荒唐臆想還是科學事實?物理學家眼中的“平行宇宙”

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交替現實、平行次元、多重宇宙,雖然叫法不一樣,但都表達了同一個意思:我們以截然不同的方式生活在其他宇宙中。你一定很熟悉科幻小說裡的這些情節:三號宇宙中的你不在讀這篇文章而是在跳傘;六號宇宙中,你是一隻小強;而八十七號宇宙中壓根就沒有生命,連原子都不存在。

近些年來,這種看似瘋狂的想法已經從白日做夢逐漸轉變為真正的科學,多重宇宙甚至成為了物理學領域的主流觀點。

理論上講,除了我們所在的宇宙外,還可能存在無數個宇宙,就像沸水中的一連串泡泡那樣。每個泡泡都擁有自己的一套物理規律。雖然我們從未見過其他泡泡,但部分物理學家表示,越來越多的證據表明“多重宇宙”是合理的,甚至很可能存在。

塔夫茨大學物理學家 Alex Vilenkin 說道:“若是在15年前談起多重宇宙,大部分物理學家會覺得荒唐可笑。但現在,他們的態度發生了巨大的轉變。”

儘管如此,多重宇宙的概念仍然充滿爭議——還是有很多科學家對此持懷疑態度,甚至有人明確反對。但像 Vilenkin 這樣的支援者認為,有充分的理由表明多重宇宙需要被認真對待。

事實上,科學家幾十年來一直在思考多重宇宙的各種存在形式。例如,物理學家 Hugh Everett 曾在1957年提出一種新方法,用以解釋量子物理中的詭異悖論,比如粒子怎樣才能同時處於兩個態?在宏觀情況下,薛定諤的貓如何能夠既生又死?Everett 認為,當你開啟黑盒時,兩種不同的現實開始分岔,貓在其中一個現實中活著,而在另一個現實中死了。物理學家將這種理論稱為量子力學的多世界解釋。

這些多世界就是平行(多重)宇宙,它們共存於某個抽象數學空間中的不同區域,彼此之間永遠隔絕。今天,雖然隻有少數人贊同 Everett 的觀點,可量子物理學家仍在為此爭論。

而在20世紀80年代初,物理學家意識到還有可能存在另一種多重宇宙,這些多重宇宙和我們的宇宙處在同樣的時空中,隻是距離我們非常遙遠。這個驚人的想法(即所謂的泡泡宇宙)源自宇宙學的新影象。

麻省理工的物理學家 Alan Guth 於1980年(當時 Guth 在康奈爾大學做博士後)提出,宇宙在大爆炸後進入一個短暫的迅速膨脹階段(10-36~10-32秒),而後恢復正常,但膨脹速度慢了許多。“暴脹”由某種排斥力驅動,它能夠解釋為什麼我們的宇宙光滑、平坦——當時的宇宙學家為此困擾不已。

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“基於謹慎的假設,我們將得到一個激進的結果。”

今天,絕大多數宇宙學家接受了暴脹,還提出許多模型來解釋暴脹如何發生。而越來越精確的宇宙學觀測也驗證了暴脹理論的預言。

舉例來說,過去的幾十年中,WMAP、Planck 衛星對 CMB(宇宙微波背景)進行了精確的觀測,結果和暴脹理論的預言符合得相當好。宇宙學家還通過 CMB 資料獲得了宇宙的物質密度,該數值與理論預言相差不到千分之五。

“這些證據很有說服力,”愛丁堡大學物理學家 Andrew Liddle 說道,“大部分人都認為暴脹理論相當令人滿意,幾乎沒有希望被推翻。”

而在暴脹理論提出之初,Guth 等人很快發現方程指向一個令人驚訝的結果:暴脹是永恆的,隻有在某些泡泡中才會停止。“泡泡以外的空間一直在發生暴脹,更多泡泡將在其中形成,”Vilenkin 解釋道,“暴脹空間膨脹得太快,沒有什麼能夠到達它的邊界,因此我們可以認為,這些泡泡宇宙彼此獨立。”根據這一影象,我們的宇宙不過是無數泡泡中的一個。

在1983年,Vilenkin 發現最普通的暴脹模型就預言了多重宇宙。刨除多重宇宙的模型很生硬,也不現實。“基於最簡單的假設,我們將得到永恆暴脹和多重宇宙,”加州大學戴維斯分校的物理學家 Andreas Albrecht 說道,“(對於暴脹模型的)謹慎會推出(多重宇宙)這一激進結果。”

對多重宇宙最有力的支援與暗能量有關。天文學家在1998年發現,宇宙正在越來越快地膨脹。他們後來將這種加速膨脹歸因於暗能量,而膨脹速度則取決於宇宙學常數。但讓物理學家感到困惑的是,基於對自然界基本力與粒子的理解,理論預言的宇宙學常數數值比實驗測量值大了將近10122倍。為什麼測量值這麼小?大家並不知道確切的答案,不過多重宇宙倒是能提供一種解釋。

在20世紀80年代,諾貝爾物理學獎得主 Steven Weinberg 曾對宇宙學常數進行研究。他提出,對於多重宇宙,宇宙學常數的數值在不同的泡泡中可以不一樣。隻有一小部分數值合適的宇宙才有希望孕育出生命。所以在我們的宇宙中,宇宙學常數這麼小的原因就在於,隻有這樣星系才能形成、生命方可演化。數值稍大些則會導致宇宙在原子結合之前就已分崩離析。我們何其幸運!

類似的“人擇原理”也能用於解釋自然界的其他基本常數,比如中子質量。如果數值有一丁點兒的偏差,生命將不復存在,更不會有人測得偏差了多少。在物理學家找到更合適的理由之前,這至少算是一種解釋,聊勝於無。

事實證明,Weinberg 的分析極有先見之明。天文學家測得的(1998年)宇宙學常數與 Weinberg 預測的(1987年)相差不大。從那時起,物理學家進一步完善了 Weinberg 的設想,得到的計算值與觀測值更為接近:雖然並非完全吻合,但的確是至今為止符合得最好的。

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同時,萬有理論的最佳候選——弦論,提供了支援多重宇宙的理論框架。弦論中存在小到我們無法感知的額外維,這些維度以無數種方式捲起來,每種捲曲方式對應一個泡泡宇宙。但弦論的致命缺點在於缺乏觀測證據。

提到觀測證據,多重宇宙的情況也不容樂觀。但研究人員還抱有希望。比如說,如果我們宇宙的“友鄰”偶然間撞上我們,就會在 CMB 上留下蛛絲馬跡。天文學家已經開始努力尋找,但還沒有任何結果。

此外,在2015年末,Vilenkin 及其同事提出了另一種方法:利用黑洞來確定多重宇宙是否存在。一旦暴脹停止,泡泡宇宙將坍縮成黑洞。暴脹的時間越長,形成的黑洞質量越大,其內部甚至可以包含另一個正在暴脹的宇宙。因此,暴脹會在多重宇宙中留下一連串質量不同的黑洞。【那我們呢?在別的宇宙看來,我們自己的宇宙可能也是一個黑洞。】原則上,通過測量黑洞碰撞在時空中產生的漣漪——比如 LIGO 在2016年發現的引力波訊號——天文學家可以得到黑洞質量的統計分佈,分析他們是否由暴脹產生,並以此作為檢驗多重宇宙的間接證據。(關於這項工作的更多介紹請戳這裡)

當然,這項工作隻是種初步探索,對多重宇宙的支援與否無疑取決於將來的實驗觀測。支援者所能期待的最好結果是存在某種間接證據:更好的模型或是暴脹理論的確證。

“沒有哪個科學理論被真正證明過。大家接受的隻是可以解釋自然界某些現象的最好的已知理論。”

然而,多重宇宙的存在仍缺乏直接證據,也許根本無法被檢驗,這給反對者留下了把柄。

最激烈的批評者是普林斯頓大學的 Paul Steinhardt。他和 Albrecht, Guth,以及斯坦福大學的 Andrei Linde 同為暴脹理論的創始人。但當他意識到暴脹永不停止,還會孕育無數泡泡宇宙時,他認為理論存在問題:多重宇宙並非暴脹的特徵,而是缺陷。

在他看來,這就好比有人告訴你一個理論,它能解釋天空為什麼是藍的。初看非常可信,但是仔細推敲後發現,它不僅僅產生藍色的天空,還有紫色的天空,五彩斑斕的天空……

多重宇宙無法解釋任何事情——任何事情都有可能發生。科學的特點就是能夠對理論進行檢驗。而如果一個理論能夠預言一切,那這樣的理論就無法得到檢驗,或是證偽,因此也不是個有效的科學理論。Steinhardt 認為,多重宇宙隻是平添混亂。

支援者則認為這種觀點太過狹隘。Guth 說道,“沒有哪個科學理論被真正證明過。大家接受的隻是可以解釋自然界某些現象的最好的已知理論。”

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可證偽性也許是個哲學問題。但想要在多重宇宙中研究物理同樣存在現實問題,最核心的困難在於,物理研究依賴於計算某種現象的發生概率——比如說粒子衰變的可能性。但當你考慮的可能性有無數種時,計算概率就毫無意義,也就無從研究相應的物理影象。

Guth 表示,“概率的定義是我所知道的最讓人受挫的問題之一。”

試圖解決概率“困境”(也就是度量問題)的成果有限。幾年前,Albrecht 基於理論物理學家 Don Page 的工作提出,在考慮多重宇宙時,物理學家通常採用的概率工具將失效。不過他表示,小心地定義概率也許能夠解決度量問題。這增加了他對多重宇宙的信心(雖然仍持懷疑態度)——他認為有10%的可能性。(Guth 則認為有過半的可能性。)

而 Steinhardt 認為,試圖解決度量問題是對錯誤的想法進行特殊的修正。多重宇宙的問題過於嚴重,宇宙學家甚至應該將暴脹也一同放棄。“反彈”模型是一種可能的替代理論。在這類模型中,宇宙並非始於大爆炸,而是一直存在著。隻不過“大爆炸”之前,宇宙在收縮,直到觸底反彈,開始膨脹。有些模型中,宇宙甚至經歷了無數次“膨脹-收縮”的迴圈。這些理論不需要暴脹,因此也沒有多重宇宙。

隻有一小部分物理學家正在研究反彈宇宙學。事實上,這種理論並不像暴脹那樣成功,但 Steinhardt 等人仍在繼續探索並擁護它。

此外,還有一些物理學家在嘗試保留暴脹,但沒有多重宇宙的宇宙論。這也許是可能的,但這麼做需要引入新物理。Albrecht 發現如果想要讓這種理論說得通,我們需要對基本的物理定律做出某些極端的假設。這種方法相當激進。

當然,暴脹導致多重宇宙的想法也很激進。Albrecht 表示,這一想法的根基還不夠穩固,但這無傷大雅——物理學前沿研究本就如此。

行路難!行路難!多歧路,今安在?對於多重宇宙,這恐怕是物理學家所能達成的唯一共識。

撰文Marcus Woo

編譯金莊維

審校張士超

» 光明網

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