漫谈平行宇宙

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平行宇宙是物理学中的重要概念，也是科幻作品中常见的素材。在《终结者》系列、《鬼武者3》、《哈利·波特》等作品中，都有平行宇宙的影子。那么关于平行宇宙，你了解多少呢？在新春佳节之际，小编为大家献上一份科普大餐——漫谈平行宇宙。

我们可以将目前涉及到平行宇宙的理论分为四类：

1、宇宙泡；

2、可观测宇宙有限而导致的视界平行宇宙；

3、胚理论（膜理论）；

4、量子力学平行宇宙诠释（多世界理论）。

这其中，第四种是我们最经常提及的。接下来我们将逐一了解一下每一种平行宇宙理论。



我们先说第一种，即虫洞和宇宙泡，又称口袋宇宙。根据现代量子宇宙学，早期宇宙诞生于高温之中，拓扑结构非常复杂，量子涨落很剧烈，复杂的时空泡沫好比一锅沸腾的汤，每个时空泡沫独立地膨胀，温度逐渐降低，趋于平稳，就形成了一个个平行宇宙，而联系其中的隧道正是虫洞。我们的宇宙非常有可能是其中某个普通的时空泡。当然虫洞的两端也有可能是同一个时空泡的不同位置，因此虫洞有些像隧道，而有些则像把手一样。那么，我们有没有可能通过虫洞前往其他宇宙进行旅行呢？很遗憾，至今我们尚未发现任何虫洞，也无法找到撑开虫洞的反常物质。关于虫洞的研究，我们还有很长的路要走。



接下来我们说说视界与平行宇宙。我们所熟知的视界一般指的是黑洞的视界。今天我们不详细讨论黑洞的视界，而谈论可观测宇宙与视界问题。

为了解释这个问题，我们要引入可观测宇宙这一概念。众所周知，在英语中，universe一词是宇宙的意思，而如果u大写，变成Universe，则代表可观测宇宙。顾名思义，可观测宇宙就是人类理论上所能够观测到的宇宙。也就是说，不考虑技术等外在原因，根据宇宙学原理，宇宙是各向同性的，因此人类所能够接收到的最远的光信号或者其他信号的距离，就是可观测宇宙的半径。

由于我们的宇宙在不断地膨胀，因此若想估算可观测宇宙的半径，首先要知道宇宙的年龄。宇宙年龄的估计与宇宙中各天体的年龄测定密切相关，因此宇宙的年龄可以通过多种方式来测量，例如：利用宇宙的膨胀速率来估计；测定球状星团中最古老的恒星的年龄；测量放射性元素的年龄；利用白矮星的冷却估算，通过计算星系团中热气体的冷却时间等。但是，这些测量中有很多未知的系统误差，从而造成了测量结果的不确定性。因此，寻找一个更加可靠的测量方法是一个有待解决的重要问题。根据现代宇宙学理论，结合暗能量的观测值，目前认为宇宙的年龄大概在137亿年左右。

那么，如果宇宙是稳定不变的，不膨胀也不收缩且足够平坦，我们能够观测到的宇宙的范围就是个半径为137亿光年的球体。但是，正是因为我们的宇宙在不断膨胀，因此，为了计算简便，假定宇宙以光速膨胀，此时假设有一颗恒星距离地球137亿光年，并且认为在137亿光年之后它发出的光芒到达地球。但是，在光传播的过程中，宇宙是在膨胀的，因此在137亿年之后，它早已远离了原来的位置，我们的地球亦然。那么，我们很容易估计出可观测宇宙的大小了。



那么如何研究不可观测宇宙呢？或者说，研究不可观测的东西有意义吗？答案是肯定的。标准宇宙模型的最大问题在于，宇宙视界的存在意味着因果性有最大的时空限度，但是如果早期宇宙中许多区域无法以因果性相联系，那么今天的均匀且各向同性的宇宙是怎样形成的呢？这被称作标准宇宙模型的视界疑难，该疑难启发了物理学家们对其进行微创手术。这其中最广为接受的就是暴涨理论。



暴涨理论指的是极早期宇宙在非常短时间内宇宙剧烈的膨胀，在宇宙的大统一对称性SU（5）破缺时候就开始（大约是宇宙开端的10^-35秒），能够解决标准宇宙模型的包括视界困难在内的几个难题，并且已经从宇宙微波背景辐射的各向异性的精细测量得到验证。

话说回来，在宇宙视界外，由于宇宙膨胀，信息尚未来得及到达我们的地球就已经离我们远去了。那么，可以认为，视界之外的宇宙对我们是没有因果影响的。这样，如果宇宙是无限大的，理论上就会出现无数个平行宇宙，这样，就可能存在着一些相同的“人”在不同宇宙中过着完全互不影响的不同的人生。



接下来我们讨论一下胚理论（膜理论）中的平行宇宙。这个理论认为，不同胚上的世界相互独立存在，彼此直接不连通，但是可以通过某种方式感知到彼此的存在。这里我们再简单介绍一下为什么胚理论是比膜理论更好的翻译。在英文中，这个单词为Brane，是从薄膜一词Membrane演化而来。如果用膜的翻译，就会出现“膜是二维的膜”等类似的中文笑话。

对应于暴涨理论，我们再介绍一下与胚理论有关的火凤凰宇宙。这是一种比较优美的翻译方法，其他的翻译方法还有火劫宇宙或者火宇宙等等。这个宇宙模型是和暴涨理论相竞争的，也就是说，假设存在两个三维的胚世界（膜世界），它们在额外维上靠近再反弹，其中反弹之前的几十亿年的缓慢收缩和暴涨能得到一样的效果，这样就避免了大爆炸。这个理论的诞生颇具传奇色彩，理论的创始人斯特恩哈特先生曾经是为暴涨宇宙立下汗马功劳的人物，因此这个名字也标志他与过去的正式告别，也标志了物理学界新的一次大规模论战——宇宙起源战争正式打响。



在讲第四种平行宇宙之前，我们首先了解下量子力学中的观测。用量子力学创始人海森堡的话说，量子力学中的观测者就是观鸟者，为什么呢？离得远，看不清细节，只能看宏观现象；离得近，鸟吓跑了。

而如果用狄拉克的话说就是极限干扰假设，也就是说，如果我们的观测行为对系统没有影响，那么就可以用经典物理来讨论。但是如果我们的观测行为会对系统有影响，那么就必须用量子力学了。

但这并不是说量子力学就只能处理微观问题，因为量子力学有许多宏观效应，最典型的就是中子星的简并压，还有卡西米尔效应等。另外前几年还有科学家大开脑洞，用换了个普朗克常数的薛定谔方程来求行星轨道分布，不过后来大家觉得这个理论太生硬了，因此这个研究就被抛弃了。

那么，话说回来，如何诠释量子力学？量子力学的本质是什么？科学界的主流是哥本哈根学派的波函数坍缩理论，几乎所有教科书采用都的是这种诠释。爱因斯坦一直反对的，也是这种诠释，而非反对量子力学本身。另外还有穆雷·盖尔曼、詹姆斯·哈特、罗伯特·格里菲斯提出的退相干理论以及本文要谈论的，由美国科学家休·埃弗雷特提出的多世界理论。



以我们熟悉的电子双缝干涉现象为例，一言以蔽之，你的观测行为会把你分配到某个平行宇宙中。

还是得从观测说起。什么是观测？什么又是观测者呢？如果把实验仪器打开，并且放置一个摄像机，但是不去看摄像机的屏幕，这样算不算观测？量子力学的数学基础奠基人之一冯诺依曼认为，这只不过是不确定性的转移，也就是说，用于测量目标的仪器，其本身也拥有自己的波函数，这样只不过是把仪器也卷入这个模糊的叠加态之中，你在看摄像机的屏幕之前，一切还都是老样子。

那么这似乎太过于强调人的意识的重要性了，如果是一只小狗看了一眼呢？或者说，一个对实验毫不知情的人看了一眼呢？再或者，只是目光掠过而并没有看清楚呢

因此，关于到底什么是意识，著名思想实验薛定谔的猫有个进化版，就是薛定谔的好朋友。这是诺贝尔化学奖得主魏格纳提出的，此公在量子力学的对称性与守恒律方面做出过杰出的贡献并因此荣膺诺奖。他设计的实验是，假如把薛定谔和猫一起放进盒子里，当然薛定谔要做好保护措施，但是猫就不管了。过一会，打开箱子看看。假如按照哥本哈根的说法，那么此时波函数会坍缩，即坍缩到“死猫和生无可恋的薛定谔”态，或者“活猫和喜极而泣的薛定谔”态。那么，在没打开之前呢？难道是处于叠加态？显然不是，因为这时候薛定谔在里面啊，他明白猫到底死没死，所以只能说某个确定态。

所以问题就来了，难道说，意识可以作用于外部世界吗！这听上去似乎很难以令人接受，毕竟意识并不是某个实在的物质，但却又依赖于物质基础存在。这方面还有一个著名的实验叫惠勒延迟选择实验，限于篇幅，在这里不再赘述。



那么，如果抛弃意识，按照多世界理论的解释，你的观测行为会让你进入某个平行世界中去。这里我们用一个很血腥的实验，叫量子自杀和量子永生来解释。假如你有一把左轮手枪，但是这把枪是量子的，每次你都有六分之一的概率自杀成功，每次的自杀事件都是独立的。那么，每次你试图自杀，都会让你进入或死或活的平行宇宙中，在这个复杂的世界网络中，总有一个平行宇宙中的你是活着的。而从人择原理的角度说，只有你还活着的那个宇宙里，你才能具有意识，才能来解释这个实验。那么你真的会量子永生吗？反正小编是不敢做这个实验。



不过，平行宇宙对量子力学的诠释，是一次简单易懂却代价巨大的尝试，但是这一理论反倒成了科幻作品或者青春作品常用题材。而提出理论的埃弗雷特本人，却并没有被当时的学术界所重视。包括玻尔在内的科学家们对他的理论十分不满，导致他在博士毕业后不得不退出学术界。在1982年，由于长期酗酒而心力交瘁的埃弗雷特不幸离世。而他的女儿也在14年后难以承受精神分裂症而自杀。据说，他的女儿留给我们这个世界的最后一句话就是，她在平行世界里和父亲团聚了。或许在某个平行世界中，埃弗雷特和家人度过了幸福宁静的一生，但是在我们的世界里，他的故事却成了学术界永恒的悲剧。



那么，到底是上帝并不掷骰子，还是把骰子扔到了我们看不到的地方，这些问题还有待学术界的进一步的讨论。



另外，在微分几何的观点下，彭罗斯图的左侧暗示着一个和我们没有信息交流的平行宇宙，在文章的最后将史瓦西时空和莱斯纳-诺斯特隆时空的彭罗斯图作为彩蛋献给大家。

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作者：王纪尧

配图：叶君耀

校对：李鑫 安东升

责任编辑：解仁江

牧夫新媒体编辑部

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