平行宇宙是物理學(xué)中的重要概念，也是科幻作品中常見(jiàn)的素材。在《終結(jié)者》系列、《鬼武者3》、《哈利·波特》等作品中，都有平行宇宙的影子。那么關(guān)于平行宇宙，你了解多少呢？在新春佳節(jié)之際，小編為大家獻(xiàn)上一份科普大餐——漫談平行宇宙。
我們可以將目前涉及到平行宇宙的理論分為四類(lèi)：
1、宇宙泡；
2、可觀測(cè)宇宙有限而導(dǎo)致的視界平行宇宙；
3、胚理論（膜理論）；
4、量子力學(xué)平行宇宙詮釋?zhuān)ǘ嗍澜缋碚摚?/p>
這其中，第四種是我們最經(jīng)常提及的。接下來(lái)我們將逐一了解一下每一種平行宇宙理論。
我們先說(shuō)第一種，即蟲(chóng)洞和宇宙泡，又稱(chēng)口袋宇宙。根據(jù)現(xiàn)代量子宇宙學(xué)，早期宇宙誕生于高溫之中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，量子漲落很劇烈，復(fù)雜的時(shí)空泡沫好比一鍋沸騰的湯，每個(gè)時(shí)空泡沫獨(dú)立地膨脹，溫度逐漸降低，趨于平穩(wěn)，就形成了一個(gè)個(gè)平行宇宙，而聯(lián)系其中的隧道正是蟲(chóng)洞。我們的宇宙非常有可能是其中某個(gè)普通的時(shí)空泡。當(dāng)然蟲(chóng)洞的兩端也有可能是同一個(gè)時(shí)空泡的不同位置，因此蟲(chóng)洞有些像隧道，而有些則像把手一樣。那么，我們有沒(méi)有可能通過(guò)蟲(chóng)洞前往其他宇宙進(jìn)行旅行呢？很遺憾，至今我們尚未發(fā)現(xiàn)任何蟲(chóng)洞，也無(wú)法找到撐開(kāi)蟲(chóng)洞的反常物質(zhì)。關(guān)于蟲(chóng)洞的研究，我們還有很長(zhǎng)的路要走。
接下來(lái)我們說(shuō)說(shuō)視界與平行宇宙。我們所熟知的視界一般指的是黑洞的視界。今天我們不詳細(xì)討論黑洞的視界，而談?wù)摽捎^測(cè)宇宙與視界問(wèn)題。
為了解釋這個(gè)問(wèn)題，我們要引入可觀測(cè)宇宙這一概念。眾所周知，在英語(yǔ)中，universe一詞是宇宙的意思，而如果u大寫(xiě)，變成Universe，則代表可觀測(cè)宇宙。顧名思義，可觀測(cè)宇宙就是人類(lèi)理論上所能夠觀測(cè)到的宇宙。也就是說(shuō)，不考慮技術(shù)等外在原因，根據(jù)宇宙學(xué)原理，宇宙是各向同性的，因此人類(lèi)所能夠接收到的最遠(yuǎn)的光信號(hào)或者其他信號(hào)的距離，就是可觀測(cè)宇宙的半徑。
由于我們的宇宙在不斷地膨脹，因此若想估算可觀測(cè)宇宙的半徑，首先要知道宇宙的年齡。宇宙年齡的估計(jì)與宇宙中各天體的年齡測(cè)定密切相關(guān)，因此宇宙的年齡可以通過(guò)多種方式來(lái)測(cè)量，例如：利用宇宙的膨脹速率來(lái)估計(jì)；測(cè)定球狀星團(tuán)中最古老的恒星的年齡；測(cè)量放射性元素的年齡；利用白矮星的冷卻估算，通過(guò)計(jì)算星系團(tuán)中熱氣體的冷卻時(shí)間等。但是，這些測(cè)量中有很多未知的系統(tǒng)誤差，從而造成了測(cè)量結(jié)果的不確定性。因此，尋找一個(gè)更加可靠的測(cè)量方法是一個(gè)有待解決的重要問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)理論，結(jié)合暗能量的觀測(cè)值，目前認(rèn)為宇宙的年齡大概在137億年左右。
那么，如果宇宙是穩(wěn)定不變的，不膨脹也不收縮且足夠平坦，我們能夠觀測(cè)到的宇宙的范圍就是個(gè)半徑為137億光年的球體。但是，正是因?yàn)槲覀兊挠钪嬖诓粩嗯蛎洠虼?，為了?jì)算簡(jiǎn)便，假定宇宙以光速膨脹，此時(shí)假設(shè)有一顆恒星距離地球137億光年，并且認(rèn)為在137億光年之后它發(fā)出的光芒到達(dá)地球。但是，在光傳播的過(guò)程中，宇宙是在膨脹的，因此在137億年之后，它早已遠(yuǎn)離了原來(lái)的位置，我們的地球亦然。那么，我們很容易估計(jì)出可觀測(cè)宇宙的大小了。
那么如何研究不可觀測(cè)宇宙呢？或者說(shuō)，研究不可觀測(cè)的東西有意義嗎？答案是肯定的。標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的最大問(wèn)題在于，宇宙視界的存在意味著因果性有最大的時(shí)空限度，但是如果早期宇宙中許多區(qū)域無(wú)法以因果性相聯(lián)系，那么今天的均勻且各向同性的宇宙是怎樣形成的呢？這被稱(chēng)作標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的視界疑難，該疑難啟發(fā)了物理學(xué)家們對(duì)其進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)。這其中最廣為接受的就是暴漲理論。
暴漲理論指的是極早期宇宙在非常短時(shí)間內(nèi)宇宙劇烈的膨脹，在宇宙的大統(tǒng)一對(duì)稱(chēng)性SU（5）破缺時(shí)候就開(kāi)始（大約是宇宙開(kāi)端的10^-35秒），能夠解決標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的包括視界困難在內(nèi)的幾個(gè)難題，并且已經(jīng)從宇宙微波背景輻射的各向異性的精細(xì)測(cè)量得到驗(yàn)證。
話說(shuō)回來(lái)，在宇宙視界外，由于宇宙膨脹，信息尚未來(lái)得及到達(dá)我們的地球就已經(jīng)離我們遠(yuǎn)去了。那么，可以認(rèn)為，視界之外的宇宙對(duì)我們是沒(méi)有因果影響的。這樣，如果宇宙是無(wú)限大的，理論上就會(huì)出現(xiàn)無(wú)數(shù)個(gè)平行宇宙，這樣，就可能存在著一些相同的“人”在不同宇宙中過(guò)著完全互不影響的不同的人生。
接下來(lái)我們討論一下胚理論（膜理論）中的平行宇宙。這個(gè)理論認(rèn)為，不同胚上的世界相互獨(dú)立存在，彼此直接不連通，但是可以通過(guò)某種方式感知到彼此的存在。這里我們?cè)俸?jiǎn)單介紹一下為什么胚理論是比膜理論更好的翻譯。在英文中，這個(gè)單詞為Brane，是從薄膜一詞Membrane演化而來(lái)。如果用膜的翻譯，就會(huì)出現(xiàn)“膜是二維的膜”等類(lèi)似的中文笑話。
對(duì)應(yīng)于暴漲理論，我們?cè)俳榻B一下與胚理論有關(guān)的火鳳凰宇宙。這是一種比較優(yōu)美的翻譯方法，其他的翻譯方法還有火劫宇宙或者火宇宙等等。這個(gè)宇宙模型是和暴漲理論相競(jìng)爭(zhēng)的，也就是說(shuō)，假設(shè)存在兩個(gè)三維的胚世界（膜世界），它們?cè)陬~外維上靠近再反彈，其中反彈之前的幾十億年的緩慢收縮和暴漲能得到一樣的效果，這樣就避免了大爆炸。這個(gè)理論的誕生頗具傳奇色彩，理論的創(chuàng)始人斯特恩哈特先生曾經(jīng)是為暴漲宇宙立下汗馬功勞的人物，因此這個(gè)名字也標(biāo)志他與過(guò)去的正式告別，也標(biāo)志了物理學(xué)界新的一次大規(guī)模論戰(zhàn)——宇宙起源戰(zhàn)爭(zhēng)正式打響。
在講第四種平行宇宙之前，我們首先了解下量子力學(xué)中的觀測(cè)。用量子力學(xué)創(chuàng)始人海森堡的話說(shuō)，量子力學(xué)中的觀測(cè)者就是觀鳥(niǎo)者，為什么呢？離得遠(yuǎn)，看不清細(xì)節(jié)，只能看宏觀現(xiàn)象；離得近，鳥(niǎo)嚇跑了。
而如果用狄拉克的話說(shuō)就是極限干擾假設(shè)，也就是說(shuō)，如果我們的觀測(cè)行為對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有影響，那么就可以用經(jīng)典物理來(lái)討論。但是如果我們的觀測(cè)行為會(huì)對(duì)系統(tǒng)有影響，那么就必須用量子力學(xué)了。
但這并不是說(shuō)量子力學(xué)就只能處理微觀問(wèn)題，因?yàn)榱孔恿W(xué)有許多宏觀效應(yīng)，最典型的就是中子星的簡(jiǎn)并壓，還有卡西米爾效應(yīng)等。另外前幾年還有科學(xué)家大開(kāi)腦洞，用換了個(gè)普朗克常數(shù)的薛定諤方程來(lái)求行星軌道分布，不過(guò)后來(lái)大家覺(jué)得這個(gè)理論太生硬了，因此這個(gè)研究就被拋棄了。
那么，話說(shuō)回來(lái)，如何詮釋量子力學(xué)？量子力學(xué)的本質(zhì)是什么？科學(xué)界的主流是哥本哈根學(xué)派的波函數(shù)坍縮理論，幾乎所有教科書(shū)采用都的是這種詮釋。愛(ài)因斯坦一直反對(duì)的，也是這種詮釋?zhuān)欠磳?duì)量子力學(xué)本身。另外還有穆雷·蓋爾曼、詹姆斯·哈特、羅伯特·格里菲斯提出的退相干理論以及本文要談?wù)摰?，由美?guó)科學(xué)家休·埃弗雷特提出的多世界理論。
以我們熟悉的電子雙縫干涉現(xiàn)象為例，一言以蔽之，你的觀測(cè)行為會(huì)把你分配到某個(gè)平行宇宙中。
還是得從觀測(cè)說(shuō)起。什么是觀測(cè)？什么又是觀測(cè)者呢？如果把實(shí)驗(yàn)儀器打開(kāi)，并且放置一個(gè)攝像機(jī)，但是不去看攝像機(jī)的屏幕，這樣算不算觀測(cè)？量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)奠基人之一馮諾依曼認(rèn)為，這只不過(guò)是不確定性的轉(zhuǎn)移，也就是說(shuō)，用于測(cè)量目標(biāo)的儀器，其本身也擁有自己的波函數(shù)，這樣只不過(guò)是把儀器也卷入這個(gè)模糊的疊加態(tài)之中，你在看攝像機(jī)的屏幕之前，一切還都是老樣子。
那么這似乎太過(guò)于強(qiáng)調(diào)人的意識(shí)的重要性了，如果是一只小狗看了一眼呢？或者說(shuō)，一個(gè)對(duì)實(shí)驗(yàn)毫不知情的人看了一眼呢？再或者，只是目光掠過(guò)而并沒(méi)有看清楚呢
因此，關(guān)于到底什么是意識(shí)，著名思想實(shí)驗(yàn)薛定諤的貓有個(gè)進(jìn)化版，就是薛定諤的好朋友。這是諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主魏格納提出的，此公在量子力學(xué)的對(duì)稱(chēng)性與守恒律方面做出過(guò)杰出的貢獻(xiàn)并因此榮膺諾獎(jiǎng)。他設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是，假如把薛定諤和貓一起放進(jìn)盒子里，當(dāng)然薛定諤要做好保護(hù)措施，但是貓就不管了。過(guò)一會(huì)，打開(kāi)箱子看看。假如按照哥本哈根的說(shuō)法，那么此時(shí)波函數(shù)會(huì)坍縮，即坍縮到“死貓和生無(wú)可戀的薛定諤”態(tài)，或者“活貓和喜極而泣的薛定諤”態(tài)。那么，在沒(méi)打開(kāi)之前呢？難道是處于疊加態(tài)？顯然不是，因?yàn)檫@時(shí)候薛定諤在里面啊，他明白貓到底死沒(méi)死，所以只能說(shuō)某個(gè)確定態(tài)。
所以問(wèn)題就來(lái)了，難道說(shuō)，意識(shí)可以作用于外部世界嗎！這聽(tīng)上去似乎很難以令人接受，畢竟意識(shí)并不是某個(gè)實(shí)在的物質(zhì)，但卻又依賴于物質(zhì)基礎(chǔ)存在。這方面還有一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)叫惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)，限于篇幅，在這里不再贅述。
那么，如果拋棄意識(shí)，按照多世界理論的解釋?zhuān)愕挠^測(cè)行為會(huì)讓你進(jìn)入某個(gè)平行世界中去。這里我們用一個(gè)很血腥的實(shí)驗(yàn)，叫量子自殺和量子永生來(lái)解釋。假如你有一把左輪手槍?zhuān)沁@把槍是量子的，每次你都有六分之一的概率自殺成功，每次的自殺事件都是獨(dú)立的。那么，每次你試圖自殺，都會(huì)讓你進(jìn)入或死或活的平行宇宙中，在這個(gè)復(fù)雜的世界網(wǎng)絡(luò)中，總有一個(gè)平行宇宙中的你是活著的。而從人擇原理的角度說(shuō)，只有你還活著的那個(gè)宇宙里，你才能具有意識(shí)，才能來(lái)解釋這個(gè)實(shí)驗(yàn)。那么你真的會(huì)量子永生嗎？反正小編是不敢做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。
不過(guò)，平行宇宙對(duì)量子力學(xué)的詮釋?zhuān)且淮魏?jiǎn)單易懂卻代價(jià)巨大的嘗試，但是這一理論反倒成了科幻作品或者青春作品常用題材。而提出理論的埃弗雷特本人，卻并沒(méi)有被當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)界所重視。包括玻爾在內(nèi)的科學(xué)家們對(duì)他的理論十分不滿，導(dǎo)致他在博士畢業(yè)后不得不退出學(xué)術(shù)界。在1982年，由于長(zhǎng)期酗酒而心力交瘁的埃弗雷特不幸離世。而他的女兒也在14年后難以承受精神分裂癥而自殺。據(jù)說(shuō)，他的女兒留給我們這個(gè)世界的最后一句話就是，她在平行世界里和父親團(tuán)聚了。或許在某個(gè)平行世界中，埃弗雷特和家人度過(guò)了幸福寧?kù)o的一生，但是在我們的世界里，他的故事卻成了學(xué)術(shù)界永恒的悲劇。
那么，到底是上帝并不擲骰子，還是把骰子扔到了我們看不到的地方，這些問(wèn)題還有待學(xué)術(shù)界的進(jìn)一步的討論。
另外，在微分幾何的觀點(diǎn)下，彭羅斯圖的左側(cè)暗示著一個(gè)和我們沒(méi)有信息交流的平行宇宙，在文章的最后將史瓦西時(shí)空和萊斯納-諾斯特隆時(shí)空的彭羅斯圖作為彩蛋獻(xiàn)給大家。
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作者：王紀(jì)堯
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