据支持空间延伸到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)。最强振幅超过0.5 kHz，暗示空间很大，甚至无限大(中图)。此外，WMAP和2dF星系红移探测器发现，物质在非常大的尺度下均匀分布在空间中。

生活在第一个多元宇宙的不同平行宇宙中的观测者，会感知到和我们一样的物理规律，只是初始条件不同。按照现在的理论，物质是在大爆炸前期以一定的随机性被抛出的，而这个过程包含了物质分布的所有可能性，而且每一种可能性都不为零。宇宙学家假设，我们的宇宙，具有近似均匀的物质分布和初始波态(100000的可能性之一)，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是典型的)个体。那么最近的和你一模一样的人会在10 (10 28)米之外；只有10 (10 92)米远的地方才会有一个半径为100光年的区域，里面的一切都和我们生活的空间一模一样，也就是说，未来100年我们这个世界上发生的一切都将在这个区域完全重现；至少在10(10 118)米开外，面积会增大到哈勃的大小，换句话说，会有一个和我们一模一样的宇宙。

上述估计极为保守。它只列举了一个哈勃体积，温度低于10 8开尔文的空间的所有量子态。其中一个计算步骤是这样的:在那个温度下，一个哈勃体积空间最多能容纳多少质子？答案是10 118。每个质子可能存在也可能不存在，即有2 (10 118)种可能的状态。现在你只需要一个能装下2个哈勃空间(10 118)的盒子，所有的可能性都会被穷尽。如果盒子更大——比如边长为10(10 118)米的盒子——根据鸽子洞原理，质子的排列必然会重复。当然，宇宙不仅仅是质子，还有两个以上的量子态，但宇宙所能容纳的总信息量也可以用类似的方法估算。

与另一个和我们一模一样的宇宙的平均距离可能没有理论计算的那么远，但可能会近得多。因为物质的组织也受到其他物理规律的制约。鉴于行星的形成过程和化学方程式等一些规律，天文学家怀疑仅在我们的哈勃体积中就至少有10 20颗行星有人居住。其中一些可能与地球非常相似。

第一个多重宇宙的框架通常被用来评价现代宇宙学的理论，尽管这个过程很少被清楚地表达出来。比如，我们来考察一下我们的宇宙学家是如何试图通过微波背景来绘制“球形空间”的宇宙几何图的。随着空间曲率半径的不同，宇宙微波背景图上那些“热区”和“冷区”的大小会表现出一些特征；观察面积显示曲率太小，无法形成球形封闭空间。但是，保持统计的严谨性非常重要。每个哈勃空间中这些区域的平均大小完全是随机的。所以有可能是宇宙在忽悠我们——并不是空间的曲率不足以形成一个封闭的球体，使得观测到的面积很小，而只是因为我们宇宙的平均面积自然比别人小。所以当宇宙学家信誓旦旦地说他们的球形空间模型99.9%可靠的时候，他们真正的意思是，我们的宇宙是如此不合群，1000个哈勃体积中只有一个会是那样。

这节课的重点是:即使我们无法观测到其他宇宙，多元宇宙理论仍然可以被实践验证。关键是预测第一个多元宇宙中平行宇宙的共性，指出它们的概率分布——数学家所说的“测量”我们的宇宙应该是那些“最有可能的宇宙”之一。否则——不幸的是，我们生活在一个不太可能的宇宙中——那么之前假设的理论就有大麻烦了。正如我们接下来将讨论的，如何解决这个测量问题将变得相当具有挑战性。

编辑本段第二关:通货膨胀后留下的泡沫。

如果第一级多元宇宙的概念不容易消化，可以试着想象下一个第一级多元宇宙无限群的结构:群之间相互独立，甚至有不同的时空维度和物理常数。这些群体构成了第二个多元宇宙——被现代理论预言为“无序持续膨胀”。

作为大爆炸理论的必然延伸，“膨胀”与该理论的许多其他推论密切相关。比如为什么我们的宇宙这么大又这么规则光滑平坦？答案是“空间经历了一个快速的拉伸过程”，不仅可以解释上述问题，还可以解释宇宙的许多其他性质。参见艾伦·h·古斯和保罗·j·斯坦哈德的《膨胀的宇宙》；科学美国人，5月1984；自传播膨胀的宇宙作者安德烈·林德，11月1994“膨胀”理论不仅被许多基本粒子理论表述，而且被许多观测所证实。“无序持续”指的是最大规模的行为。空间作为一个整体正在被拉伸，并将永远持续下去。但是，一些特定区域停止拉伸，产生独立的“气泡”，就像膨胀的吐司内部的气泡一样。这样的泡沫数不胜数。它们中的每一个都是第一个多重宇宙:大小无限，充满了由能量场波动沉淀的物质。

对于地球来说，另一个泡泡无限遥远，远到你即使光速旅行也永远无法到达。因为地球和“另一个气泡”之间的空间伸展的速度远远超过你的旅行速度。如果在另一个泡泡里有另一个你，即使是你的后代也绝不会想去观察他。基于同样的原因，也就是空间在加速膨胀，观测结果令人沮丧:连第一层多空间的另一个自己都看不到。

多元宇宙的第二层与第一层有很大不同。气泡之间不仅初始条件不同，外观也不同。现在物理学的主流观点认为，时间和空间的维度，基本粒子的特性，以及很多所谓的物理常数，都不是基本物理定律的一部分，而只是一个叫做“对称性破坏”的过程的结果。例如，理论物理学家认为，我们的宇宙曾经由九个相等的维度组成。在宇宙早期历史中，只有三个维度参与了空间拉扯，形成了我们现在观测的三维宇宙。其他的六维现在是无法观察到的，因为它们蜷缩在一个非常小的尺度内，所有的物质都分布在这三个完全拉伸的维度“表面”上(对于九维来说，三维只是一个表面，或者说是一个“膜”)。

我们生活在3+1维的时空里，对我们来说并不特别意外。当描述自然的偏微分方程是椭圆型或超双曲型方程，即空间或时间中的一个同时是0维或多维时，观测者不可能预测宇宙(紫色和绿色部分)。在其他情况下(双曲方程)，如果n >；3.原子不能稳定存在，n

由此，我们说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。而且结果会很奇怪。其中一些可能会延伸到四维空间；其他的可能只形成两代夸克而不是我们知道的三代；还有一些宇宙的基本物理常数可能比我们的大。

另一种产生第二个多元宇宙的方式是经历宇宙从创造到毁灭的完整循环。在科学史上，这个理论是由一位名叫理查德·C的物理学家在20世纪30年代提出的。最近，普林斯顿大学的保罗·j·斯坦哈特(Paul J. Steinhardt)和剑桥大学的尼尔·图罗克(Neil Turok)两位科学家对此进行了详细阐述。Steinhardt和Turok提出了一个“次级三维膜”的模型，这个模型与我们的空间相当接近，但在更高维度上有一些平移。看到“去过那里，做过，”乔治·穆瑟；新闻扫描《科学美国人》2002年3月平行宇宙并不是真正意义上的独立宇宙，而是宇宙整体——过去、现在、未来——形成了一个多元宇宙，可以证明它所包含的多样性就像无序膨胀的宇宙一样。此外，瓦特卢的物理学家李·斯莫林(Lee Smolin)提出了另一个与第二个多元宇宙具有相似多样性的理论，即宇宙是通过黑洞而不是通过膜物理来创造和突变的。

虽然我们无法与第二个多重宇宙中的其他事物发生相互作用，但宇宙学家可以间接指出它们的存在。因为它们的存在可以用来解释我们宇宙的偶然性。打个比方:假设你走进一家酒店，发现一个房间的门牌号是1967，这是你出生的年份。太巧了！那一刻你惊呆了。但你立即做出反应绝非巧合。整个酒店几百个房间，有一个房间和你生日一样很正常。但是，如果你看到另一个与你无关的数字，就不会引起上面的思考。这是什么意思？即使你对酒店一无所知，也可以用上面的方法解释很多偶然现象。

再举一个比较中肯的例子:考察太阳的质量。太阳的质量决定了它的光度(即辐射总量)。通过基本的物理计算，我们知道，只有当太阳的质量在1.6x 10 30 ~ 2.4x 10 30公斤这样一个狭窄的范围内，地球才有可能适合生命居住。否则地球会比金星热，或者比火星冷。而太阳的质量正好是2.0x10^30 30公斤。乍一看，太阳的质量是一种惊人的运气和巧合。大多数恒星的质量随机分布在10 29 ~ 10 32kg的巨大范围内，所以如果太阳的质量在出生时随机确定，落在适当范围内的几率会很小。但是，有了酒店的经验，我们明白了，这种表面的意外，其实是大系统(这里指的是很多太阳系)的必然结果(因为我们在这里，太阳的质量不得不这样)。这种与观察者密切相关的选择被称为“人择原理”。虽然可想而知它引起了多大的争议，但物理学家已经广泛接受了在验证基础理论时不能忽略这种选择效应的事实。

适用于酒店房间的原则也适用于平行宇宙。有趣的是，当我们宇宙的对称性被打破时，所有(至少是大部分)属性都被“调整”得恰到好处。如果我们对这些特性做哪怕是最微小的改变，整个宇宙都将面目全非——没有任何生物可以在其中生存。如果质子的质量增加0.2%，就立即衰变为中子，原子就无法稳定存在。如果电磁力减少4%，就没有氢，没有恒星。如果弱相互作用更弱，氢也不能形成。相反，如果它们更强，那些超新星将无法向恒星传播重元素离子。如果宇宙常数较大，会在星系形成前把自己吹得四分五裂。

虽然“宇宙调整得有多好”还没有定论，但上面提到的每个例子都暗示着有很多平行宇宙包含了每一种可能的调整状态。参见马丁·里斯的《探索我们的宇宙及其他》；《科学美国人》12月1999第二个多元宇宙表明物理学家不可能确定那些常数的理论值。在考虑了选择效应后，他们只能计算期望值的概率分布。

编辑本段第三关:量子平行世界

第一个和第二个多重宇宙预言的平行世界相距甚远，天文学家无法到达。但是下一个多元宇宙就在你我身边。它直接来自于量子力学著名且有争议的解释——任何随机的量子过程都会导致宇宙分裂成多个部分，每个部分代表一种可能性。

量子平行宇宙。当你掷骰子时，它似乎随机得到一个特定的结果。但是量子力学指出，你实际上在那一瞬间抛出了每一个状态，骰子停在了不同宇宙的不同点上。在一个宇宙中，你投了1，在另一个宇宙中，你投了2。但我们只能看到整个真相的一小部分——其中一个宇宙。

20世纪初，量子力学理论解释原子现象的成功掀起了物理学的一场革命。在原子领域，物质的运动不再遵守牛顿力学的经典定律。虽然量子理论解释了他们的非凡成功，但它引发了一场爆炸性的激烈辩论。这到底意味着什么？量子论指出，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，而是一个叫波函数的数学对象。根据薛定谔方程，态随时间以一种被数学家称为“统一”的方式演化，这意味着波函数在一个被称为“希尔伯特空间”的无限维空间中演化。虽然量子力学大部分时间被描述为随机不确定的，但是波函数本身的演化模式是完全确定的，完全没有随机性。