首先要说明的一点是,平行宇宙并不是科幻小说作者灵机一动创造出来的概念,而是科学家们根据观测到的事实以及各种宇宙理论进行推理的结果。
由于各式各样的宇宙理论有很多种,所以关于平行宇宙的理论也远远不止一种。
在英文版维基百科Multiverse这个词条下面,可以看到有人把平行宇宙理论分成了多达九种不同的类型。
在这些理论中,有一些相对简单易懂(例如视界平行宇宙),另外一些稍微琢磨一下也能大概明白(例如爆胀平行宇宙)。但是,还有一些诡异的平行宇宙理论格外地令人费解,尤其是那些跟弦论有关的理论,简直就像是一个科学家连续灌下两瓶伏特加之后的胡言乱语。
答主在这里尽力给大家简单介绍几种平行宇宙理论,希望能够抛砖引玉。
好,我们开始。
1)视界平行宇宙
这是所有平行宇宙里最简单易懂的一种,就让我们从这个开始讲起。
请先思考这样一个问题: 有一个位于地球上的人正在仰望夜空中的浩瀚宇宙,那么他可以观察得到整个宇宙吗?
答案是否定的。这并不是因为他的仪器不够先进或是他观察的时间不够长。这 是由宇宙的特性所决定的。
由于光的传播需要时间,而宇宙的年龄只有137亿年,所以无论使用多么先进的仪器,我们应该都只能观察到距离我们137亿光年以内的宇宙。 并且这个数字还没有考虑到宇宙的膨胀。由于宇宙在不停地膨胀,所以在这束光走完137亿光年的距离的同时,发出这束光的天体也在离我们远去。当这束光达到我们的眼睛时,这个天体与我们之间的距离已经不止137亿光年了。考虑到这个因素后,科学家们把我们所能观察到的最远距离调整到了410亿光年。
以地球为中心,以410亿光年为半径画一个球面,这个球面就是我们的宇宙视界(Cosmological Horizon)。
这个视界外的区域是我们永远无法观测到的宇宙,因为光还来不及从那里到达地球就已经离我们远去了。由于任何物体移动和信息传递的速度都不能超过光速,对于视界外的宇宙,我们不仅无法观测,也无法对它施加任何影响。也就是说,视界外的宇宙跟我们是完全相互独立的。
这里可能有人会发现一个逻辑上的漏洞。我们刚刚不是说任何物体的速度都不能超过光速吗?那为什么上面的那个天体可以在137亿年的时间里跑到距离我们410亿光年的地方去?这运动速度明显是超过光速的!
这里需要强调的一点是,我们所说的物体的速度,指的是物体在空间中移动的速度。上面的这个天体跑到距离我们410亿光年的地方去,是因为空间本身在膨胀。
为了更好地理解这个概念,你可以想象一个不断膨胀的气球,在它的东西两端各生活着一小群蚂蚁。这两群蚂蚁都认为自己呆在原地没有动,但随着气球的膨胀,它们之间的距离却在不断增大。
一天,住在东边的这群蚂蚁想要知道气球上是否还有其他蚂蚁,于是派出了它们中爬得最快的一只叫做博尔特的蚂蚁去探索未知的世界。在这个气球上,任何物体移动的速度和气味飘散的速度都无法超过博尔特的爬行速度。带着对新世界的期望,博尔特出发一路向西爬去。接下来会发生什么事呢?
博尔特永远也到不了气球的另一边。虽然博尔特一刻不停地以最快速度爬行,但由于气球膨胀的速度已经超过了它的爬行速度,它与西边另一群蚂蚁之间的距离反而越来越大了。所以博尔特永远也不会知道在气球的另一端是不是还住着一群蚂蚁。换句话说,西边的这群蚂蚁处于博尔特的宇宙视界之外。这两群蚂蚁无法以任何方式影响到对方,它们甚至永远无法知道对方的存在。它们所生活的世界相当于两个平行宇宙。
现在,想象有一个无限大的气球,上面生活着无数群蚂蚁,每一群蚂蚁都位于其他蚂蚁的宇宙视界之外。那么,这些蚂蚁就相当于各自生活在无数个平行宇宙之中。
我们的处境就类似于气球上的一群蚂蚁,生活在一个半径为410亿光年的球形宇宙中,无法知道在这之外还有多少个其他的球形宇宙。
看到评论区有很多关于这个宇宙视界的疑问,在这里补充说明两点。 第一,这个宇宙视界是一个动态的概念。比如再过5亿年,当宇宙的年龄到了142亿年的时候,我们的宇宙视界也会随之扩大,因为我们可观测到的『空间区域』变得更大了。第二,目前的观测表明,从70亿年前开始我们宇宙的膨胀速度就不断地在加速。这样一来,虽然我们宇宙视界的『空间区域』会逐渐增大,但由于其他星系在不断加速离开我们,在若干亿年后一些目前在我们宇宙视界中的星系反而会退出我们的宇宙视界,进入到一个我们永远也观测不到的宇宙区域中去。
可能有些人对上面的内容不是很感兴趣,他们更关心是否有另外一个自己正在一个平行宇宙中迎娶白富美走向人生巅峰。
如果,只是如果,我们的宇宙是无限大的,那么将存在无数多个平行宇宙。而由于每个平行宇宙中的粒子数是有限的,如果我们给观测的精度设一个上限的话,所有粒子排列方式也将是有限的。当然,每个平行宇宙中的所有粒子的所有可能的排列方式会是一个非常非常非常大的数字,大到人类根本无法理解,但它毕竟是有限的。如果你试着把有限多个粒子排列放入无限多个平行宇宙,那么必然的结果就是一定会有排列方式一模一样的宇宙。就好像你只有四种不同颜色的袜子,如果要在五个抽屉里各放一只的话,那么一定有两个抽屉里的袜子颜色是相同的。
在这种情况下,在无穷多个平行宇宙中都将会有一个一模一样的你,他们做了每一件你做过的和你没有做过的事。一个世界中的你刚娶了Angelababy,一个世界中的你刚拿了世界杯,还有一个世界中的你发动了世界核战。
不过这些都跟你没有任何关系,所以才叫平行宇宙么。
2)暴胀平行宇宙(Inflation Multiverse)
这种平行宇宙理论可以看做是上一种的升级版。
1964年,人们在宇宙中发现了无处不在的微波背景辐射(Cosmic Microwave Background)。这些微波辐射是宇宙大爆炸中产生的残留物,因而也成为支持大爆炸理论的有力证据。
但是当人们试着测量这些微波辐射的温度时,问题就来了。无论我们测量宇宙中来自于哪一个方向的微波辐射,它们的温度都几乎是一样的,精确到小数点后四位。稍微琢磨一下,你就会觉得这个现象实在是非常地奇怪。
想象一下,当我们站在地球上时,在我们左边137亿光年的地方有一个地点A,在我们右边137亿光年的地方有一个地点B。那么,地点A和地点B之间的距离是274亿光年。也就是说,一束光从地点A传播到地点B所需要的时间比宇宙的年龄还要长,所以这两个区域是无法对另一方造成任何影响的。那为什么地点A和地点B会有着相同的微波辐射温度呢?如果仅仅是地点A和地点B的微波辐射温度相同,那也许还可以用巧合来解释。但是在我们的天空中有无数的地点A和地点B,它们的微波辐射温度全都一模一样,这就无法用巧合来解释了。
你可以想象有一栋大楼,里面有100个房间,每个房间里放着一杯咖啡。你走进每一间房间对里面的咖啡温度进行了测量后,惊讶地发现它们的温度竟然是一模一样的。这已经不能用巧合来解释了。你只能合理地推测,这些杯子里地咖啡曾经都在同一个咖啡壶里,在充分搅拌均匀后才被人分别 倒入到100个咖啡杯里,然后又被端到了100个不同的房间中去。
这有什么问题吗?大爆炸理论不是本来就假设在宇宙诞生的时候所有的物质都挤在一个狭小的空间里吗?这个狭小的空间不就正是那个咖啡壶吗?
问题在于,把咖啡壶里的咖啡搅拌均匀需要一点时间,而标准的宇宙大爆炸理论并没有给这个过程留出足够的时间。在标准的大爆炸模型中,宇宙诞生后的物质还来不及建立热平衡就被抛到了遥远的地方。这个矛盾被称作视界问题(Horizon Problem)。这也是标准的大爆炸理论中的一个漏洞。
为了填上这个漏洞,有人对大爆炸理论又进行了修正,提出了暴胀宇宙理论(Inflation Theory)。
在暴胀宇宙理论中,宇宙并没有在大爆炸之后立刻开始快速膨胀,而是先等物质和能量在一个极小的空间里『搅拌』均匀之后才开始了一次剧烈的膨胀, 时间大约是在大爆炸后的0.000……0001秒(小数点和1之间有35个 零)。这次剧烈地膨胀持续了极为短暂的一刻(不到0.000……0001秒,小数点和1之间有31个零),但膨胀的速度却大得吓人。在这短短的一瞬中,宇宙膨胀了10^26倍之多。(谢谢评论区中的李文涛指出了原文中的一个错误 )这也是为什么这种理论被翻译为『暴胀』宇宙理论。在经历了这次剧烈的膨胀之后,宇宙的膨胀速度突然又放缓了,继续以一个『较慢』的速度持续膨胀,直到今天。
在这个理论中,宇宙就像是一位耐心的公交车司机,在开车前先跟乘客确认好:『大家都准备好了吗?温度都一样了吗?物质都均匀了吗?都好了是吧,开车!』
当然这只是一个比喻。宇宙不是公交车,可以说停就停说走就走。是什么东西造成了这次暴胀,又是什么东西使它停了下来?这些都需要科学家给出一个解释,哪怕只是理论上的。
为了解释暴胀产生的机制,科学家们创造出了暴胀场(Inflation Field)这样一个概念。暴胀场可以产生一种排斥力,从而推动整个宇宙快速地膨胀。并且随着宇宙中的空间越来越大,暴胀场还会进一步产生更大的排斥力。至于为什么暴胀场会有这样的性质,我们作为普通读者就没有必要深究了,因为它本身只是一个被创造出来的概念。科学本来就是一个不断提出假设然后再对其进行验证的过程。
好,我们现在有了暴胀产生的机制。但如果暴胀场可以产生如此之大的排斥力,那又是什么让它停了下来呢?回答这个问题似乎比回答暴胀场产生的机制要更加困难。写到这里,我仿佛可以看到所有质疑暴胀理论的科学家们像《秋菊打官司》的女主人公一样执着:『不行,你得给俺一个说法。』
针对这个问题的一个回答是:暴胀宇宙从来就没有停止过,也永远不会停止。在你读到这个句子的时候,整个宇宙仍然处在一刻不停的持续暴胀之中。暴胀停止的地方,仅仅是我们所在的这一小块区域而已。这个理论叫做永恒暴胀理论(Eternal Inflation)。
想象你正在给你的手机贴膜。在正常情况下,手机膜应该是和屏幕紧密贴合在一起的。但是偶然地,手机膜和屏幕之间会出现一个小气泡。这个小气泡的出现是由一些小概率事件引起的,比如手机膜上有灰尘,或是你贴的时候用力不均匀。总之,这个小气泡是你在贴膜过程中会偶然出现的一小块异常区域。现在,想象你在给一个无限大的手机贴膜。尽管你很小心,但是在手机膜和屏幕之间还是不可避免地会出现无数的小气泡。
在永恒暴胀理论中,宇宙的暴胀永远不会停止。但是,由于某种量子机制导致的随机性,在宇宙中的一些地方暴胀很偶然地停止了,你可以把这些地方想象成我们刚刚讲过的小气泡。在这些小气泡中,暴胀场的能量转化成了粒子,粒子又形成了物质,物质形成了星系。在其中的一个小气泡里,这些物质中的一小部分形成了太阳、地球、以及你和我。
这样的小气泡被称为口袋宇宙(Pocket Universe)。按照暴胀理论的说法,整个宇宙中有无数多个这样的口袋宇宙,而我们就生活在其中的一个之内。在我们与其他口袋宇宙之间,是永远处于暴胀之中的宇宙空间(你可以再想一下前面描述过的暴胀的速度)。
在这持续暴胀的宇宙空间中,每一秒钟都有新的口袋宇宙被随机地创造出来。
3)那些跟弦论有关的平行宇宙理论
在这里要再说明一下,跟弦论相关的几种平行宇宙理论的推理过程答主基本上都看不大懂。至少没有懂到能明明白白地讲给别人听的程度。
所以,这一部分答主决定果断放弃讲解,以免误导大家。这里仅对这些平行宇宙理论进行一下最简单的描述。
前面讲过,弦论中的很多概念都像是一个科学家喝多了之后的疯言疯语,比如宇宙时空是10维的,比如所有的粒子都是由一根振动的弦构成的,不同的振动模式对应不同的性质。除了弦之外,弦论里面还有膜,从1维膜,2维膜一直到9维膜。……我估计我再说下去你们就要打着哈欠关闭这个页面了,所以我们直接跳到结论吧。
总之,某些版本的弦论认为我们生活在一个三维膜之中。宇宙中还有许许多多其他的三维膜,跟我们所在的三维膜堆叠在一起,好像一层层摞起来的饼干。不同的膜就代表不同的世界,但是显然弦论中的某些计算表明所有的粒子都无法离开自己所在的三维膜,所以我们无法进入其他的平行世界中去,尽管在另外一个维度上我们可能相距只有一毫米。在弦论中,只有引力可以不受这种限制,自由地达到其他的三维膜。这叫做膜平行宇宙(Brane Multiverse)。
4)量子平行宇宙理论
这一部分我们讲一下量子平行宇宙,顺便聊一聊那只让很多人都搞不清楚的薛定谔的猫。
只要在家里找到一根蜡烛、几张纸,再加上一把裁纸刀,你就可以在家里完成人类科学史最重要的实验之一——光的双缝干涉实验。这个实验的设置很简单,一个点光源所发出的光在通过两条狭缝后,被投射在 一个背景板上。当通过狭缝的光到达背景板上时,所投射出的并不是两条光带,而是 许多明暗相间的条纹。
出现这种明暗条纹的的原因是因为光是一种波。当光通过两条狭缝后,相当于在两个狭缝出口处产生了两条新的波。这两条波在背景板不同的位置上会产生干涉。在明条纹处,两条光波到达时它们的波峰刚好叠加在一起,波的强度加大,所以产生了较亮的条纹。而在暗条纹处,两条波的波峰和波谷刚好抵消,波的强度减弱,形成了较暗的条纹。下面的这张图所表示的就分别是这两种情形下波的叠加。在图片中,上面两条同相的波叠加形成了一条振幅更大的波,而下面两条反相的波叠加后刚好相互抵消。
这个实验最早是由托马斯·杨在1801年完成的, 他通过这个实验向人们完美地展现了光的波动性。 (在这里插一句,这个杨就是我的另外一个回答里曾经差点破解了古埃及文字的那个杨。)
在杨完成这个实验一百年后,也就是在20世纪初,随着量子理论的兴起,人们发现诸如电子这样的微小粒子居然可以也体现出波的特性。随着技术手段的进步,人们可以用电子代替光 来进行双缝实验。在电子双缝实验中,被发射出来的电子会先通过一块开有两条狭缝的板,然后落在一块感光屏上。
实验刚开始的时候,通过双缝的电子会随机地落在感光屏上,似乎并没有规律。但随着落在感光屏上的电子越来越多,一条条明暗相间的条纹就逐渐显现了出来。在明条纹处有较多的电子落在了感光屏上,而在暗条纹处只有较少的电子落下。下面的五张图片显示出了随着时间的推移,落在感光屏上的电子分布:
电子在感光屏上的这种分布模式,简直和杨的双缝试验中光的干涉条纹一模一样。 如果将两条狭缝中的一条关闭的话,这种干涉条纹就立刻消失了。这说明通过两条狭缝的电子 以波的形式产生了某种干涉。
在经典物理学中,电子作为一种粒子,它的运动轨迹被理解为类似于炮弹飞行弹道或是行星运行轨道一样的东西。但在电子双缝干涉试验中,这种粒子却表现出了一种光波一样的波动性。但这还是不是这个实验最令人费解的地方。在电子双缝干涉实验中,最令人费解的是下面这个事实(请大家认真读三遍):
就算人们把电子一个个地单独发射出来通过双缝,最后所有落在感光屏上的电子还是可以形成干涉条纹。
就算人们把电子一个个地单独发射出来通过双缝,最后所有落在感光屏上的电子还是可以形成干涉条纹。
就算人们把电子一个个地单独发射出来通过双缝,最后所有落在感光屏上的电子还是可以形成干涉条纹。
为什么这是最令人费解的现象呢?请各位认真想想看,对于一个被单独发射出来的电子来说,它在通过其中一条狭缝的时候,它是怎么『知道』在这条狭缝的旁边还有另外一条狭缝,从而『决定』和其他的电子一起形成干涉条纹呢?要知道,对于一个小小的电子来说,两条狭缝之间的距离是一个非常大的尺度。如果把电子的尺寸放大到一个人那么大的话,两条狭缝间的距离可能已经有太阳系直径那么大了。这样的一个小小的电子,它是怎么知道在如此遥远的距离上『有』或者『没有』另一条狭缝呢?
如果你进一步思考这个问题,你会发现到感光屏上干涉条纹的形状是与两条狭缝之间的距离有关的。这就更加 让人感到不可思议了。难道通过狭缝的电子不但『知道』在遥远的地方开着一条狭缝,并且还在一瞬间『测量』出了这两条狭缝之间的距离吗?不然的话,电子们是如何根据狭缝间不同的距离来形成不同的干涉条纹的呢?
最后,对于一个被单独发射出来的孤零零的电子来说,它『不知道』在自己之前已经有多少电子落在了感光屏上,也『不知道』在自己之后还会有多少电子被发射过来。它是如何跟其他电子『约定』好各自在感光屏上的位置来形成干涉条纹的呢?
上面的这几个问题,每一个都在挑战着人类对于这个世界的认知极限。最后,有一群科学家认为,对于这些问题唯一合理的解释就是:每一个电子都同时通过了两条狭缝。
他们认为,电子并不像炮弹那样是按照某种确定的轨迹前进的,而是在空间中以某种概率波的形式前进的。在进行测量前,讨论电子的位置和运动轨迹是没有任何意义的,因为电子在空间的任何一个位置都有可能存在,只是存在的概率不同而已。换句话说,电子在空间中『处处都在,却又处处都不在』。在电子双缝干涉实验中,当电子被发射后,它就以概率波的形式向前传播,并同时穿过了两条狭缝。在这之后,穿过狭缝后的两条概率波之间相互发生了干涉,并形成了新的概率波。当这条新的概率波遇到感光屏时,感光屏的测量行为要求电子必须出现在一个具体的位置,于是电子的概率波就坍缩(Collapse)了,电子根据概率波的分布随机地出现在了感光屏的某处。当感光屏上集聚够足够多的电子之后,人们就可以根据电子的分布观察到两条概率波的干涉条纹。这种理论被称为『哥本哈根解释』(Copenhagen Interpretation),它也是目前对于量子现象的各种解释中被人们最广泛接受的一种理论。
另外一些人认为这种『每一个电子都同时通过了两个狭缝』的解释是一派胡言。他们在狭缝上装上了探测器,来检验一下每个电子到底是不是同时通过了两个狭缝。检测的结果如他们所愿,电子每次都只能通过其中的一个狭缝。但是,只要有一个狭缝上出现了探测器,感光屏上的干涉条纹就神秘地消失了。哥本哈根派的科学家对此解释说,安装探测器这一行为本身就是一种『测量』,它导致了电子概率波在狭缝处提前坍缩。既然概率波已经提前坍缩了,自然也无法在感光屏处形成干涉。
哥本哈根派强调,在测量前,粒子的各种可能性以一种『量子叠加态』的形式同时存在。但一旦进行测量,各种可能性就坍缩成了一种。如果不进行测量,电子就既通过了左缝又通过了右缝。而一旦对电子的行为进行测量,就会导致电子的量子叠加态坍缩成一种,电子将随机地选择一个狭缝通过。
在20世纪的前几十年中,许多科学界的大腕在爱因斯坦的带领下,对哥本哈根派提出了猛烈的抨击和质疑。正是为了反驳(注意是反驳!)哥本哈根派的理论,薛定谔提出了『薛定谔的猫』这个思想实验。
薛定谔敏锐地意识到,之所以世界上最聪明的一帮人会聚在一起讨论『量子叠加态』这种荒谬的概念,是因为哥本哈根派给出的例子都是电子、原子这种大家难以直接观测的微小粒子。对于这些在日常生活中看不见摸不着的东西,随便你怎么形容它们,大家也不会觉得有什么不对。
薛定谔于是决心设计一个思想实验,让大家看到『量子叠加态』是多么荒谬的一个概念。
想象一个放射性原子,薛定谔说,它有50%的几率衰变,也有50%的几率不会衰变。按照哥本哈根派的说法,在对它进行观测前,这个原子同时处于一种『衰变』和『不衰变』的叠加状态。只有当我们对这个原子进行观测时,它才会随机地坍缩成为一种确定的状态。
我们可以设计一个精密的毒气释放装置,并把它与这个原子连接起来。当原子衰变时,会触发装置上的一个开关并释放出毒气。当原子没有衰变时,则什么都不会发生。现在,如果我们把这台装置和一只猫一起放进一个封闭的箱子里,有趣的事情就发生了。
根据哥本哈根派的解释,只要我们不打开箱子进行观察,这个原子就是同时处于『衰变』和『不衰变』的叠加状态。那么箱子里面的仪器自然也是同时处于『释放毒气』和『不释放毒气』的叠加状态。再往下推理,箱子里的猫也是同时处于『死』和『活』的叠加状态。只有当我们打开箱子观察时,这只猫才会随机地选择一种状态出现在我们面前。
一只『既死又活』的猫无疑是十分荒谬的。薛定谔正是通过这个思想实验,把哥本哈根派的观点由一个原子推广到了我们日常生活中的事物中去,从而证明其观点的不合理。但事与愿违的是,哥本哈根解释经过多年的发展,现在仍然是接受度最高的关于量子现象的解释。而薛定谔的这只猫反倒成了关于量子理论最流行的大众文化符号。
哥本哈根解释虽然目前仍然是接受度最高的理论,但它也有一些内在的逻辑瑕疵。比如说,这个『坍缩』到底是怎么回事?为什么没人观察的时候,这些原子可以同时处于几种量子叠加状态,而一有人观察它们就『坍缩』到了一种确定的状态上去?难道我们人类在宇宙之中就这么重要吗?
另外,究竟要需要怎样的一个观测者才能导致量子态的『坍缩』呢?是不是一定要一个量子物理学家进行观测才可以?一个婴儿进行观测可以吗?一只猫、一只老鼠、一个细菌呢?
面对这些难以解释的问题,有人提出了另外一种不同的解释:多宇宙解释(Many Worlds Interpretation)。这也是本节要介绍的量子平行宇宙理论。
有了前面这么长的铺垫,量子平行宇宙理论就很容易理解了。这种理论认为,在我们进行观测时,并没有什么『坍缩』发生,而是整个宇宙分裂成了几个平行宇宙,每个宇宙对应着一个不同的量子结果。例如在电子双缝实验中,当电子通过双缝时,整个宇宙就分裂成了两个平行宇宙。在一个宇宙中电子通过了左缝,在另外一个宇宙中电子通过了右缝,我们只不过被随机地分配到其中的一个宇宙之中而已。如果我们观察到电子通过了左缝,那么在另外一个平行宇宙中,会有一群跟我们一模一样的人观察到电子通过了右缝。
对于薛定谔的猫来说,在我们打开箱子之前宇宙就已经进行了分裂。我们被随机地分配到了『死猫』或者『活猫』宇宙中,只不过我们需要打开箱子才能发现这个结果而已。如果我们打开箱子看到薛定谔的猫活得好好的,那么在另外一个平行宇宙中,我们正围在箱子旁讨论猫为什么死掉了。
那么如何解释电子通过双缝后的干涉条纹呢?既然整个宇宙在电子通过双缝的一刹那已经分裂成两个,那它们之间为什么还能相互影响并形成干涉条纹呢?这是因为当引起宇宙分裂的粒子足够少时,两个平行宇宙之间还可以产生微弱的联系。换句话说,在『左缝宇宙』中的电子还可以感知到『右缝宇宙』的存在,从而与右缝宇宙中的电子进行干涉。而一旦涉及到的粒子数量增多,两个平行宇宙之间的联系就会被切断,用物理学家的话来说,它们的已经退相干了(Decoherence)。这也是为什么每当我们对电子通过那条缝进行观测时,干涉条纹就立刻消失了。因为观测用的仪器和人类都是由数量众多的粒子所组成,这些粒子的介入会切断两个平行宇宙之间的联系,从而导致干涉条纹的消失。
这种多世界解释听起来似乎过于大动干戈,为了解释一个电子通过双缝的问题竟然不惜让整个宇宙进行分裂。但它确实避开了哥本哈根解释中『观察者导致坍缩』这个略显尴尬的问题。虽然哥本哈根解释仍然是当下科学界中最流行的理论,但在几次科学会议上进行的调查问卷中,多世界理论都作为第二受欢迎的选项紧跟其后。
以上,就是本篇回答要向大家介绍的几种平行宇宙理论。
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若论人类历史上最最精彩的辩论,非爱因斯坦和玻尔的世纪论战莫属。
1927年,第五届“索尔维会议”在比利时布鲁塞尔召开,这次的主题是“电子和光子”,除了索末菲和约尔当等少数科学家,世界上最有名的科学家悉数到场,留下了那张号称凝聚了人类一半智慧的“物理学全明星梦之队”世纪照片。
前四天波澜不惊,爱因斯坦一直没说话,即使第三天玻尔、玻恩、海森堡齐怼薛定谔,好似“三英战吕布”,爱因斯坦依然稳如泰山。到了第五天下午,大神们开始上台做总结陈词,洛伦兹点名玻尔发言,玻尔重申了他的哥本哈根诠释:在测量电子的位置之前,讨论电子在哪里没有意义。也就是说,这个物理世界并没有什么“客观现实性”,物理学家去讨论“本质”是无聊之举。
看看吧,因为量子力学的出现,在原本稳定而实在的时空里荡起了一阵阵微妙的涟漪,世界变得模糊而不确定起来。作为经典物理基础的因果律摇摇欲坠,科学家们还能如此笃定吗?
一直在台下坚如磐石的爱因斯坦终于坐不住了:“什么?哥本哈根学派简直是一群神棍!物理学家就是要去深究万物之理,不去讨论世界的本质,那还研究什么?”
他大步走上讲台,在黑板上画了一个电子穿过小孔,屏幕上得到衍射图像。
按照哥本哈根解释:电子穿过小孔后,冲向屏幕的是一团概率波,屏幕任何一点都可能成为它的落脚点,观察后发现电子落在A点,这就是“波函数坍缩”!问题来了,屏幕上其他点竟然要同时对电子的观测做出反应,这似乎暗示了一种超距作用,也就违背了相对论里的“光速不变原理”!
玻尔听了直摇头,两位主角走上前台,这场世纪论战由此展开。从会场上到餐桌旁、房间里,两人随时展开pk。笃信因果律的爱因斯坦认为:“上帝不会掷骰子!”而玻尔的哲学是:“你不要指挥上帝怎么做。物理学的任务,不是要找出自然是什么,而是对于自然,我们能说什么。”
谁能想到,志在必得的爱因斯坦竟然一败再败,在众多相信实证的物理学家眼里,玻尔的哥本哈根诠释才是“知之为知之不知为不知”的科学态度,而当年物理学界最反叛最具革命性的爱因斯坦这次竟然站到了新生的量子力学的对立面上,成为了守旧的代名词。艾伦菲斯特甚至气愤的说:“爱因斯坦,我为你感到脸红!你把自己放到了那些徒劳推翻相对论的人一样的位置上了!”
在这之后的几年里,爱因斯坦卷土重来,用“光箱实验”和“EPR佯谬”轮番向玻尔施压,均被玻尔一一化解。(当然爱因斯坦并不认为自己在“EPR佯谬”上输了,这个梗一直到50年后才真正得到解决,这是后话。)
眼看爱因斯坦即将败走麦城,薛定谔挺身而出,他写信给爱因斯坦,信中构想了这么一个思想实验:
一只猫被关在一个密闭的盒子里,猫的生死取决于一个放射性原子的状态,在一定时间内,这个原子有50%的几率衰变,衰变反应会被盖革计数器观测到,并通过继电器释放一个锤子击碎一小瓶氢氰酸,这只猫就会死亡。
按照哥本哈根解释,量子系统在被观察之前一直处于叠加状态,那么这只猫在打开盒子之前,是处于一种“既死又活”的状态。如此超越凡人日常经验的思想实验,被后人称为“薛定谔的猫”,位列物理学四大神兽!
“薛定谔的猫”之所以影响深远,在于薛大神用他那超人的智慧将微观的量子效应放大到了我们的日常世界。如果哥本哈根学派继续嘴硬,他们就不得不硬着头皮无可奈何的说到:“确实如此,没打开盒子之前,那只猫确实是‘既死又活’的!”
爱因斯坦收到薛定谔的信后大喜过望,他立马给薛大神回了信:“如果只有一个人是诚实的,那个人就是你(除了劳厄),因为你知道无法回避现实。其他人根本不知道他们在玩什么冒险游戏,(他们必须明白),现实是要建立在实验的基础上!”
在这之后,爱因斯坦更是如此嘲讽哥本哈根学派:“难道这意味着,我不看月亮的时候,月亮就不存在?”
哥本哈根的科学家们似乎遇到了最大的危机,薛定谔用一只猫把他们推到了风口浪尖上,而同时对量子力学的研究也不仅仅局限于微观世界的物理意义,更是上升到了宏观世界的日常现象,甚至被推上了哲学高度。
中国大哲人王阳明说过与爱因斯坦类似的话:“汝未看此花时,此花与汝心同归于寂?”而贝克莱大主教也说过“存在即是被感知”。过去,科学家们只把这当成哲学上的唯心梦呓,科学研究的应该是 “可实证”的现实世界。而如今,按照哥本哈根的解释,我们的宇宙该是如何,竟然取决于我们的观测,难道我们竟然处于一个“唯心”的世界?
“薛定谔的猫”这个梗当然逃脱不了科幻作家的视野,在这其中思想最为奔放的当属刘慈欣的《球形闪电》,在大刘的笔下,球形闪电竟然是比我们世界更高一层“宏世界”里的宏电子,它之所以飘忽不定可以穿墙而入,就因为它的量子效应。而人、动物和其他物体被球形闪电击中,表面上变成一滩灰烬,实际上是变成了量子叠加态,弥散在空间中。偶尔他们还是会存在于我们的世界,但只要一观察,他们就立马消失了,这似乎就是“鬼魂”。
大刘的想象力真是把“薛定谔的猫”这个悖论发展到极致了!
薛定谔一直想跟玻尔当面交流猫的问题,可惜的是,二战爆发了,薛定谔被迫辗转到爱尔兰,在这里他写下了《生命是什么?》,催生了分子生物学。1952年,他在都柏林做了一次演讲,谈到了他的猫,他开玩笑地警告他的听众,他将要说的话可能“看起来很疯狂”。按照他的说法,“薛定谔方程”所描述的似乎是几个不同的历史,它们“是同时发生的”。
原来,是薛大神第一个提出了“多世界”的设想。
薛定谔在都柏林的演讲后第二年,一个本科化学系毕业的小伙子进入普林斯顿大学数学系,研究军事博弈学,很快他又对理论物理产生了兴趣,一边跟着魏格纳(1963年诺贝尔物理学奖)学习数学物理方法,一边完成了军事博弈学论文,取得了硕士学位。到了博士期间,他发现终于找到了自己的兴趣,于是他抛弃了魏格纳,投身惠勒门下研究量子力学基本原理。
他的同学如此评价他:“他太聪明了!从化学工程到数学,再到物理,其实他整天都在看科幻小说。我想说,这就是天赋。”
这个天赋异禀的小伙子叫做休*艾弗雷特,由于他的父亲和祖父也起了相同的名字:休,所以我们也可以叫他“艾弗雷特三世”。
艾弗雷特在1956年将他博士期间的研究汇编成一篇长论文《没有概率的波动力学》(Wave Mechanics Without Probability),文中他提出一个革命性的观点,他认为 “波函数坍塌”这个违背直觉的设定就应该被“奥卡姆剃刀”砍掉,还不如承认波函数的客观存在,之所以会遇到“薛定谔的猫”这种悖论,那是因为这时“分裂”成多个宇宙,在某些宇宙里面猫死了,某些宇宙里面猫还活着。这两个宇宙“分裂”之后(请注意这里的用词:“分裂”),彼此孤立,再也没有交集,可以认为它们彼此“平行”,因此艾弗雷特的“多宇宙”也被称为“平行宇宙”。在其他一些地方,也有过“多重宇宙”的说法,它们都是一个意思。
有了“多宇宙”,更容易解释的是量子力学里最最神秘的双缝干涉实验。
双缝干涉实验,在每一本中学物理教科书上都可以找得到,托马斯杨用这个著名实验证明了光的波动性。
量子力学发展起来以后,波粒之争再度掀起风云,有人想,如果用电子(或光子)一个个通过双缝,还会产生干涉条纹吗?
你说电子是波,当然应该产生干涉条纹啊,但问题来了,电子明明是一个个通过的,难道它自己和自己干涉了吗?
你说电子是粒子,那问题更大了,这个电子究竟走了哪条缝呢?
实验物理学家说:不要吵,是骡子是马,拉出来溜溜,做个实验验证一下不就完了吗?
随着实验手段的进步,还真有人做出了这样的实验,比如日本科学家外村彰给出的实验结果图案,如下图,分别为11个、200个、6000个、40000个和140000个电子打在屏幕上出现的光点,可看出,随着电子数越来越多,屏幕上逐渐出现了明暗条纹。
单电子也能产生双缝干涉条纹,似乎已无争论,但好奇心强的人还是想弄明白,电子究竟走的是哪条缝呢?按照艾弗雷特的多宇宙理论,不用烦那么多了,因为根本就不需要“波函数坍缩”这个假设,就记住一点,在某些宇宙里面,电子走左缝,而另一些宇宙里面,电子走右缝。
太给力了!艾弗雷特用一个多宇宙的设定,一下子完美的解释了很多量子现象,EPR佯谬、冯诺依曼的边界问题甚至波粒二象性,解释起来都一目了然了。更重要的是,量子力学终于摆脱了“观察者”这个空中楼阁,虽然多了很多宇宙,但终于回归了现实世界,很多人心里踏实多了,长舒了一口气。
1959年,经过惠勒引见,艾弗雷特满怀憧憬来到哥本哈根,面见玻尔。谁能想到,这竟然成了一次“灾难性”的拜访,对于量子力学的老学究们来说,“多宇宙”已经不止是离经叛道,而简直是异端邪说了!事后,一位玻尔的追随者莱昂•罗森菲尔德(Leon Rosenfeld)说,艾弗雷特“愚蠢得难以形容,连量子力学中最简单的东西都无法理解。” 而艾弗雷特自己回忆起这个故事也说到:“(这次访谈)从一开始就注定是地狱……”
这次会晤让艾弗雷特心灰意冷,他离开了科学界,进入美国国防部,成为军事专家。后来又出来创业,竟然很快成了百万富翁。而他的“多宇宙”却几乎被丢进垃圾桶里,几乎无人问津。
到了1970年,德威特才从废纸堆里找出了艾弗雷特尘封已久的惊人设想,一下子获得了全世界的瞩目!这是后话。
艾弗雷特70年代末曾想过重返物理学界,1977年应惠勒的邀请,他来到得克萨斯州奥斯汀做了一次演讲,很受欢迎,而艾弗雷特也见到了多年来一直帮自己理论做推广的德威特,以及后来一直帮多宇宙理论站台的惠勒的学生——多伊奇。惠勒也准备在加州为艾弗雷特建造一个研究所,但他却始终与多宇宙理论保持距离。后来艾弗雷特终究没能回到物理学界的中心,一直保持着“世外高人”的姿态,他自己仍然对他的孩子——“多宇宙”充满信心:“我必将因多宇宙理论而(在物理学史上)留名!”
1981年,艾弗雷特因为心脏病去世,他的儿子后来回忆道:“艾弗雷特对多宇宙理论从未动摇过信念!”
“多宇宙”最为吸引人的是,它抛弃了“观察者”的特殊地位,每一个宇宙都是客观的历史和演化。诸如费曼、温伯格、霍金、盖尔曼等大牛,都曾经表示自己支持多宇宙的观点。霍金虽然曾经常开玩笑:“一听到薛定谔的猫,就想去拿枪。”但却多次表示,多宇宙“显然是正确的”。
也有不少大科学家旗帜鲜明的反对,比如贝尔、彭罗斯、斯特恩等。最为典型的反对原因是,为了一个电子,竟然如此兴师动众,引入这么多宇宙?这也太“杀鸡用牛刀”了吧?更何况,多出来这么多宇宙,能量守恒在哪里呢?
普林斯顿大学教授保罗*斯坦哈特有句著名的论断:“如果一个理论能提供所有可能的结果,那么任何实验都不能排除这个理论。”
与之类似,著名宇宙学家、科普作家卡尔萨根有一个“车库里的喷火龙”的段子:有人跟你说你家车库里有只喷火龙,但是它既看不见,也摸不着,用各种物理探测方法都无法检测得到,也对环境没有任何影响,它是一个永远无法推翻的命题。
科学哲学家波普尔曾经提出过一个非常重要的问题,也是现在科学界公认的一条黄金定律——一个学说只有具备可证伪性才应该被肯定。
难道多宇宙理论注定是一只无法被检测到的“喷火龙”吗?
前面提到,惠勒虽然一直和“多宇宙”保持距离,却在关键的时候跳出来为自己的学生站台了。早在艾弗雷特提交自己的博士论文的时候,惠勒就指出:“分裂”最好换成其他词,但后来由于大家口口相传,惠勒的提醒就此被遗忘了。
惠勒明显站在了更高的高度,他说并不是一个宇宙分裂成更多的的宇宙,而是这些子宇宙共同组成了一个“总宙”(Multiverse),可以认为这个总宙比子宇宙处于一个更高维的希尔伯特空间。比如我们的三维空间由无数平行的二维平面组成,这个总宙就是由无数平行的子宇宙组成,每一个子宇宙是总宙的一个切面(也许用切体、切时空更好)。我们可以用一个波函数来描述整个总宙的状态,这个波函数当然可以用薛定谔方程来描述,但这个方程不一定有一个解,比如双缝干涉,就有两个解,每个解投影到一个子宇宙。
按照这样的说法,就不是宇宙在不断“分裂”了,而是总宙在不断进行着演化。
我们可以用阿尔法狗下围棋来理解“总宙”的演化。
首先我们要理解,在阿尔法狗的“芯”里,没有棋盘上美妙的艺术棋型,也没有“野狐之魅”、“烂柯”等美丽的神话传说。它的“芯”里,只有一个问题:就是尽自己所能找出棋盘上的最优解。
当它准备落下第一步黑棋时,它似乎有361个选择,当然我们必须考虑棋盘的对称性,因此它实际上只有55个选择,也就是说棋局“分裂”为55种可能性。如果第一步并没有落在任一对称轴上,第二步白棋将有360种走法,也就是说棋局又“分裂”为360种可能性。以此类推……
懂了没?棋盘上的所有变化就是阿尔法狗“芯”里的“总宙”,每一盘棋局就是其中的一个子宇宙。每下一步,棋盘“总宙”就以可能走的变化发生“分裂”或继续“演化”。
棋盘太小,只争目数。相比之下,我们所在的宇宙则是一个巨大的存在,按照多宇宙理论,每时每刻都在发生着量子事件,也就是说,我们的宇宙每分每秒都在进行迅速的“分裂”或者“演化”,子宇宙的数目是我们想象不到的巨大数字。
我们至少可以想象,如果多宇宙理论成立,在其他宇宙里也存在过同样的“我”(也许应该用“他”)吗?那些“我”(或者“他”)还活着吗?他们(或者“我们”)是比我过的更好?
至于为什么会有很多的“他”,是因为在我的历史里发生了太多的偶然事件(量子事件),它们经过各种“薛定谔的猫”过程从微观放大到宏观,让我们所处的宏观宇宙“分裂”。在某些宇宙里,我们可能早已因为一些莫名其妙的原因而离开人世;还有一些宇宙里,我们可能因买了彩票而中奖,成为亿万富翁;我们也许正和自己的前女友在另一个宇宙里卿卿我我,有情人终成眷属……
我们至少可以得到一个结论,我们之所以是现在的自己,都是极其偶然的结果。
人是不满足的动物,如果存在平行宇宙,人就会想,在另一个平行宇宙里,我会不会过的更好?
著名科幻影片《蝴蝶效应》就展示了平行宇宙和蝴蝶效应交互作用的奇幻之处,只是影片中加了一个莫名其妙的设定:主角可以通过看日记回到过去。这不是主要的问题,我们就不深究了。在影片中,主角总是不满足于当下,于是想着改变过去,每改变一次导致他存在于另一个平行宇宙,可惜总是事与愿违,由于蝴蝶效应的存在,本来的好意到最后却产出了恶果。最终,心力交瘁的主角回到妈妈肚子里自杀,这个悲剧的结尾让人扼腕长叹。
类似的还有影片《罗拉快跑》、《土拨鼠之日》等。
我们还可以推想,既然存在天文数字的平行宇宙,那么在存在“我”的多宇宙里,可能有一些“我”更加落魄,也有些“我”则混得更好。比如某一次考试,本宇宙的“我”考了90分,而有些宇宙的“我”则瞎猫碰到死耗子,考了个满分,另一些“我”则倒了大霉,考了不及格。
继续联想下去,在某些宇宙里,“我”已经实现了当时的梦想,功成名就,位高权重也未可知。本宇宙的我多么想拥有那种体验啊!这就好比,如果人生好比一场游戏,可以save and load该多好,我总能S&L到一个最好的结果。说到这里,游戏里通过S&L而出现的不同存档不就是一种多宇宙的理解吗?
影片《彗星来的那一夜》中就有类似的情节,女主去到平行空间的另一个“她”的家,发现另一个“她”过得更好,于是将另一个“她”打晕,伪装成另一个“她”。
人生最多百年,在宇宙年龄面前,人生百年不过沧海一粟。如果把我们的视野放大到宇宙尺度,那会发现一个神奇的问题。按照多宇宙理论,从137亿年前宇宙大爆炸开始,我们整个宇宙早已 “分裂”或“演化”成天文数字的子宇宙。可以想象,在大部分宇宙里,可能根本不会有“我”,甚至连太阳系、银河系都没有。
所以, “总宙”本身就是随机的,天文数字的“子宇宙”就是随机的结果,我们处于哪一个子宇宙里本身就是“总宙”演化的结果。这就导致一个更加恐怖的推论:如果我们要问我们的宇宙为什么是这个样子,那是因为如果宇宙不是这个样子,你就根本不会在这里问这个弱智问题。这就是“人择原理”!
好了,多宇宙刚诞生出来的时候,显而易见的优点是它摈弃了“观察者”,让世界从哥本哈根的“唯心”回归唯物,然而经过我们的推论,却发现这竟然能会导致更加 “唯心”的人择原理。多宇宙理论至此遇到了它的最大危机:说来说去,平行宇宙之间没有任何关系,也就无法验证,这还能是科学的东西吗?至于人择原理,这已经不是科学,而是哲学,甚至是神学了!
要知道,现代科学兴起的起点之一,就是哥白尼的日心说取代了之前托勒密的地心说。从此,人类的家园在宇宙中再也不是一个特殊的位置,我们意识到了自己在宇宙中的“平庸”。在这之后,人类逐步认识到太阳、银河甚至本星系团也不过是浩瀚宇宙中不能再平常的一员。在这个基础上,人们总结出了“哥白尼原则”:人类在观测宇宙时并非处于一个特殊地位。这也叫做“平庸原则”!
原本妄自尊大的人类早已脱离了蒙昧的托勒密时代,认识了“平庸原则”,这是人类认知的伟大进步,在宇宙面前,我们更加谦卑,也更加理性。
现在,“人择原理”竟然告诉我们,不要提我们的地球、太阳系了,我们所处于的宇宙都可以说是为我们每一个人精心设计的,这是属于我们每一个人的宇宙!这怎能让自认为理性的人信服呢?
分裂也好,演化也好。多宇宙毕竟上升到宇宙级别,孰是孰非难以验证,总不能把宇宙放到烧瓶里蒸煮一番看看它的性质,也不能把宇宙重启几次,测试一下实验的可验证性。难道多宇宙只能作为一个思想实验,成为人们口中的谈资吗?
话说艾弗雷特的多宇宙有两个死忠粉,一个是麻省理工学院的泰格马克教授,另一个是惠勒的学生多伊奇。我们先说泰格马克,此君几乎活跃在理论物理所有的最前沿,而且经常抛头露面,活跃于各种科普科幻媒体,深为科幻迷所喜爱。他最得意的就是多宇宙理论,我们后面还要详述。
1998年,宇宙学家泰格马克在论文中提到了一个“真人版”的薛定谔的猫——量子自杀实验。如果有一位勇士愿意为科学献身,而跳入箱子换回那只猫,将毒药换成手枪,只要原子衰变,手枪就砰的一声送他上西天。
问题来了,根据多宇宙,在一个宇宙中,主角死掉了,而在另一个宇宙中他还活着。那么,从这个人的视角来看,死掉的那个宇宙对他已经没有意义了,他还会继续活在另一个宇宙。也就是说,这个人本不会死。这就是“量子自杀”思想实验。
量子自杀实验把人作为观察者上升到了一个新的高度,把自己关进了“薛定谔的猫”的箱子里,用生命做赌注,去验证多宇宙理论。这这个黑箱里,自己既是观察者,又是被观察者,这会产生什么样的结果呢?
本文是辟谣帖,绝不希望大家follow泰格马克的恐怖思想实验。
如果这个人觉得“量子自杀”挺有意思的,还想继续玩下去,虽然枪声“咔咔”猛响,在这个人的宇宙里,放出的都是空枪,他会一直死不掉。
让我们继续开大脑洞,继续体会量子世界的奇思妙想,就会发现其实并不需要那么复杂,主角完全可以换一种更为“常见”的自杀方式,比如用刀抹脖子,由于刀和脖子也由一团符合薛定谔方程的原子组成,它也有极小的几率发生隧道效应,互相穿越。这听起来好像天方夜谭,但是按照量子力学的基本原理,这确实有可能发生,只是几率很小而已。也就是说,存在太多的子宇宙,在99.99999……%的宇宙里,主角都自杀成功了,但他仍可能在某几个宇宙里苟且偷生。
好了,根据多宇宙理论,我们可以得到一个恐怖的推论:一个人永远不可能自杀成功,这叫做“量子永生”!
如果我们觉得光自杀太无聊了,可以设计一个更加“拜金”的实验,那就是每次自杀之前去买一次彩票,在买之前告诉自己如果不中奖就自杀,那按照这样的推论,几次之后,自己就应该成为亿万富翁了。
看看吧,有了多宇宙,生活太潇洒,只要敢玩命。
量子自杀实验已经是“玩命”了,因此只能停留在思想实验的层面上,科学家还是要找到一些可验证的客观实验。有科学家认为,虽然多宇宙一般认为是互相“平行”,但并非没有交集,可能会通过某种方式发生“弱耦合”,比如引力。这就给了物理学家们一些机会,可以设计一些实验,去搜索其他宇宙的线索。
1985年,艾弗雷特的另一个死忠粉多伊奇在《国际理论物理杂志》上发表论文,指出可能有一种方法,可以通过先进的技术手段测量一个平行世界对另一个平行世界的微弱影响,这篇论文更大的意义宣告了量子图灵机的诞生。
量子图灵机,又称通用量子计算机。多伊奇相当于提出了一个量子计算机的抽象模型,在这之后,直到现在,量子计算机就如同一盏科技圣杯,简直是一种未来的奇迹,等待着人们去实现。
多伊奇在一本书里这样写道:“当我们使用量子计算机时,我们将不得不将所有可能的平行宇宙加在一起。尽管我们不能直接与这些平行宇宙接触,量子计算机可以利用在平行宇宙中的旋转状态来计算它们。”
原来,按照多伊奇的说法,我们是在用平行宇宙的计算力来实现本宇宙的量子计算。
波钦斯基(J. Polchinski)1991年的一篇文章也支持这样一种观点,平行宇宙之间的交流在理论上是可行的。
在1997年普拉加(Rainer Plaga)在《物理学基础》发表论文,描述了一种可能的量子光学设备测试。文中提到建造一个离子阱,肼中存在一个孤立离子,对这个离子的量子测量将产生两个平行世界的,它们的区别仅仅在于是否能够探测到一个光子。由于80年代发现了“拉比振荡”,量子退相干的几率存在一定的周期性规律,两个世界之间的联系会存在一个时间窗口,也许是毫秒级,也许是纳秒级。不管怎样,只要人类的技术水平能够达到,就可以通过这样的实验验证多宇宙理论。
普拉加后来甚至表示,如果这种技术成熟,足以实现平行世界间的通信。可惜的是,普拉加的这篇论文一直到现在才仅仅被应用9次,显然无人问津。
2010年前后,斯蒂芬*菲尼(Stephen M. Feeney)等科学家分析了威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)的数据,声称发现了证据,表明我们的宇宙在遥远的过去与其他平行宇宙相撞。
然而,对WMAP和后来的普朗克卫星(分辨率是WMAP的3倍)的数据进行了更全面的分析后,并没有发现任何有统计学意义的证据,表明存在这样的泡沫宇宙碰撞。此外,到目前为止,没有任何证据表明其他宇宙对我们的宇宙有引力作用。
总之,即使是现在,主流科学界对多宇宙理论仍然持观望态度。
比如2007年,诺贝尔奖得主温伯格就建议:“如果(要证明)多宇宙存在,最好能找到一个合理解释夸克质量的精确值,或者其他标准模型的常数。”言下之意,多宇宙应该先在现有物理模型里立功,而不是光搞一些虚无缥缈的幻想。
温伯格算是比较温和的批评者了,另一些著名的科学家就没那么客气了。著名宇宙学家、《上帝与新物理学》作者保罗·戴维斯(Paul Davies)曾于2003年在《纽约时报》发表观点文章《多元宇宙简史》,认为多宇宙理论是不科学的:“极端的多宇宙解释让人想起神学讨论。的确,调用无穷无尽的看不见的宇宙来解释我们所看到的宇宙的不寻常特征,就像调用一个看不见的造物主一样。”
2011年8月,南非宇宙学家乔治·埃利斯(George Ellis)在《科学美国人》杂志上撰文《多元宇宙真的存在吗? ,指出多元宇宙并不是一个传统的科学理论。
埃利斯:“许多谈论多元宇宙的物理学家,尤其是弦论的拥护者,并不太在意平行宇宙本身。对他们来说,反对多元宇宙作为一个概念并不重要。他们的理论是建立在内部一致性的基础上的,人们希望最终能在实验室进行测试。”
埃利斯还指出,这(多宇宙)最终会让这些问题得不到解决,因为这是一个形而上学的问题,无法通过经验科学来解决。他认为观察性测试是科学的核心,不应该被抛弃。
“尽管我持怀疑态度,但我认为对多元宇宙的思考是一个绝佳的机会,可以反思科学的本质和存在的终极本质:我们为什么在这里……在看待这个概念时,我们需要一个开放的思想,尽管不是太开放。这是一条微妙的道路。平行宇宙可能存在,也可能不存在;这个案子还没有得到证实。我们将不得不忍受这种不确定性。以科学为基础的哲学思辨并没有错,这就是多元宇宙的提议。但是我们应该给它取个(准确的)名字。”
看了这么多大师的表态,你对多宇宙还有信心吗?
其实,从20世纪80年代以后,多宇宙在弦论等其他的新理论发展中起了很好的“启蒙”作用,让理论物理学家在思考的时候脑洞大开。在这些新理论中,又出现了许多不一样的多宇宙,下面我们就来看看这些更精彩的“多宇宙”!
如前所述,一些前沿科学给了忠于多宇宙理论的人更多的信心,也有人在多宇宙的道路上渐行渐远,最有代表的就是泰格马克。他总结了各种多宇宙理论,并把这些理论分成四个级别:
第一级:可观测宇宙的延伸
可观测宇宙直径为730亿光年,超出这个范围之外的宇宙,由于宇宙正在加速膨胀,我们已经看不到那里,可能永远也看不到。泰格马克认为存在着一个各态遍历的无限宇宙,每个角落里的物理定律都和我们这里一模一样,各种常数的大小也完全相同,但却存在着几乎无限多的子结构,每个子结构的物质分布都与我们所在的有所不同。这么多子结构一起,正是代表着整个宇宙的无限可能性。
按照泰格马克的估计,我们要航行10的10的115次方米(可不是10的1150次方哦,是1后面写10的115次方个零)后,才有可能到达其他的子结构。
第一级子宇宙(子结构)仍然相连。
第二级别:不同物理常数的宇宙
有科学家是如此解释宇宙的暴胀现象的,如同面包或者馒头的“发酵”,其中的气泡不断变大,这就是我们的宇宙正在加速膨胀。这样的宇宙也被称为“泡泡宇宙”,或者“口袋宇宙”。不同的“泡泡宇宙”在形成的时候可能会经历不同的自发对称性破缺,导致宇宙完全不同的性质,比如不同的物理常数。也就是说,在不同的“泡泡宇宙”里,物理定律可能完全不同。
相比于第一层级的宇宙,第二层“泡泡宇宙”相互之间并不相连,不然我们就吃不到面包啦~~
外星人玩弄多重宇宙 https://www.zhihu.com/video/1181613977749209088
第三级别:量子力学的多世界解释
泰格马克将艾弗雷特原始的多宇宙理论放在了这个层级,理由是::“一级和三级之间的唯一区别就是你的二重身份(另n个你)住在哪里。在第一级,他们生活在和我们同一个宇宙的其他地方,这个宇宙所有地方的三维结构性质一样,并且相互连通。而在第三级,它们生活在无限维希尔伯特空间的另一个量子分支上。”
第四级别:终极合奏
这是泰格马克自导自演的多宇宙终极演出!
泰格马克认为,宇宙中最基本的乃是数学的形式逻辑,一切、万事万物,甚至宇宙的终极规律(TOE,Theory of everything)都可以用数学来描述。原来,竟然存在某一些宇宙,那里的数学都和我们不一样,在那里,1+1不一定等于2,π也不一定等于3.14……,这样的宇宙会是一番什么样的形态?那里可以诞生生命吗?
这也难怪,一些科幻小说里面也借鉴了这一点,竟然可以改变宇宙的数学规律,对敌人进行数学打击!
无独有偶,科学家格林写了一本科普著作《隐藏的现实》,其中对各种各样的多宇宙理论进行总结,他竟然整理出9种多重宇宙!
一、衍缝宇宙
和泰格马克第一层类似,无限宇宙中存在各个子空间。
二、暴胀宇宙
和泰格马克第二层类似,宇宙暴胀导致某些部分如同气泡一样出现一些新的小宇宙。
三、膜宇宙
格林是弦论发展史上的核心人物之一,按照弦论的假设,我们的整个宇宙如同一张膜,这张膜漂浮在一个更高维度的空间里。在这个高维空间里,还有其他膜,对应于其他的宇宙。每隔几万亿年(可能更久),由于引力或其他我们不了解的力的作用,膜就会相互碰撞和撞击。当它们碰撞时,产生的能量足以引发大爆炸。
按照这个理论,我们今天看到的物质和辐射是在最近一次碰撞中产生的,驱动宇宙膨胀的暗能量就对应于膜之间的作用力。也许未来由于膜之间作用力的变化,暗能量也可能驱动宇宙收缩。
四、循环宇宙
提出宇宙常数的爱因斯坦早年曾是稳态宇宙的支持者,在哈勃发现宇宙膨胀以后,他在1930年提出一个宇宙振荡理论,认为宇宙遵循一系列永恒的振荡,每一次振荡都以大爆炸开始,不断膨胀,直到物质的万有引力使其反弹收缩并最终以大坍缩结束,之后开始下一次的大爆炸。
下一次的宇宙是我们这一次宇宙的情景再现吗?还是会产生一个各态遍历的其他形态的宇宙?
著名科幻作家宝树“狗尾续貂”的成名作《三体X》在结尾处就用到了这个循环宇宙理论,在宇宙“重启”之后,作者的乐观情绪让下一次宇宙比我们这一次更加美好,伟人没有启动红岸计划,也就没有人去宇宙广播;三体星人获得了一个美丽的世界,无需为生存问题而侵略太阳系;最终读者惊奇的发现,原来屌丝云天明就是《三体》的作者刘慈欣。那么问题来了,究竟孰为真孰为假?难道《三体》描述的是上一次宇宙吗?
五、景观宇宙
按照弦论,需要10个维度,之所以我们看不到多余的6个维度,是因为它们蜷缩起来了。这个“隐藏”起来的6维空间叫做丘成桐-卡拉比空间。原来,我们的宇宙竟然是这番景象,在最微小的地方,竟然存在着一个又一个卡丘6维空间。每当你一挥手,你的手不仅穿过了我们熟知的3维空间,还拂过了无数个蜷缩的卡丘6维空间。
还记得我们之前提过的“泡泡宇宙”吗?每个泡泡都有其独特的物理定律,然而格林告诉我们,我们应该认识到,这些泡泡都是十维的(也许应该说,和我们宇宙平级的泡泡)。我们这个十维泡泡还可能发生量子隧穿,形成一个宇宙学常数更小的宇宙,新宇宙得到了额外的维度,膨胀速度更慢,也就变成了泡泡里的泡泡。这被叫做景观宇宙,相当于把第二级宇宙又变出了多个层次,我们的宇宙也只属于其中一个层次而已。
六、量子宇宙
就是艾弗雷特的多宇宙理论。
七、全息宇宙
如今,全息摄影技术已经司空见惯,在二维的照片上,可以看出三维的立体效果。
谁能想到,我们可能就生活在一个二维的宇宙中呢?
你可能觉得这太震撼了,怎么可能呢?我们已经习惯了一个三维的世界,前后、左右、高低,一切都太熟悉了。现在你告诉我其实并没有那么多维度,你要我如何相信?
这个灵感来自对黑洞的研究,按照某些为了调和量子力学和广义相对论的新兴量子引力论,比如弦论和M理论,所有落入黑洞的物体的信息被完全包含在视界的表面波动中。也就是说,三维的物体和视界二维球面(也许是其他形状)上的信息可以一一对应,也就可以相互转换。在数学上,记录和投影可以说是等效的,这完全可行。
那么问题来了,三维和二维,究竟哪个是真实的?
八、模拟宇宙
我们的宇宙其实处于一个计算机模拟的系统里,很多科幻影片里提到了这一点,比如《黑客帝国》,除此以外,“缸中之脑”这种point也可以算作这种宇宙。
九、数学宇宙
和泰格马克的第四级宇宙类似。
这里小结一下,
1, 多宇宙理论源于对量子佯谬——“薛定谔的猫”的解释,是众多对量子力学本源问题的解释之一。
2, 多宇宙理论在得到明显的观测证据之前,只能称得上是一个科学猜想,并不是一个经得起考验的科学结论。
3, 多宇宙理论在最新的物理学理论发展中发挥了重要作用,因此是最受关注的科学猜想之一,我们期待着它能够启发更多物理学家(不管是作为经验还是教训),推动科学界最前沿的发展。也许,宇宙的本源比我们的想象更加精彩!
彩蛋:
看完权威们的故事,我们再看看非专业人士的想法,我们惊喜的发现,多宇宙理论在民间的接受度更高。
1995年,在一项对72名“主要宇宙学家和其他量子场理论家”进行的民意调查中,竟然有58%的人认同多宇宙理论是对的。
多宇宙理论的死忠粉泰格马克也提过,在1997年的一次量子力学研讨会上,曾经进行过一项“非常不科学”的民意调查,多宇宙理论排名第二,仅仅落后于哥本哈根解释。
在1998年的剑桥大学量子计算会议上,有大约200人观众接受了调查,多宇宙理论几乎和哥本哈根解释相当,仅差几票,屈居第二。
多宇宙理论也曾遭受过冷遇,2005年,滑铁卢量子计算大学研究所在一堂量子力学课程结束后,对不到40名学生和研究人员进行了一项调查,结果发现多宇宙理论是最不受欢迎的。
2011年在奥地利的一次会议上,33名参与者参与了一项民意调查,其中6人支持多宇宙理论, 14人支持哥本哈根解释。
从多次投票结果来看,哥本哈根解释仍稳固的统治着量子帝国,多宇宙理论却一直试图撼动它的地位,也是最最有望的!
然而,又有谁相信,科学是由投票来决定的呢?
毛文龙可以嚣张跋扈,屡战屡败,瞎几把吹,只要他在敌后能牵制后金,
袁崇焕可以不要监军巡抚节制,可以辽事一言而决,一年领几百万军饷钱粮,只要他能控制那帮狗日的辽西军阀,不让后金破山海关是明庭的底线。
辽事败坏的大锅在于辽西军阀卖国卖友军,几十万明军死在辽东,只有关宁军转进如风。
袁崇焕可以杀毛文龙,只要他能控制东江军配合他在辽西的筑城,在他指挥下东江军能发挥更强的战斗力。
但是毛文龙死后东江军内斗崩溃,旅顺被攻破,三顺王投清送上重炮水师。
督师平辽平到京城了,烧的不是你家房子,死的不是你家亲戚,