怎么证明多重宇宙存在，如果它不能靠实验和观测来验证？

宇宙 · 2017-2-15 10:02:13

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来源：环球科学ScientificAmerican 微信公众号　　“你是怎样看待多重宇宙的呢？”吃饭前，在餐桌上，忽然有人问了我这个问题。它的出现使我措手不及——之前也有人问过我关于多重宇宙的问题，但解释一个理论的原委与说明你对这一理论的看法是完全不同的两件事。我可以说出所有有关多重宇宙的基本观点，并且列出一些可以用多重宇宙理论来解释的问题，也就是说，我可以自如地讲述事实、解释理论，但是我却在抒发个人感受方面遇到了困难。　　在物理学领域中，我们通常不应该谈论自己的主观感受。我们是科学家，我们要严谨，采用定量分析方法，以观察或实验为依据来分析判断。但是，即便是最严谨的分析，也需要先决定要追寻的方向之后才开始。在一个领域诞生伊始，会出现诸多可思考的观点，这些观点各有各的长处，不过通常来说，我们只能追寻一个。这种选择是怎么做出的呢？这就是所谓的“直觉”——是由一种超越逻辑的感性因素所引导的。你为自己选择了某一观点作为立场，而正如斯坦福大学的物理学家、弦理论创始人之一莱昂纳尔·萨斯坎德（Leonard Susskind）所言：“这一选择超乎科学事实与哲学原理，它体现的是科学品位，或者说科学鉴赏力。科学品位同其他方面的品位一样，都涉及到人们对美的感知能力。”　　我自己是研究弦理论的，弦理论的一大标志便是认为广袤的宇宙空间中存在着许多极为相似的宇宙，而不是只有我们所存在的这一个宇宙。既然我们的这个宇宙可以诞生并演化出生命，同样的过程也可能创造出其他的宇宙，甚至生命，甚至会出现无穷多的宇宙，在那些宇宙中，一切都可能发生。这个观点的逻辑出发点是我所熟知的领域，我可以通过在纸上推演方程得到这个特殊的结论，但是，尽管我承认在数学上多重宇宙理论是一个自然的结论，我无法想象它怎么走出理论的象牙塔，成为物理现实中真实的存在。在这样的情况下，我怎么能够接受“世界上有无数个我，分别存在于不同的平行宇宙中，作出相同或是不同的选择”这样的事实呢？　　对于多重宇宙理论怀有矛盾心理的并不止我一个人。一些当代最杰出的科学家仍旧在多重宇宙的问题上争论不休，他们的观点呈现明显的出两极化分布。毕竟，对于多重宇宙的争论不是关于某一理论细节的分歧，这是一场关乎一系列重大哲学观念的辩论：关于同一性及其影响，关于什么叫做“解释”与“证明”，关于我们到底应该如何定义科学，以及争论这些问题到底有没有意义。

浩瀚无垠的星系：像图中草帽星系这样的星系，填补了我们可以看到的最远处的空间，也许比我们想象的还要远。图片来源：NASA/ESA and The Hubble Heritage Team （STScI/AURA）　　无论何时，当我谈及多重宇宙理论时，都会涉及一个不可避免的问题：我们到底是生活在一个宇宙中呢，还是生活在多重宇宙中呢？关于这个问题，其实我已经知道了确切的答案：为分辨我们是生活在单一宇宙中还是多重宇宙中，所需的测量尺度已经大得远远超出我们的想象，也就是说，不论我们生活在哪种宇宙中，我们的生活都会如常进行。但既然这样，宇宙的多重与否和我们又有何关系呢？　　有关系，有重大关系。这个问题的重要性在于，我们位于何处会影响到我们对自身的定义。所处位置的不同会产生不同的反应，导致不同的可能性，即便是相同的对象也会因其所处背景的不同而看起来截然不同。在很多的情况下，甚至很多我们自己都没意识到的情况下，我们是由我们所居住的空间塑造的。宇宙是浩瀚无垠的。它囊括了我们所处的每个场景，每个环境，它代表着我们能达到的所有可能性的总和。　　众所周知，测量结果仅仅在特定的参考系中有效。如果一个数字没有单位，它就无法被赋予具体含义，而即便是像“很远”、“很小”、“很奇特”这样模糊的表述也需要设置参考系：“很远”需要引入一个原点；“很小”应参照一定的数值范围，“很奇怪”需要有对上下文含义的暗示。这些假设的“参考系”不像单位那样被严格指定，但我们对事物（如物体，现象，实验）的描述都是凭借着这些不可见的参考轴进行校准的。　　如果我们发现我们所了解的一切，我们所能知道的一切，都只不过是多重宇宙中的一个部分，而这一切的基础建立于我们的坐标系之上的话，即便观察结果没有改变，其实质也会发生改变。换言之，哪怕其他宇宙的存在可能不会影响到我们在仪器上测得的数据，它们也可能从根本上影响着我们解释理论的方式。　　在多重宇宙理论中，第一个难点便是多重宇宙的广袤程度。它比人类以前处理过的任何事物都要大得多——这一点从它的名字“多重”宇宙中就可以看出来。如果说多重宇宙给人带来的强烈震撼源自于它让人类更加感受到自己的渺小，这是可以理解的。不过，与多重宇宙的其他诸多惊人性质中，“大”已经算是最稀松平常的了。　　欧洲核子中心（CERN）理论物理小组的带头人吉安·朱迪切（Gian Giudice）的观点可以代表大多数物理学家：“只要仰望天空，我们就会认识到自身的渺小性。即便多重宇宙是真的，我与浩瀚宇宙在度量上的差距也不会有任何改变。”事实上，宇宙的庞大和个人的渺小甚至让许多人得到了慰藉，而非烦恼，因为一把自己放到广袤的宇宙中，我们所有人的烦恼，日常生活的所有事件，都几乎不复存在。正如物理学家劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss）所说：“我们在地球上发生上的一切都与宇宙不相关联。而我对此觉得很欣慰。”　　从哈勃空间望远镜发回的令人惊叹的照片，使得奥克塔维奥·帕斯（Octavio Paz）创作出诗篇《广袤的夜空》（The Enormous Night），使得蒙蒂·派森（Monty Python）在《银河之歌》（Galaxy Song）中唱到“当生活让你感到万分沮丧”，这些有着罗曼蒂克风格的作品都与我们意识到自身的渺小性相关联。可以说，在历史中的某个时刻，我们已经认识到了自身的渺小性。　　如果不是因为我们害怕多重宇宙的广袤，那我们抗拒多重宇宙的观点，是不是因为它囊括了诸多我们看不见，甚至永远也看不见的世界呢？这也确实是我从同事那儿最常听到的抱怨。强烈反对多重宇宙论的物理学家乔治·埃利斯（George Ellis）和强烈倡导多重宇宙论的英国宇宙学家伯纳德·卡尔（Bernard Carr）在一系列引人入胜的讨论中就探讨了这一问题。其中，卡尔认为，他们最根本的论点分歧在于“什么样的科学特征才能被视为是神圣不可侵犯的”这一问题上。　　就科学的传统而言，实验是检验真理的唯一标准。如果实在不能做实验，比较观测是一个可以接受的替代手段：天文学家不能操纵星系，却可以在数百万光年外以不同的方式和步骤来观测它们。然而，这两种方法都不适合多重宇宙理论。那么，是否可以由此得出多重宇宙理论是位于科学领域之外的结论呢？　　弦理论的创始人之一萨斯坎德为此给予一种令人信服的解释。他认为，除了实验和观测之外，还有第三种用于实证科学的方法：由我们看到的事物来推测出看不见的事物和现象。要想证明多重宇宙存在与否，我们完全不必去远至因果不连续的时空区域来寻找例子，类似的例子可以考虑亚原子粒子：我们永远都不可能观测到单独的夸克，它们永远三个三个地被束缚在一起，形成质子、中子及其他粒子，但我们谁都不会否认夸克的存在。萨斯坎德说：“到目前为止，夸克依旧隐藏在神秘的面纱。虽然至今为止，没人观测到单独存在的夸克，但从来没有人对夸克理论的正确性提出质疑。夸克已经成为现代物理学基石的一部分。”　　由于我们的宇宙现在正在加速扩张，目前位于我们视线范围内的星系将会很快地被推到视线范围的边缘。我们不会因为这些星系超越了我们的可见范围就认为它们不存在，正如我们不会因为一艘船越过地平线以后就不存在了一样。而如果我们承认星系可以存在于我们的观测区域之外，那其他事物怎么就不能存在于可观测区域之外呢？比如那些我们从未见过，也永远不会看到的事物？一旦我们承认在我们视线范围之外的区域有事物存在的可能性，这种影响就将呈指数级增长。英国皇家天文学家马丁·里斯（Martin Rees）将这一推理比作心理学中的厌恶疗法：一旦我们承认在超出我们视线之外有星系的存在，就像容许了一只小蜘蛛从很远处爬过，但只要承认了这一前提，在不知不觉中你就认可了无穷多个与我们所在的宇宙完全不同的宇宙存在的可能性——到那时，你会发现自己周边已经爬满了大个的狼蛛。　　就我个人而言，从任何方面来说，缺乏直接的实验对象并不会影响一个理论成为好的物理学理论。因此，无法实验验证这一点并不是我抵触多重宇宙理论的原因。　　接受多重宇宙理论的另一个难点在于，它挑战了我们最珍视的信念——独特性。这一点会是我们困扰的根源吗？正如塔夫斯大学的宇宙学家亚历山大·维连金（Alexander Vilenkin）所解释的，无论我们的可观察的区域有多大，只要它是有限的区域，它就只能包含有限数量的量子态，每一个量子态都独一无二地对应着相应的宇宙空间。因此，如果存在无限多这样的宇宙空间，那么总有一些宇宙所拥有的特定内容同时被其他宇宙所拥有。也就是说，我们所在的这个世界，乃至这一世界的每一处细节，都可能被其他的宇宙复制。这意味着，你再也不是独一无二的，很可能在其他宇宙中，存在着千千万万个你。

一切都可能发生：在多重宇宙中，可能性就是事实。图为芭蕾舞女演员玛戈·芳廷（Margot Fonteyn）的多重曝光照片。图片来源：Hulton Archive　　维连金说：“这些‘复制品’的存在的确令人沮丧，尽管我们的文明有诸多缺点，但我们至少可以宣称我们的文明是独一无二的，就像一件艺术品一样。但是现在我们不能再这样说了。”我明白他的意思，这一点也深深困扰着我，但这一点可能仍然不是我不满的根源。正如维连金沉思后所言：“我还没有自大到认为自己能主宰客观现实的地步。”　　对于我来说，多重宇宙之争的焦点，或许在于一个奇特的讽刺：虽然多重宇宙将我们的物理世界的概念扩大到了难以想象的程度，但这一理论本身却是极其狭隘的，因为它从外部限制了我们能获得知识的范围以及我们获取知识的能力。我们这些理论物理学家梦想着生活在一个有规律的世界里，该世界不存在任何任意性，且其中的规则是完备的。我们的目标是找到一个逻辑严密、约束严格的自洽性理论，这种理论只能拥有一种独一无二的结构，即便我们不知道这个理论从何而来，缘何产生，属于这一理论的结构都不会任意改变。如美国加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·布索（Raphael Bousso）所言，自然界所有的基本常数都应该由数学、π和2构成。　　爱因斯坦提出广义相对论以后，世界各地的物理学家都惊叹于其非凡而持久的美。广义相对论方程中的对称之美是如此清晰，以至于这一理论看起来自然而然、水到渠成的。物理学家也想把广义相对论的成功复制到其他物理学领域，但是到目前为止都失败了。　　为什么宇宙的基本常数非得是这几个值呢？几十年以来，科学家们一直在寻找原因，但是迄今为止没有人找到。事实上，如果使用现有理论去推测一些基本常数的可能值，得出的结果与测量所得结果相去甚远，简直到了可笑的地步。但我们该到底应该如何解释这些常数呢？如果只有一个独一无二的宇宙，那么掌管着宇宙结构的常数必定具有其特殊意义。如果它们的值不是完全随机产生的，背后就必定会有一些缘由，甚至是一些有意为之的“设计”。　　这两种方式都让人不太满意。作为科学家，我们花费毕生去追寻规律，只因我们相信诸事的发生皆有原因，即便我们不懂其中道理；我们探寻模型，因为我们认为宇宙中存有秩序，即便我们不曾看到。在这种世界观下，不存在纯粹而随机的可能性。　　但如果说这一切的背后有着某种“设计”，这种想法也并不受人欢迎，因为这就意味着有一种超越自然规律的存在。这种“存在”必须能行使选择和判断的职能，而宇宙不像广义相对论的体系那样严格平衡、紧密限制，它是绝对任意的。而如果在逻辑上可能存在好几种宇宙，而其中只有一个能被实现，这可不那么令人满意。如果是这样的话，那就如宇宙学家丹尼斯·夏玛（Dennis Sciama）所说，就好像有某个人看着一张清单，然后说“这个宇宙不要，这个宇宙也不要，要不就选这个吧”。　　就我个人而言，这种场景让我十分难过。就像老电影中孤儿院的一群孤儿中只有一个被收养，或是众多追寻梦想的人中绝大部分都没有实现，或是一个胎儿在孕早期就经历了流产……这些事物差点就能诞生，却无缘无故地夭折，这怎能不让人痛苦不已呢？除非有一个理论上的限制条件可以排除其他所有的可能性，只留下唯一的一个解，否则这类选择无论如何都是苛刻而且不公的。　　如果真的有某种高于宇宙的存在可以任意决定宇宙的生死，我们该如何摆脱这些不必要的痛苦呢？由于这些在哲学上的，伦理学上的以及道德的考量不属于物理学的范畴，大多科学家都不太愿意去评论它们，但诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）写道：“关于我们的生命究竟是不是被一位好心肠的造物主所创造的，这一问题需要留给你自己去回答，每个人的答案可能都不一样。我自己的生活一直比较顺遂，但我也曾目睹我的母亲痛苦地死于癌症的折磨，我父亲的人格被阿尔茨海默病所摧残，我众多的犹太表兄弟姐妹们死于纳粹的大屠杀。从这些角度上看，又怎么能说造物主是仁慈的呢？”　　面对苦痛，随机性的因素远比有意的安排更容易让人接受。　　而多重宇宙则给了我们第三种选择：苦痛既不是随机落到我们头上的，也不是由某一位造物主任意指定的，在别的宇宙中我们可能有着不同的人生，这就把我们从苦痛的折磨中解放了出来。　　不过，物理学家并不是为了这个目的而创造出多重宇宙理论的。多重宇宙这一想法诞生于其他的思路之中。为了解释我们所看到的宇宙为何如此光滑平坦，科学家提出了宇宙暴胀理论。“我们当时正在寻找一个简单的理论来解释为什么宇宙看起来像一个大气球，”来自斯坦福大学的物理学家安德烈·林德（Andrei Linde）说，“并没有意识到这个理论会带来什么别的东西。”这里的“别的东西”就是指我们意识到我们的宇宙大爆炸并不是独一无二的，并且事实上应该有着无限多的大爆炸，每一次的大爆炸都会创造出一个独立的时空域。　　随之而来的就是弦理论的诞生。弦理论是我们目前所拥有的所有理论中，最接近大统一理论的一个，因为它不仅实现了万有引力和量子力学的统一，还进一步支持了它们。但是，弦理论面临着一个非常令人尴尬的问题：我们不知道如何确定大自然基本常数的准确值。目前估计约有10^500种可能的选择——这个数字大得不可思议，以至于我们甚至都还没有为它命名。弦理论列出了物理定律可能采取的所有形式，而宇宙暴胀学说创造了一种实现它们的方式。随着每个新宇宙的诞生，一副虚拟的卡片被重新洗牌，而上帝之手决定了管控这一宇宙的定律。　　多重宇宙理论解释了我们方程中所用的常数的值是如何得到的，而不需要调用随机性或者有意识性的设计。如果本来就有极多的宇宙，其中包含了所有可能的物理定律，那么我们测量出的那些值也只是因为这就是我们宇宙所在的空间而已，不需要有更深入的解释。仅仅如此。这就是答案。　　不过，尽管多重宇宙理论将我们从此前的两难困境中解放了出来，但它还是留下了深深的不安。我们花了这么长时间去思考这些问题，但多重宇宙理论仅仅告诉我们：它既如此。物理学家尽力了，但这个回答不是我们所熟悉的那种答案，它无法解释解释事物的工作原理。更重要的是，它破坏了理论物理学家的梦想：它告诉我们，我们永远无法找到那有且唯一的解，只因为有且唯一的解并不存在。　　有些人不喜欢这个答案，还有一些人认为它没有资格被称为答案，不过还是有一些人接受了它。　　多重宇宙的坚定反对者、诺贝尔奖得主戴维·格罗斯（David Gross）认为，接受多重宇宙理论相当于举手投降，接受你永远不会真正理解任何东西这一现实，因为你看到的所有东西都能归因于一个“历史意外”。另一位诺贝尔奖得主杰勒德·特·胡夫特则坦言自己不能接受在众多宇宙中总能找到一个和我们生活的宇宙一模一样的宇宙这一想法。他说：“这同我们此前研究物理学的方式大不一样，不过我们将来或许还能找到更好的解决办法。”　　普林斯顿大学的宇宙学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）则把多重宇宙理论贬低为“任何事物的理论”（Theory of Anything），因为它允许了一切事物的产生，却没有解释任何事物。“一种科学理论应该是具有选择性的，”他说，“它所能排除的事物越多，它就越有用。如果它囊括了所有可能的事物，那么它就不能排除任何可能的事物，换言之，它完全没有用。”斯坦哈特是宇宙暴胀理论的早期领导者之一，但他意识到这一理论会带来多重宇宙，从而引出一个拥有无限可能的空间，却不能作出具体预言的理论时，就果断退出了。现在，他已经成为暴胀理论的知名反对者之一。在最新一期的Star Talk中，他称自己支持一切非多重宇宙的理论。“多重宇宙理论到底对你做了什么，让你产生如此深仇大恨？”主持人开玩笑说。“它毁了我最喜爱的想法之一。”他回答道。　　物理学理应是真实的，绝对的，以及可预测性的。事物要么为真，要么不是。理论也不应该是有弹性或者包容性的，反之，它应该是强制性的、严格的，对不符合它的事物不屑一顾。好的理论，能够在给定的条件下预测出可能的结果，在理想的情况下甚至还能预测出独一无二、必然发生的结果。然而，多重宇宙理论什么也给不了我们。

星系之外：图中那个不太起眼的斑点是通过可见光和X射线观察到的Abell 2029星系团。这类星系团是我们宇宙中最大的结合结构。　　有关多重宇宙的辩论有时会变得十分激烈，怀疑多重宇宙的人甚至有可能指责多重宇宙理论的支持者是背叛了科学。但是更重要的是，我们应当意识到，没有人会愿意主动选择多重宇宙理论。（呐，发生这种事情，大家都不想的。）我们都希望我们的宇宙是由美丽而深刻的原理交互着有机地组成。但是到目前为止，我们可以说，很不幸，宇宙不是我们所想的这样。但宇宙本是如此。　　有关多重宇宙的论调一定是消极的吗？这一理论非得是最优选择不存在的情况下的妥协吗？我的许多同事也在尝试替多重宇宙理论说点好话。比如，从逻辑上讲，多重宇宙理论比单一宇宙理论更简单，也更好解释。就如夏玛所言，多重宇宙理论“在某种程度上满足了奥卡姆剃刀原理，因为它能最小化你对宇宙的随意约束”。温伯格也说，一个没有任何前提条件并且不用仔细调试以使它符合观察结果的理论，就其本身而言就足够美丽了。他说，这种美可能与热力学之美类似——热力学之美是一种统计上的美，它解释了宏观世界的状态，但是这种美不属于其中的每一个个体。“你在探寻美的时候，肯定不能事先就知道自己会在哪里发现它，也不能事先知道即将发现的美是什么样子的美。”温伯格说。　　有几次，在思考这些重要的科学问题时，我的思绪不禁想到了安东尼·德·圣埃克苏佩在《小王子》中展现那种朴素又美丽的智慧。小王子曾经认为他心爱的玫瑰花是世界上独一无二的，但他随后就看到了一片玫瑰花圃中。他因为内心的这种背叛而思绪纷繁，并且因为这一损失而悲伤——为他的玫瑰花和他自己，不禁流下泪来。最终他意识到，他的玫瑰花“比世界上无数的玫瑰花都要重要”，只因为她属于他，她驯服了他，她是他独一无二的玫瑰花。　　我们的宇宙没有什么特别的，除了这一点——它是我们的。但这一点还不够吗？即便我们的全部生命，我们知道的一切的总和，在宇宙中都显得微不足道，但它们依旧是我们的。不管是此时，此地，还是我们，都有着独一无二的意义，因为意义毕竟是由我们来赋予的。

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