趣科学：多重宇宙存在吗？（干货）
我们所处的宇宙并非唯一，在我们看不到的地方，有无数与我们的宇宙相同或不同的平行宇宙——这个多重宇宙理论早已为多数物理学家所熟知、接受。但是，研究爱因斯坦相对论的顶尖学者、与霍金合著物理巨著《时空的大尺度结构》的埃利斯却怀疑多重宇宙是否存在，认为这个理论可能永远无法验证……
撰文乔治·F·R·埃利斯（南非开普敦大学宇宙学家与名誉数学教授，全球研究广义相对论的顶尖专家之一）
翻译谢懿（南京大学天文与空间科学学院，主要研究相对论天体测量和天体力学）
审校李淼（中国科学院理论物理研究所的研究员，中山大学天文与空间科学研究院院长）
过去十年里，有一个不寻常的声音让宇宙学家着迷：我们能看到的这个膨胀着的宇宙不是唯一的，还存在着数十亿个别样的宇宙。不是一个宇宙，而是多重宇宙。在《科学美国人》的文章、布赖恩·格林（Brian Greene）的新书《隐藏的真实》（Hidden Reality）等报道和书籍中，顶级科学家正在谈论一场超越哥白尼“日心说”的革命。从这个角度来说，不仅地球只不过是众多行星中的一员，就连我们的宇宙在大尺度上也无足轻重。它只不过是各自为营的无数宇宙中的一个。
“多重宇宙”（multiverse）这个词具有不同的含义。天文学家可以看到大约420亿光年远的地方，那里是我们目前能看到的最远地方（即可见视界）。但我们没有理由认为宇宙会在那里终止。在它之外可能存在许多极为相似的宇宙（甚至无穷多个），每一个都具有不同的初始物质分布，但都由相同的物理定律操控。今天，几乎所有宇宙学家（包括我）都接受这种多重宇宙的观点，马克斯·蒂格马克（Max Tegmark）称其为“第1层”（level 1）。然而，有人走得更远。他们提出，完全不同类型的宇宙是存在的，它们具有不同的物理定律、不同的历史，也许还有不同的空间维数。虽然其中一些会充满生命，但绝大多数都是不毛之地。这种“第2层”（level 2）多重宇宙观点的支持者主要是亚历山大·维兰金（Alexander Vilenkin）。他描绘了一幅生动的画面：在无穷多个宇宙中有无穷多个星系，无穷多颗行星，以及无穷多个和你同名的人在看这篇文章。
自古以来，许多文化中都有类似的观念。不同的是，多重宇宙的主张是一个科学理论，这意味着该理论具有数学上的严谨性和实验上的可检验性。但我对这个说法表示怀疑。我不相信其他宇宙的存在已经得到了证明——或者有一天能够被证明。多重宇宙的拥护者，以及大幅扩大了物理现实概念的人，无疑正在重新定义“科学”的含义。
跨越视界
那些赞成广泛意义上的多重宇宙的科学家，对于多重宇宙如何产生，以及它们位于何处，有着不同的看法。这些宇宙可能都位于远离我们的空间区域中，就如艾伦·古斯（Alan Guth）、安德烈·林德（Andrei Linde）等人的混沌暴胀模型（chaotic inflation model）所预想的一样。按照保罗·J.·斯坦哈特（Paul J. Steinhardt）和尼尔·图罗克（Neil Turok）提出的循环宇宙模型（cyclic universe model），它们也可能存在于不同的时期。戴维·多伊奇（David Deutsch）提出，其他宇宙和我们现在这个宇宙可能存在于同一空间，但具有不同的量子波函数。蒂格马克和丹尼斯·西阿玛（Denis Sciama）则认为，其他宇宙也许根本不和我们的时空相连。
在这些选项中，最受认可的是混沌暴胀，本文中我会集中讨论它（不过，我在文中的绝大多数评论也适用于其他多重宇宙理论）。混沌暴胀理论认为，大尺度上的空间会永远膨胀，其中的量子效应会不断产生新的宇宙，就像小孩吹泡泡一样。暴胀的概念可以回溯至20世纪80年代，物理学家根据弦理论（string theory）——用于阐释自然本质的最全面的理论，已经对暴胀进行了详细解释。弦理论允许宇宙泡之间看上去大相径庭。实际上，不仅每个宇宙都始于随机的物质分布，而且还具有随机的物质类型。我们这个宇宙包含电子和夸克等能通过电磁力相互作用的粒子，而在其他宇宙中，基本粒子和作用力则可能截然不同——这也意味着不同的物理定律。把所有局部的物理规律集合起来，就构成了“景观”（landscape）。在弦理论的一些解释中，“景观”的内容极为宽泛，确保了宇宙的巨大多样性。
谈论多重宇宙的许多物理学家，尤其是拥护弦景观（string landscape）的人，并不关心平行宇宙（parallel universes）本身。对他们来说，其他人对多重宇宙这一概念的反对意见并不重要。他们的理论能否存在，取决于理论能否自恰（consistency），或者最终能否得到实验的验证。他们根据自己的理论，推想出了一个多重宇宙的场景，却没有想过这个场景是如何产生的——但宇宙学家却很关心这一过程。
对一个宇宙学家而言，所有多重宇宙假说的基本问题是，我们的宇宙存在一个视界（visual horizon）。这个视界限制了我们所能看到的最远距离，因为，从宇宙创生至今，在某个遥远的地方，以光速（它是有限的）向我们传播的信号，跟本没有足够的时间抵达我们这里。所有的平行宇宙都位于我们的视界之外，无论技术如何进步，我们永远无法看见它们。事实上，它们实在太远了，对我们的宇宙不会产生任何影响。这就是多重宇宙支持者的论断没有一个可被直接证明的原因。
这些支持者正在告诉我们，根据在视界中所获得的数据，我们可以外推描述比我们宇宙视界大1 000倍、10100倍、101 000 000倍乃至无穷多倍的空间里会发生什么。这是一种不合理的外推。也许，宇宙在一个非常大的尺度上是闭合的，并非无穷大；也许，宇宙中的所有物质会在某个地方终止，在这之外则永远是真空；也许，空间和时间会在一个奇点处走向尽头，这个奇点又形成新的宇宙。我们不知道究竟发生了什么，因为我们没有来自这些区域的信息，而且永远都不会有。
多重宇宙可能的形式
绝大多数多重宇宙的支持者都是很谨慎的科学家，他们都很清楚上述问题，但仍然认为，可以对视界之外的情况作出合理推测。他们的说法可以归为7类，但每一种说法都有自己的缺陷。
空间没有尽头。空间会延伸到我们的宇宙视界之外。并且，在我们看不到的地方还存在许多其他区域，这一点很少有争议。如果这类多重宇宙存在，我们可以外推出，在视界之外的区域中能看到什么，但随着距离的增加，不确定性会越来越大。然后，人们就会提出其他的、更详细的多重宇宙场景，比如在我们看不见的区域中，会有不同的物理定律。不过，像这样从已知外推未知情况的问题是，没有人能证明你是错的。科学家如何判断，由我们看到的东西推测出不可观测的时空区域，这种外推到底合不合理？其他宇宙是否可能具有不同的初始物质分布，或者拥有不同的物理常数值（例如决定核力强度的那些常数）？不同的假设，可以得到不同的答案。
已知的物理学定律预言了其他宇宙的存在。提议中的弱电统一理论预言了标量场（scalar fields）之类的实体，它是科学家假设的一种类似磁场那样的、充满空间的场。这些场驱动了宇宙暴胀，产生了无穷多的宇宙。这些理论具有很好的理论基础，但这些假想场的属性是未知的，科学家也没法证明它们的存在，更别说检测它们应有的性质。关键问题是，物理学家并没有证明，这些场的动力学特征能否在不同的宇宙泡（bubble universes）中，导致不同的物理定律。
预言宇宙无穷多的理论通过了关键的观测检验。宇宙微波背景辐射揭示了早期热膨胀时期结束时宇宙的样子。其中存在的模式说明，我们的宇宙真的经历了暴胀阶段。但并不是所有类型的暴胀都会永远进行下去，从而产生无穷多个宇宙。而仅通过观测，我们也无法从其他类型的暴胀中甄别出最合理的那一种。斯坦哈特等宇宙学家甚至主张，永恒暴胀（eternal inflation）会在背景辐射中产生不同于我们见过的信号模式（见《环球科学》2011年第5期《宇宙暴胀的核心漏洞》）。林德和其他人却不同意这种说法。谁对谁错？这都取决于你对暴胀场（inflationary field）的物理学定律作了哪些假设。
宇宙的基本常数为生命的存在作过精细调整。对于我们这个宇宙，一个惊人的事实是，物理常数恰好是允许包括生命在内的复杂结构存在。史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）、马丁·里斯（Martin Rees）、伦纳德·萨斯金（Leonard Susskin）和其他人认为，这显然是一种巧合，多重宇宙可以为它提供一个合理的解释：如果宇宙够多，容许所有基本常数的存在，那么总会有一个宇宙的基本常数适合生命的出现。现在，这一推断已经用来解释加速宇宙膨胀的暗能量的密度。我同意，对于暗能量的密度，多重宇宙可能是一种合理的解释，而且，这也是我们现在拥有的唯一有科学依据的解释。但是，我们无法通过观测来验证这种解释。另外，对这一问题的绝大多数分析都假设，物理学的基本方程在任何地方都是相同的，只有物理常数存在差异——但只要认真研究多重宇宙，你会发现事实未必如此（见《环球科学》2010年第2期《到宇宙之外寻找生命》）。
基本常数与多重宇宙理论的预言相符。这种说法对以前的理论作了一些改变：宇宙并没有像我们以前认为的那样，为了能承载生命而作过微调。支持这一理论的人估算过不同暗能量密度可能出现的概率，密度值越高，它出现的可能性就越大，但对于生命来说，宇宙也会变得更加险恶。我们所观测到的值应该正好位于宜居与不宜居的分界线上，而它看上去也确实如此（见右侧图示）。这种说法的漏洞在于，如果不存在多重宇宙让你应用概率的话，我们就无法使用这一概率证据。因此，该说法一开始就假设了想要得到的结果，但如果在物理学上只存在一个宇宙，它根本就不适用。概率只是讨论多重宇宙能否自洽的由头，而非多重宇宙存在性的证据。
弦理论预言了多重宇宙的存在。弦理论已从一个解释每一件事情的理论，变成了几乎任何事情都有可能的理论。在目前的框架下，该理论预言，我们这个宇宙的许多基本属性是纯粹的偶然事件。如果宇宙是独一无二的，那这些特性就似乎无法解释了。例如，我们如何理解物理学具有高度限制的特性，使得生命存在这一事实？如果我们的宇宙只是许多个中的一个，这些特性就完全说得通了。它们不会被特意挑选出来的，而只是恰好出现在我们所处的宇宙空间。如果身处其他地方，我们就会观测到不同的物理性质，当然前提是我们能在这些地方活下去（绝大多数地方，生命都无法生存）。但弦理论不是一个经受过考验的理论，甚至不是一个完整的理论。如果我们有证据可以证明弦理论是正确的，那么这套理论所作的预言将会成为多重宇宙合理的、有实验依据的论据。但我们没有这样的证据。
所有可能发生的事情都会发生。为了解释自然界为何会遵循特定规律而非其他规律，一些物理学家和哲学家怀疑，自然界从未选择过物理定律，任何可能的规律都可以在某处发挥作用。这个想法部分源自量子力学。正如默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）所说，在量子力学中，只要是没有禁止的，就是必然会发生的。一个粒子会走它能走的所有路径，而我们观测到的现象，则是所有这些可能性加权平均的结果。对于宇宙可能也是如此，这暗示了多重宇宙的存在。但是，天文学家完全没有机会观测到所有的可能性。实际上，我们甚至无法知道这些可能性是什么。只有在一些尚未被验证的组织原则或框架下——它们决定了哪些可以发生，哪些不能发生，上述说法才说得通（例如，蒂格马克曾提出，所有可能的数学结构都必须要在某个物理区域中才能实现）。但是，我们不知道这种说法会牵涉到什么样的原则或框架，而且我们也没有任何方法来检验这些组织原则的存在或属性。在某些方面，这种说法是一个很有吸引力的提议，但把它应用于现实则纯粹是猜想。
证据的缺失
虽然理论论据不足，但宇宙学家也提出了各种各样对平行宇宙的实证检验。例如，如果我们的宇宙曾经和另一个宇宙泡（混沌暴胀理论所暗示的那种类型）发生过碰撞的话，在宇宙微波背景辐射中，也许还残留着这个宇宙的蛛丝马迹。如果宇宙处于无穷无尽的循环中，背景辐射还可能包含大爆炸之前的宇宙的残留痕迹。通过这些方式确实可能找到其他宇宙存在的证据。一些宇宙学家甚至已经声称看到了这些残留痕迹。然而，这些说法引起了巨大的争议，而且在许多假设中，可能存在的多重宇宙都不会产生这些证据。因此，观测者只能通过这些方式检验一些特定类型的多重宇宙。
第二种检验方法是，寻找一个或者多个基本物理常数的变化，从而可以证实物理定律并非永恒不变这一前提。一些天文学家宣布已经发现了这些变化，但绝大多数人对此半信半疑。
第三种检验方法是，测量我们能观测到的宇宙的形状：它是球形（正曲率）、双曲（负曲率）还是“平直”（零曲率）的？多重宇宙理论一般都预言宇宙不会呈现球形，因为一个球自身是封闭的，只允许有限的体积。不幸的是，这种检验并不精确。超出我们视界的宇宙可以具有和我们所见部分不同的形状，而且不是所有多重宇宙理论都排除了球形宇宙。
一个更好的检验方法是测量宇宙的拓扑结构：它是否会像一个甜甜圈那样卷成环形？如果是这样，它的大小将是有限的，这会明确排除绝大多数暴胀模型，尤其是基于混沌暴胀的多重宇宙理论。这一形状会在天空中产生循环出现的模式，例如宇宙微波背景辐射中的大圆环（giant circle）。观测天文学家对此进行过搜寻，但一无所获。不过，这一零结果并不能用作支持多重宇宙的论据。
最后，物理学家希望能证明或者否定一些预言多重宇宙的理论。他们也许会找到否定混沌暴胀的观测证据，抑或发现一种数学或者验证上的不自洽性，迫使他们放弃弦理论的景观。这种情形会削弱许多人支持多重宇宙理论的动机，但不会完全排除多重宇宙的可能性。
太多的回旋余地
总之，对于多重宇宙是否存在，我们还没有明确答案。根本原因是，这种理论非常“灵活”：它更像是一个概念，而非定义明确的理论。绝大多数假说都只是一些不同想法的拼凑体，而不是一个连贯的整体。就永恒暴胀的基本机制而言，它不会导致多重宇宙中，每个宇宙的物理定律都不同。为此，永恒暴胀理论需要和另一种推测性理论相结合。虽然它们可以相互适应，但并不是必然的。
证明多重宇宙的关键步骤是从已知到未知、从可检验到不可检验的外推。你得到的答案取决于你所选择什么来外推。因为涉及多重宇宙的理论几乎可以解释任何事情，任何观测都可被纳入一些多重宇宙理论的“变体”中。实际上，这些各式各样的“证据”在向我们暗示，应该接受一个理论解释，而非坚持观测检验。但是，到目前为止，这些检验已经成为了科学研究的核心诉求，抛弃它我们将自担风险。如果我们降低对可靠数据的要求，就弱化了过去的几个世纪中，科学取得成功的根本。
现在，对于一些现象，一个统一的解释，肯定要比一大堆乱七八糟的解释更令人满意，更受重视。如果一种统一解释认为，存在一些不可观测实体，比如平行宇宙，我们也许会觉得自己是被强制去接受这些东西的。但是，一个关键问题是，我们需要多少无法验证的实体。特别是，我们是否假设了比需要解释的现象更多（或更少）的实体？对于多重宇宙，我们假设存在大量甚至是无穷个无法观测的实体，来解释仅仅一个可观测的宇宙，这很难符合14世纪英国哲学家奥卡姆的威廉（William of Ockham）提出的“实体不得超出所需”的原则。
多重宇宙的支持者亮出了最后一条理由：没有更好的替代理论。科学家很可能会发现，多重宇宙理论的扩张令人不快，如果它是最佳的解释，我们就得被迫接受它；相反，如果我们打算放弃多重宇宙，就需要一个可行的替代理论。对“替代品”的探索取决于我们准备接受什么样的解释。物理学家总是希望自然规律是必然的，即由于没有其他可能的方式，事物呈现出本来的样子，但是我们无法证明这是真实的。其他可能性也存在。宇宙也许纯粹是偶然事件，只是正好以这个方式出现。或在某种意义上，事物本来就是这个样子——它们的存在有着特定的目的或意图。科学无法确定是哪种情况，因为这些是纯粹哲学议题。
为了解决存在的本质这个深层问题，科学家提出了多重宇宙理论，希望它能成为一条解决途径，但这个理论却留下了无法解决的终极问题。所有宇宙涉及的问题在多重宇宙中也会再一次涉及。如果多重宇宙存在，那它的出现是偶然的、必然的还是带有某种目的性？这是一个纯粹的哲学问题，对于宇宙或多重宇宙而言，任何物理理论都无法回答。
为了取得进展，我们需要保留实证检验是科学核心的想法。无论提出什么客观实体，我们都需要与它们具有某种因果联系，否则就失去了限制。这一联系可以是间接的。如果一个实体是无法观测的，但对于其他已经被证实的实体而言又绝对必要的话，那么它可以被当成已经经过证实。但是，对于提出这些实体的人而言，就有责任去证明这种间接联系是否存在。我对多重宇宙的支持者提出的一个问题是：你们能否证明，不可见的平行宇宙对于解释我们所处的世界是不可或缺的吗？它们之间的联系是必需且不可避免的吗？
虽然我对多重宇宙有些怀疑，但我认为对多重宇宙的思考是一个绝佳机会，让我们能去深思：科学本质是什么？存在的终极原因是什么——为什么我们会在这里？它将催生有趣的新见解以及富有成效的研究项目。关注这一概念，我们需要一个开放的思维，但也不能过于开放。这是一条微妙的道路。平行宇宙也许存在，也许不存在，未被证明。我们不得不和这一不确定性相伴。有科学基础的哲学猜想并没有错，多重宇宙的提议即是如此。但我们应该还其本来面目。