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多重宇宙理论存在的证据在哪里?可以实验验证吗?

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发表于 2016-3-17 00:04:29 | 显示全部楼层 |阅读模式

你是否曾经想过,曾经的某个决定如果做了另一种选择,现在的生活是什么样子?这些“假如”有没有可能在其他地方上演?在过去的几年中,多重宇宙的想法得到了越来越多的支持,根据这个假设,我们的宇宙只不过是无数宇宙中的一个。那么,多重宇宙是如何产生呢?其中的宇宙之间又有着什么样的相似性或者差异呢?

多重宇宙会让人构想出许多相互平行的现实,其中一些和我们的只有着细微的差别。量子力学的多重世界解释确实预言了这种类型的多重宇宙。量子力学虽然很“奇特”,但它是迄今最成功的描述微观世界的理论。在多重世界中,每一个可能的量子态都会分叉发育成一个新的宇宙。换句话说,物理上每一个可能的动作、每一种可以采取的选择,都可以并且会在其他地方发生。

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这样的平行宇宙也许存在,可能有一天我们真的会发现能佐证量子力学这一多重世界解释的证据。然而,这些平行宇宙是永远也无法被观测到的,它们以一种我们几乎无法理解的方式独立于我们的宇宙之外。宇宙学家感兴趣的是更为具体的多重宇宙——虽然超出了我们所在宇宙的现实,但仍然是可知的。

我们的宇宙拥有一个视界,类似于地球上的地平线。如果你身处大海中的一个小岛,当你爬到它的最高点时,你能看到的最远距离是有限的,你无法直接看到远在地平线之外的东西。但是,你仍有可能获得有关这些东西的信息,例如漂来的漂流瓶。你可以了解发生在地平线之外的事情,因为来自它的各种信号可以抵达你所在的小岛。


在我们的宇宙中,它的“地平线”即视界,要远得多。实际上,它到我们的距离在每个方向上都达到了约465亿光年。光速有限和宇宙自大爆炸创生以来一直在膨胀是形成这一边界的两大原因。根据目前最准确的测量结果,宇宙大爆炸生于 138 亿年前,因此我们所能看到的物体发出的光必须要在这个时间之内抵达我们。

事实上,由于极早期宇宙的密度极高,大爆炸之后会形成的一个极其明亮但不透明的火球,经过大约40万年的冷却之后它才变得透明。随着宇宙空间的膨胀,从这个火球发出的光被拉伸成了不可见的微波辐射,目前,它是我们可以直接观测到的最遥远的物体,被称为宇宙微波背景辐射。它在寻找多重宇宙的证据中发挥了关键作用。据估计,微波背景辐射的确切距离为465亿光年。最遥远的光已传播了138亿年。在光传播的过程中,空间也在一直在膨胀。


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我们不知道视界之外是什么,但我们可以从可见的东西进行推测。在这些大尺度上,宇宙是非常均匀且各向同性的,意味着在我们可见的每个方向上、在我们可见的每个地方,宇宙都是完全一样的。因此,绝对存在一个比我们所能看到的更为广阔的宇宙,但它也许和我们的并没有什么不同。这正是现代宇宙学的一个基本假设,即宇宙学原理。

这些遥远的时空究竟能延伸出去多远是一个很有意思的问题,它取决于时空本身的形状。不同的估计认为,宇宙的真正大小从可观测宇宙的约250倍大(假设宇宙是闭合的)到无穷大(假设宇宙空间是平直或开放的)不等。然而,延伸出去的空间属于一个更为广阔的宇宙,而这个宇宙和我们的宇宙在本质上是相似的。事实上,如果宇宙真的是无穷的,或接近无穷的,我们可以预期,在宇宙中必定存在一个极其遥远的地方,那里会和我们的可观测宇宙一模一样。

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这些“副本”宇宙以及生活在其中你我的“副本”距离我们有多远呢?我们的可观测宇宙有着465亿光年的半径,包含有10118个粒子。试着想象一下这些粒子在可观测宇宙中所有可能的排列组合,粗略计算,可以得到有10的10后面加118个零次方的可能性。虽然这个数字看上去很大,但如果宇宙真是无穷大的,那么就有足够的空间来使得其中的粒子一次又一次地重复我们宇宙的特定组成。



如果还有另一种类型的多重宇宙又会怎么样呢?在这些多重宇宙中有一个和我们的宇宙截然不同。这正是令许多宇宙学家着迷的,在它背后有一个核心概念,被称为“永恒暴胀”。


在日常生活中,我们熟知物质的物态,或者称为“相”。例如,水分子可以是液态的水、固态的冰或气态的水蒸气。但在基本物理学中,不单单物质具有相,我们周围的一切,包括时空本身,都具有相。弦理论这样的高能物理学理论预言存在大量的相。当然,这些相之间的差异要远远超过水与冰之间的差别。不同的相可以拥有不同的物理学规律。例如,在某些相中会不含有构成我们宇宙的基本粒子,比如电子和夸克;在另一些相中,电子和夸克则可能具有不同的形式和性质,比如电荷和质量。这些相是目前最前卫的宇宙学理论的共有特征。

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不同相之间可以具有不同的性质,其中之一便是“真空能”的强度,它弥漫于整个空间中。在过去的几十年中,天文学家已经发现了强有力的证据,证明在我们的宇宙中存在少量的真空能,被称为暗能量。正是它在驱动宇宙加速膨胀,否则宇宙的膨胀速率会不断减慢。在其他的相中,真空能可以不存在,或者强得多,甚至具有负值。这是在多重宇宙中创造出新宇宙的关键。如果所有这些不同相都可以存在,那么它们之间就可以转换,就像冰、水和蒸汽之间的变化。


在某个初始时刻,宇宙中每个地方都可以有一个相。具有不同相的区域就像香槟中的气泡,或多或少是呈随机分布的。这就像抛硬币,对于一个给定的相,它的真空能要么为正,要么为负,但其中总有一些会是正的。如果真空能足够大,那么这个宇宙泡就会指数式地膨胀,在几分之一秒的时间里大小就会翻番,再翻番,并依此类推下去。因此,在这些区域中,空间会发生爆炸。如果这些相本身是不稳定的,那么宇宙泡就会在它们之中形成。这就是宇宙学家所说的永恒暴胀。这是一个相当令人兴奋的概念。如果它是正确的,那么我们可能就位于这些宇宙泡中的一个。在这个宇宙泡之外,则有可能存在非常奇特的东西,例如极高速的暴胀、不同的物理学定律,甚至还可能有不同的维度。一旦你越过了我们所在宇宙泡的边界,就会发现多重宇宙绝对不会平淡无奇。永恒暴胀可以解释有关我们宇宙的最大谜团之一。


我们宇宙的特性似乎是为生命而精确调校过的。例如,如果引力常数稍稍增强一点,或者电子的电荷稍稍减小一点,又或者把粒子束缚在一起的力稍稍减弱一点,那么恒星和行星就将无法形成,我们也就不会在这里了。一切都刚刚好,增之一分则太长,减之一分则太短,至今还没有人能解释这是为什么。但是,如果存在着无穷多个宇宙泡,它们有不同的特性,那么其中就必然会有一个宇宙——我们自己所在的宇宙,那里的各种特性都恰到好处,由此可以解释我们为什么能存在。




当然,最大问题的之一是,我们是否能找到支持这一理论的证据,或者否定它——这是检验一个理论是否真的是科学的关键,在技术上被称为“可证否性”。对于多重宇宙理论的普遍批评就在于其既不能被证实,也不能被证否。

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多重宇宙其实也具有可观测的效应。如果其他的宇宙泡和我们的靠得足够近,那么它就会和我们的宇宙泡发生碰撞。以现有的技术来看,探测这一现象还有很长的路要走,但并非不可能。事实上,你可以计算出这一现象看上去会是什么样的,也就知道了要寻找什么。因此,多重宇宙理论具有可检验的预言,而这也使得它是可证否的。它预言我们宇宙泡的空间几何是开放的。如果对宇宙几何形状的测量显示它是封闭的,就能否定这个理论。


那么,与另一个宇宙泡的碰撞会在我们的宇宙中留下什么样的痕迹呢?如你所料,两个宇宙间的碰撞无疑是非常剧烈的事件。

宇宙泡的外壁是非常“坚硬”的,运动的速度非常接近光速,因为有作用力在驱动它们膨胀。这些宇宙泡会自然而然地膨胀,“吃掉”它周围的真空能。这些能量会被转换成外壁的动能,因此它们会不断加速,运动得越来越快,直至发生相撞。其结果是大量的能量注入我们自己的宇宙泡中,它们会传播到我们宇宙的每一个角落,科学家将其称为“宇宙余迹”。我们宇宙中的所有东西都会受到影响,但受影响最严重的是宇宙微波背景辐射。这正是科学家想要寻找的,因为它是最古老且最遥远的辐射,所以受这一事件影响的时间也最长。

大多数计算机模拟结果显示,宇宙泡间的碰撞会在或多或少呈随机分布的宇宙微波背景辐射中留下一个温度稍高的环形结构和一个偏振图案。和在随机平面内振荡的微波不同,那里的振荡都指向特定的方向。


到目前为止,天文学家还没有发现任何有关这一碰撞的有力证据,但在宇宙微波背景辐射中确实存在一些异常现象,似乎和宇宙泡间的碰撞有关。当然,很少有人会真把这些异常当成证据。然而,想象一下,兴许真的有某些东西其实就在我们可探测的边缘。它们会在测量阈值附近产生一些异常现象,一开始没人会把它当回事,但你也不能排除这种可能性。眼下,科学家正在等待由普朗克卫星测量的全天宇宙微波背景偏振图。它有别于宇宙微波背景辐射的温度分布图,特定类型的宇宙泡碰撞会在偏振图中留下截然不同的信号。

如果我们的宇宙真的是多重宇宙中无穷多个宇宙里的一个,这对宇宙学的影响将是极其巨大的。根据这个理论,38亿年前创生出时间和空间的那一刻仅仅是某一个特定的相出现并开始膨胀的时刻,那么,探究大爆炸之前是什么也变得具有了意义。但是,在这个过程中,我们将不得不面对另一个问题,多重宇宙也应该具有一个起源——如果确实如此,它应该位于不可知的遥远过去。

不过,对潜在的多重宇宙的研究仍然处于非常初步的阶段。科学家现在专注于特定类型的宇宙泡碰撞,因为它们似乎是可以被探测到的最佳机会,除此之外,可能还有其他一些值得探讨的东西。另一种可能是,探测多重宇宙需要现今我们还无法企及的完全不同类型的观测,或者我们压根还没想出的正确办法。重要的是,探测多重宇宙是有可能的,一旦某件事情是可能的,我们就能找到一个聪明的办法来做到这一点。对此,我们真的还处于起步阶段。



延伸阅读


不同类型的多重宇宙

从不可见的时空区域到复杂的结构,多重宇宙有4个不同的级别。



第1级:在那里存在一个完全一样的地球

最简单的多重宇宙是肯定存在的。宇宙起源的大爆炸模型预言,宇宙中的每一个点都被一个“哈勃体积”包围。它的大小由宇宙膨胀的速率和自138亿年以来光线传播的距离决定。在实践中,这意味着我们的哈勃体积是一个直径930亿光年的球体,但在我们可见的范围之外还存在更为广阔的宇宙空间。如果宇宙的几何形状是闭合的,由于空间会弯曲,因此,哈勃体积是一个有限的数字。如果宇宙(似乎最有可能)是开放的,则可能存在着无穷多个哈勃体积,它们每一个都包含有一个宇宙。这意味着在外面的某个地方,存在着一颗几乎和地球完全一样的行星。



第2级:我们不可及的膨胀宇宙



弦理论是一个旨在解释粒子物理学基本规律的潜在的大统一理论。它认为时空至少有十维,在我们的宇宙中我们只能感知到其中的四维:三维空间和一维时间。其他的维度则彼此紧紧地蜷缩在一起,使得我们无法探测到它们。但是,我们的维度结构(或相)仅仅是许多种可能性中的一个。给予适当的条件,新的相就能从一个已经存在的相中创生出来,然后以光速膨胀。这意味着它们是完全不可及的。根据永恒暴胀理论,形成无穷多个有着不同维度和物理学定律的宇宙泡是可能的。



第3级:那里存在你的未来



根据量子力学的多重世界解释,即使是在最小的微观尺度上,在可能的结果之间,每一个决策点也会使得宇宙分叉成两个相互之间不可见的现实。这个构建多重宇宙的惊人想法并非来自弦理论,而是建立在无限维希尔伯特空间之上。虽然你可能会想,根据多重世界理论,将形成比宇宙泡模型更多样的多重宇宙,但现实的情况是,由于所有的多重宇宙都是无限的,在不同类型的多重宇宙中都会出现同一变体。此外,一些物理学家甚至认为,如果量子力学能以某种方式奏效,那么多重宇宙的多重世界版本在形式上可以等同于更简单的版本。


第4级:最奇怪的宇宙


假如多重宇宙是对我们自己所在宇宙的扩展,包含有一系列相互关联的宇宙泡,或者是无穷维的分支结构,那么所有这些“低级别”的多重宇宙仅仅是更广阔的“终极集合” 的一部分。它把所有可能的多重宇宙——无论它们叫什么——都囊括进了一个纯数学的描述中,因此包含所有低级别的多重宇宙,外加仍有待发现的任何其他类型。然而,这仅仅是半哲学论证的一部分,整个多重宇宙是一个数学结构,在其中有意识的实体可以感知物理上的“真实”世界。



多重宇宙理论可以绕过实验验证吗?



2014年以来,物理学界的争论出现了一个令人担忧的走势。面对把基本理论应用于可观测宇宙时的困难,一些研究人员呼吁改变理论物理学中已有的一些信条。他们开始明确地提出,如果一个理论足够优美且能够解释现象,那么它不需要实验的检验。这无疑打破了数百年来通过实证鉴定科学知识的哲学传统。我们决不同意。如科学哲学家卡尔·波普尔(Karl Popper)所说,理论的科学性必须是可证伪的。


一些弦理论家是“优美已足够”的大力倡导者。由于弦理论据称是“唯一”能够统一四种基本力的理论,因此他们认为它必定是真理,即便它依赖于我们无法观测到的额外维度。一些宇宙学家也开始放弃对用实验验证基本假设的坚持,这些研究领域包括多重宇宙(包含无数的宇宙)、量子现实的多重世界解释(观测行为会使得现实出现平行的分支)和宇宙大爆炸之前。

这些无法证实的假说和那些直接与现实世界相连且可以通过观测检验的——例如,粒子物理学的标准模型以及暗物质和暗能量的存在——截然不同。如我们所见,理论物理学正在冒险进入数学、物理和哲学之间的真空地带,无法真正满足任何要求。

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可检验性的问题已经潜伏了十多年。在科普书籍和科学论文中,已经有批评弦理论和多重宇宙的声音。 2014年3月,理论物理学家保罗·斯坦哈特(Paul Steinhardt)在《自然》 杂志中写道:“暴胀宇宙学理论已不再是科学,因为它是如此灵活,可以与任何观测结果相调和。”理论家和哲学家理查德·戴维(RichardDawid)和宇宙学家肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)对这些批评进行了反驳。

我们很赞同戴维、卡罗尔和其他物理学家将这个问题拿出公开讨论。但是,他们崇尚的激进步伐还需要仔细地推敲。这场关于物理学灵魂的论战爆发于科学结果——从气候变化到进化论——遭到一些政客和宗教原教旨主义者质疑之时。科学家和哲学家之间更深层次的对话必然要包含公众对科学的信心,以及对基本物理学的本质受到的潜在伤害的关注。



弦理论



弦理论是一个精心设计的理论,通过在更高维空间中微小的(一维)弦和(高维)膜来统一现有的物理学。较高的维度都紧紧地卷曲了起来,尺度都太小,即便是未来的粒子对撞机也达不到探测它的能标。

弦理论的某些方面原则上是可以通过实验来检验的。例如,在弦理论中引入了费米子和玻色子间的对称性——超对称性——之后,它预言每种粒子都存在一个尚未被发现的伙伴粒子。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机到目前为止还没有发现任何伙伴粒子,对在超对称性可能存在的能量范围进行了限定。如果这些伙伴粒子继续不见踪影的话,我们可能永远也无法知道它们是否存在。当然,支持者总是可以声称,这些粒子的质能比我们所能探测的质能更高。


戴维认为,弦理论的真实性可以通过对研究过程的哲学和概率论证来确立。他援引贝叶斯的理论,认为如果一个理论“正确”或“可行”的概率在不断提升,它就可以被认为得到了确认。这一概率的增加可以是纯理论性的,因为“没人能找到一个更好的方案”和“该理论没有其他可行的替代方案 ”,于是他认为弦理论应该被视为是正确的。

在我们看来,这是“射门不成,移动门柱”的做法。和通过观测证据来佐证科学理论的信念相反,他认为理论发现可以巩固这一信念。然而,从数学逻辑得出的结论未必适用于现实世界。从宇宙的稳恒态理论到粒子物理学中意图统一弱电力和强力的SU( 5 )大统一理论,实验已经证明许多优美而简单的理论是错误的。波普尔和其他 20 世纪的哲学家已经否定了不以事实为根据就推断出真理的做法(归纳法优越论)。


我们不知道是否有其他的理论。我们可能只是还没有找到它们。或者,这一提法可能就是错误的。如果由时空曲率来描述的引力确实有别于统治粒子的强力、弱力和电磁力,那也许就没有必要建立一个有关四种基本作用力和粒子的统一理论。有着众多变体的弦理论本身甚至都没有明确的定义:在我们看来,这是一张期票,也许会存在这样一个统一理论。



许多的多重宇宙理论



驱动多重宇宙理论发展的是一个谜题:为什么自然界基本常数——例如,描述粒子间电磁相互作用强度的精细结构常数和与宇宙加速膨胀有关的宇宙学常数——的数值恰好位于能使生命得以存在的小范围之内。多重宇宙理论认为,还存在数十亿个不可观测的宇宙,在它们中,这些常数可以取一切可能的数值。其中一些会和我们的宇宙一样适宜生命生存,另一些则不会。

一些物理学家认为,多重宇宙是许多离奇巧合的最佳解释。例如,宇宙学常数难以解释的微小数值,它比量子场论的预言小了120个数量级。

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多重宇宙的概念图

2014 年年初,作为多重宇宙和多重世界假说的倡导者,卡罗尔反驳了波普尔的证伪标准,将其称为“钝刀”。他提出两个其他的要求:一个科学理论应该是“确定性”的和“实证性”的。卡罗尔说,“确定性”指的是这个理论“就现实如何运转有清晰和明确的表述”。对于“实证性”,他同意传统的定义,即应该通过解释测量数据的能力来判断一个理论是成功还是失败。


他认为,不可及的宇宙会对我们的宇宙产生“戏剧性的效果”,由此可以解释为什么我们观测到的宇宙学常数是如此之小。但在多重宇宙理论中,这一解释可以不顾天文学家的观测结果。宇宙学参数所有可能的组合会存在于某个地方,而这个理论本身也有许多可调的参数。其他理论,例如单模引力和修正了的爱因斯坦广义相对论,也可以解释为什么宇宙学常数很小。

有些人已经提出了更易于检验的多重宇宙理论。如果测量发现宇宙具有负的空间曲率,那就可以否定物理学家伦纳德· 萨斯坎德(Leonard Susskind)提出的版本。不过,这一发现对其他众多的多重宇宙理论来说并不能说明什么。从根本上说,多重宇宙的解释依赖于弦理论,而弦理论本身还未经证实,它还依赖于某种机制,能在不同的宇宙中实现不同的物理学。在我们看来,这绝不坚实,更遑论可以检验。




物理学家休·埃弗雷特(Hugh Everett)提出的对量子现实的多重世界解释是最终的量子多重宇宙,在其中,量子概率会影响到宏观世界。根据埃弗雷特的观点,在密闭的箱子里通过随机放射性衰变放毒,每一只薛定谔的猫,其是生是死在自己的宇宙中是真实发生的。每当你做出选择,即使是再平常不过的选择,比如说向左走还是向右走,都会在量子真空中诞生出新的宇宙,以适应其他的行为。


数十亿个宇宙、星系和我们每个人的“副本”,无法相互建立通信,我们也无法对其进行检验。但是,如果在每一个多重宇宙中都有一个我的“副本”, 并且可能有无穷多个,那么哪一个才是我现在正在经历的真正的“我”?是否存在一个优先于其他的“自我副本”?如果有一个我的“副本”青睐多重宇宙理论而其他的“副本”则反之,那么“我”又该如何知晓现实的真正本质呢?

我们认为,宇宙学家应该注意数学家希尔伯特的警告:虽然数学上确实需要无穷维度的向量来实现完备的函数系,它并不存在于物理宇宙中。



多重宇宙通过检验



我们同意理论物理学家萨宾·霍森费尔德的观点:后实证科学就是一个矛盾。量子力学和相对论之所以是正确的理论,是因为它们做出了预言并在实验检验中存活了下来。然而,从托勒密的地心说到开尔文的原子“旋涡论”,再到弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)的宇宙稳恒态理论,大量的历史教训提醒我们,在没有充足数据的情况下,即便是优美且令人信服的想法也会把科学家引入错误的方向。

过分宣扬某些理论意义的后果是沉重的——科学方法会变得岌岌可危。我们认为,宣称一个理论是如此之好,它的存在便取代了对数据和检验的需要,这一做法有误导学生和公众的风险,比如该如何做科学研究?同时还有可能为伪科学家大开便利之门。


怎么办?物理学家、哲学家和其他科学家应该在当今物理学的框架下制定一个与其相适应的对科学方法的释义。在我们看来,这个议题可以归结为澄清一个问题:什么样的潜在观测或实验证据能够令你相信某个理论是错误的并使得你放弃它?如果没有,那它就不是一个科学理论。

这必须在正式的哲学术语下来描述。作为最初的步骤,未来应该召开一个会议,有关可检验性辩论的双方都必须参加。

与此同时,期刊编辑和出版商可以根据其潜在的可检验性把这些工作归入其他研究范畴,例如数学,而不是物理宇宙学。一些物理学院系和研究所被这些研究一统天下的局面也需要重新思考。

科学的赞许应该只授予可检验的理论。只有这样,我们才能捍卫科学免受攻击。




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