多宇宙：我们的宇宙是唯一的吗？
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始于宇宙大爆炸之后的宇宙的膨胀，已经成为久经检验的客观规律。但是在过去的400年间我们的宇宙也经历了一次另外意义上的“扩张”－这一次，是在人们对于宇宙的认知水平上。这次“扩张”同样起源于17世纪的那次“大爆发”－伽里略和开普勒等天文学家通过观测，无情地打碎了占卜师当时被认为可以占卜行星轨道的水晶球，这是人类在认知水平上的一次飞跃。这些天文学上的发现让人们逐渐认识到，那片群星游走的巨大的天幕画布，其实是由一个个遥远的恒星组成的－那些恒星离我们的距离远得超出当时人们的想象。紧接着，人们意识到我们夜晚所看到的天空中的“银河”，其实是一个从地球上所看到的一个宏大的星系的样子，而太阳只是这个庞大星系当中无足轻重的普通一员。
曾几何时，那片“银河”－后被以希腊语中的“Galaxy”一词命名为银河系－被认为就是整个宇宙。然而，在大约100年前，随着体积更大、更强的天文望远镜的出现，天文学家们发现我们的星系只是众多星系中的一个，人们对于宇宙认识的思维蓝图进一步扩张－直到今天，人们把宇宙定义为一个充斥着许许多多不同星系的空间，这片空间可以追溯到138亿年的那次大爆炸。同时，整个宇宙的演化过程中的细节也逐渐被人们清晰地认知。
但是究竟什么才能被看作是所谓的终极理论一直被人们所争论。一些物理学家猜想，例如我们所处的银河系－虽然曾经被认为是独一无二的，但是后来发现原来仅仅是众多星系中的一个普通个例而已，同时星系的存在是一种普遍现象。同样的道理，我们的宇宙也不大可能就是物理事实的终极边界。他们的观点是：“相比于我们的宇宙是唯一的、独一无二的这样的理论，多宇宙（Multiverse）的存在更加令人信服。”当然，多宇宙的理论可能不止一种，每一种理论都是非常宏伟壮阔的猜想。但是，如果多宇宙理论是正确的话，这将使一些长久以来困扰我们的关于物质的存在的问题迎刃而解。
多宇宙学说的一个重要的支持者是麻省理工学院的Max Tegmark。Tegmark博士认为多宇宙理论可以有四重分类。而只有其中的三类学说是可以被常人所理解的，这算是一个比较好的起点。
世界嵌套世界
一种最简单的多宇宙模型就是我们所熟知的宇宙的无限延伸。现代天文望远镜可以看到很远的地方，但是光速并不是无限大，宇宙的年龄也同样是有限的，这就意味着我们只能看得到离我们距离为有限远之内的物体。如果空间是静止不动的，我们所能看到的最远距离的界限（视界线）离我们的距离叫做哈勃半径，这个距离大概为138亿光年。事实上，由于在大爆炸后空间也在一直不断地膨胀，哈勃半径大概为420亿光年左右。
在哈勃半径之外的物质和空间能延伸至多远，没有人能够知道。但是一些理论指出宇宙空间可以延伸至无穷远的地方也即宇宙是无限大的。如果这个理论是正确的话，任何物质可能的组织形式都有可能在某个地方存在。并且同样的组织形式有无穷多的个体存在。这就意味着存在无数个地球，每个地球上面都有一群一模一样的读者在读这篇文章。实际上，以哈勃半径为界限切开的那些一个个独立的空间已经可以称之为一个个孤立的宇宙，而且这样的说法在学术上已经被广泛接受。
虽然上面的说法听起来非常颠覆人的想像，但是和第二种多宇宙理论比起来可谓是小巫见大巫。上面讲的第一种多宇宙理论假定了物理规律在各个分立的宇宙中都是相同的。第二种多宇宙理论则认为不同宇宙中的物理规律是不同的。稍微拨动哪怕一丁点物理定律便可以颠覆整个宇宙的形态。因此，那些不同的宇宙之间是有差异的，并且有可能是截然不同的。
而第三种多宇宙理论，和第一种类似，认为不同宇宙中的物理规律总是相同的。在这样的理论中，随着时间的往前推移，组成宇宙的子宇宙在不断地分裂出来。在每个瞬间都将产生很多个宇宙，这是由于量子理论的不确定性，每种可能的情况都会在某处发生，而这样的某处就是一个新的子宇宙。
至于第四种多宇宙理论则是一个由纯数学描述而成的一个个耦合的系统中的物质与定律。这些定律在实际中是很难被人解释和理解的。与其说这是物理定律，不如说这更像是一个形而上学的一个分支学说。但是对于前面的三种理论，虽然它们将我们现有物理理论认知的边界又往前推动了一大截，但是它们并未颠覆我们现有的理论。而且，如果我们把我们的可观宇宙作为由开始到结束的所有一切的空间和时间的话，这将带来一系列关于物质本质的深刻问题，并且这些问题我们难以自圆其说。假如第二种和第三种理论被证实，每种理论都将解决一大批这样的问题。
第二种多宇宙学说的认同者认为多宇宙中的每个宇宙，都是以与我们的宇宙类似的大爆炸作为诞生的起点的。而大爆炸的一个具有定义意义的标志就是一种叫做“暴涨”（inflation）的现象。在宇宙诞生后的很短一段时间内宇宙空间经历了一次非常大的扩张。这里讲的很短一段时间是指大概在10的-36次方秒以内，这里说的非常大是指有可能是趋近于无穷大的。
“暴涨”的观点在1979年首次由Alen Guth提出。在Guth博士发表论文的若干年后，Andrei Linde将这样的观点进行推广和扩展，他认为宇宙是由一个叫做“暴涨场”（inflationary field）的区域衍生出来的，但是如果这样的区域可以孕育出来我们所熟知的这个宇宙，我们没有理由不相信这个区域可以孕育出其他的宇宙。同样，我们也没有理由认为这些所有孕育出来的宇宙都拥有一模一样的物理规律。当然，说这些宇宙具有不同的物理定律是有理论根据的。
其中一个根据来自于十多年前有若干个物理学家发现的一个成果。这些物理学家之中包括斯坦福大学的Leonard Susskind以及英国皇家天文协会的Martin Rees。他们发现弦理论（String Theory）的方程－对物质和能量如何构建成粒子和场最为深刻和精准的描述－有很多可能的解。其中一些解是与我们观测到的事实相吻合的。大多数不吻合。但是Susskind博士和Lord Rees则认为这些与我们观测不吻合的解则描述了其他宇宙的事实。
这样的想法在情理上是非常令人赞赏的，因为这涉及到了一个令我们非常困惑的问题：为什么我们观测到的宇宙是如此地贴合我们人类产生所需的必要条件呢？稍稍拨动哪怕一点点物理上的宇宙常量，比如电磁相互作用力的强度或者将原子核的核子聚合在一起的强相互作用力和弱相互作用力的强度，这就足以造就结果中的宇宙不能维持人类或者相类似生命体的存在（见图表）。
这样的悖论被人们称作“微调问题”（Fine-tuning Problem）。微调问题被一些人用引入一个“造物主”（Creator）的身份来解释，这些人认为是造物主创造了恰好能使人够进化出来的条件。假如宇宙的存在是一种普遍现象，同时支配不同宇宙的定律各不相同的话，“微调问题”，以及前面所说的引入一个“人类友好型”的造物主以自圆其说的需要，将会不复存在。同时，宇宙具备可以演变出智慧生命的条件这样的现象将不再是一种偶然－因为还有无数的宇宙不能演变出这样的生命。并且将不可避免地出现这样的场景：任何进化出来的高等智慧生命都会发现他们生活在一个具有恰好能支持他们生存的物理学规律的宇宙中。
第二种多宇宙理论为解决“微调问题”提供了答案。而第三种多宇宙理论则类似，其是为了解决20世纪的科学家们的一个蹩脚的问题。这个问题被称作为“量子理论的哥本哈根解释”（Copenhagen interpretation of quantum theory）。当然，第三种理论就是为了解决这个问题而被提出的。
在1900年之前，物理学家们将整个宇宙大体分为物质和波。这种分类尤其适用于一些基本的物质比如光（波）以及原子（粒子）。在20世纪早期，光波的行为有时也表现出粒子性同时粒子也表现出波动性这样的实验规律被人们所熟知。这种“波粒二象性”（Wave-particle Duality）是量子力学的一个基石。同时，也在数学上用波函数来进行描述。
在19世纪20年代，薛定谔在他的不确定性原理中提出了一种由描述粒子所在位置的可能性以及粒子下一步的运动方向的概率组成的波函数。一些可能的结果发生的概率比另一些更大。但是从观察者的角度来看，他只观测到了一种结果发生。薛定谔与波尔协作，共同认为在这个过程中到底哪种结果会发生取决于观察者的观察。用行话讲，是观察者的观察的动作使波函数“坍缩”成一种结果。
虽然量子行为是在研究一些单独的基本粒子以及光时所发现的，但是它适用于任何物体，不管有多大。薛定谔用一个著名的思想实验展示了这种效应：一个猫在一个带有足以杀死猫的盒子里面，这个杀死猫的装置是由一个可衰变的原子所触发的。原子的衰变是一种要用波函数描述的现象，因此这就使得那只猫的状态也由量子力学效应来掌控。它的波函数在盒子打开之前都是在一种即是死亡也是活着的状态中。盒子打开后，观察者进行观察，波函数坍缩为要么是死要么是活的唯一一种状态。波尔和薛定谔当时是在Copenhagen（哥本哈根）工作，这座城市因此得名。
在19世纪50年代，一个叫Hugh Everett的美国人提出了另一种不同的解释。他认为整个宇宙本身可以被一个波函数描述，他提出无论是一个粒子，一只盒子中的猫或一整个宇宙的波函数，每种波函数所允许的可能结果事实上都发生了。这就造就了一个结果就是整个宇宙一直在不停地经历着多重的分裂产生许多子宇宙。每个宇宙都包含着其不同的结果（猫是死的；猫是活的）。任何观察者（或者称之为在未来其中一个子宇宙的版本的该观察者）将只会看到一种结果发生。从他的观点来看，虽然看起来是波函数坍缩了，但是现实发生的并不是那样。
生活是赌局吗？
从科学的层面来讲，这的确是一种更令人满意的解释。它比薛定谔的解释更容易让人接受是因为没有人可以明确地阐述观察者的观察行为怎么就可以或者通过何种方式使波函数坍缩。但是话又说回来，真的是像解释的那样吗？
这个问题，同样，是所有多宇宙理论都要面临的一个关键问题。而且的确有一些想法用以验证以解答这个问题。其中一个例子是伦敦帝国理工学院的Stephen Feeney，他猜想假如在第二种多宇宙理论中的宇宙之间有重叠连结的部分，这将会在两个宇宙的空间留下印记，就像两个肥皂泡连结在一起那样。他认为，这种印记，可以在宇宙大爆炸之后产生的并且一直持续到现在的宇宙背景辐射中显现出来。但是至今仍然还没有发现过这样的印记。
还有另外一个实验值得关注，虽然这个实验没有直接证明第三种多宇宙论的真实性，但是至少可以测试试验者对于该理论的信念。这个实验叫做“量子俄罗斯赌盘”（Quantum Russian Roulette），是“薛定谔的猫”实验的一个翻版。不同的是那个不幸的动物用实验人员来代替。在未来，这个人可能被杀，也有可能还活着。但是即便如此，从这个人的角度来看，只有后一种结果才会被他所知晓，因此他总会认为自己幸存下来了。有自愿报名参加这个实验的吗？
本文原载于《The Economist》2015年08月15日期Science brief栏目。
原文标题为Is the universe alone?:Multiversal truths
译者：ptbsare