科学家尝试绘制多元宇宙图

本文最初发表于我们 2023 年 3 月/4 月刊。 点击此处订阅阅读更多类似文章。

如果你住在这个星球上——并且你达到了一定年龄——你很有可能看过经典的《星际迷航》剧集“镜像宇宙”，在其中柯克船长和企业号的几名船员发现自己置身于一个看似平行宇宙的地方。

当他们在一次离子风暴中试图从一个星球传送上来时，麻烦就开始了。出了点问题。他们出现在企业号上，但一切都偏离了：船员们以纳粹式的敬礼向船长致敬，而大副斯波克则留着山羊胡。观察到这些细微但重要的差异，柯克推测船员们已经物质化到了“一个与我们共存的另一个维度平面的平行宇宙中”。

如今，一个平行宇宙对科幻小说来说已远远不够。相反，似乎整个多元宇宙正在迎来它的好莱坞时刻。《奇异博士：疯狂多元宇宙》和《瞬息全宇宙》等电影以各种角色的多个版本和令人眼花缭乱的另类现实吸引着观众。尽管这些电影在物理学方面不尽如人意，但它们确实捕捉到了某种东西。多元宇宙的概念——我们宇宙只是众多宇宙之一的挑衅性想法——已经完全巩固了其在主流流行文化中的地位。（或者，至少在漫威电影宇宙的当前阶段是这样。）它作为叙事工具的吸引力是显而易见的。就像时间旅行让马蒂·麦克弗莱在《回到未来》系列中体验不同的时间线一样，多元宇宙故事让角色能够探索与我们自己的世界有着不同相似程度的众多世界，以及自身的不同版本。

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虽然好莱坞对多元宇宙似乎乐此不疲，但它在科学家中仍然争议颇大。问一位知名物理学家是否相信我们宇宙之外存在多个宇宙，你会得到一个响亮的肯定或一个强烈的否定，这取决于你遇到的人。双方的支持者在他们的书籍、博客以及推特上对彼此毫不留情。但物理学家们并非凭空捏造出这个想法——相反，几个不同的推理线索似乎指向了多元宇宙的存在，从而增强了该想法的价值。法兰克福高等研究院的理论物理学家Sabine Hossenfelder称多元宇宙是“物理学中最具争议的想法”。

关于不可见宇宙存在的争论可能听起来相当不切实际。毕竟，我们永远无法访问——甚至无法探测到——的世界，怎么可能影响任何人的生活呢？但利害关系比看起来要高：批评者警告说，使多元宇宙合法化可能会使公众更难区分科学与推测，从而更难避免伪科学。（如果科学家们无法就存在多少个宇宙达成一致，公众又如何能确定在气候变化或疫苗的有效性方面存在共识呢？）物理学家乔治·埃利斯和乔·西尔克在2014年《自然》杂志上撰文，将关于多元宇宙的争论描述为“一场争夺物理学核心和灵魂的战斗”。

演进中的模型

哲学家们至少从古希腊时期就开始思考多重世界。但直到20世纪，天文学家和物理学家才开始用我们今天使用的术语讨论多重宇宙。在20世纪20年代，天文学家发现遥远的星系正在相互远离，这意味着宇宙本身正在膨胀。如果你将我们宇宙历史的记录倒放，星系将会相互冲撞。不可避免的结论是，在遥远的过去，宇宙要小得多，密度也大得多，温度也高得多。这一发现催生了大爆炸宇宙学模型，该模型描述了宇宙在过去138亿年里如何从一个超密炽热的火球演变为我们今天所知的巨大而广阔的宇宙。

怀疑可能存在多元宇宙的第一条路径出现在科学家们发现原始大爆炸模型存在问题时。今天的宇宙高度结构化。物质聚集在一起形成了恒星、行星和星系，而这些物体之间的空间几乎是空的。然而，根据大爆炸模型，非常早期的宇宙被认为是极其均匀的，每个部分都和其它部分一样热和密，就像一杯彻底搅拌过的热巧克力。

那么，今天这种块状、有结构的宇宙是如何形成的呢？在20世纪70年代和80年代，以艾伦·古斯、安德烈·林德和阿列克谢·斯塔罗宾斯基为首的少数物理学家提出了一种大爆炸的修改版本，称为暴胀理论。在暴胀模型中，一小块时空经历了一次惊人的（尽管短暂的）增长，持续时间不超过万亿分之一秒的万亿分之一。这种指数级膨胀放大了宇宙中物质分布的微小变化。随着时间的推移，这些变化演变成了现在点缀在宇宙中的星系和星系团，其中包含了无数的恒星和行星。

但是，如果暴胀能够使一小块时空膨胀，为什么不能使许多块时空膨胀呢？为什么暴胀不应该持续发生，不断创造新的宇宙呢？似乎没有任何方法能够限制暴胀，使其只产生一个宇宙——于是，“永恒暴胀”的概念应运而生，随之而来的是多重宇宙的设想。在这种观点下，微小的口袋宇宙——史蒂芬·霍金更喜欢用“婴儿宇宙”这个词——不断涌现，新宇宙的数量无休止地增加。（在“镜像宇宙”的语境下，我们可能会想象一个斯波克留着络腮胡或莫霍克发型的宇宙，以及无限数量的其他场景。）

一些物理学家欢迎这种多重宇宙的存在。在他的讲义中，永恒暴胀最伟大的倡导者之一林德，将这些宇宙描绘成一个个彩色的小球，像一锅沸腾的起泡水一样，不断冒出并创造出新的泡泡。他曾公开表示，他会用生命打赌多元宇宙是真实的。

其他人则更为谨慎。加州大学戴维斯分校的理论物理学家安德烈亚斯·阿尔布雷希特，与普林斯顿大学理论物理学家保罗·斯坦哈特一同将暴胀理论塑造成现代形式，他认为永恒暴胀令人不安。这种不安源于无限本身的概念。

当然，对于在黑板上写方程的数学家来说，无限不是问题。但物理学家努力描述真实世界，在这个世界中，没有人会遇到无限数量的任何东西，更不用说宇宙了。“归根结底，我的物理学直觉让我远离永恒暴胀，”阿尔布雷希特说。

斯坦哈特指出了永恒暴胀的另一个缺点：该理论没有说明任何一个特定宇宙会是什么样子。“问题是，现在你有一个不做任何预测的理论，”他说，“对于你能想象的任何属性，该属性的对立面也会出现，次数无限。”霍森菲尔德同样持怀疑态度：“在永恒暴胀中，他们说有所有这些宇宙不断涌现。我就想，嗯，它们在哪里涌现？当然，没有人看到任何东西涌现；它只是存在于数学中。”

在20世纪80年代到90年代初，即使暴胀理论作为早期宇宙的首选模型地位逐渐巩固，永恒暴胀的理念也仍然只是一场配角戏。大多数物理学家并没有过多地担心那些（所谓的）额外宇宙。眼不见心不烦，差不多就是这个意思。

然而，与此同时，另一个来自物理学前沿的观念正在酝酿——它似乎为多宇宙思想提供了支持。这种新方法源于弦理论，即宇宙由微小的振动弦组成，比我们用最好的显微镜所能看到的，甚至用我们最强大的粒子加速器所能探测到的任何东西都要小得多。

弦理论的方程允许有多种解，物理学家们认为，每种解都对应着一个不同的宇宙。因此，就像永恒暴胀一样，弦理论似乎也允许存在一个惊人庞大的宇宙阵列。斯坦福大学物理学家伦纳德·萨斯坎德将由此产生的图景描述为“宇宙景观”，这似乎与永恒暴胀所给出的多元宇宙遥相呼应。事实上，许多物理学家相信这两个概念密切相关。“你无法将它们分开，”约翰霍普金斯大学理论物理学家肖恩·卡罗尔说。“一个理论是说，存在物理定律不同的区域是可能的；这就是弦理论景观所说的。暴胀理论则说，‘它们会变成现实。’”

可测量的预测

多元宇宙争议根植于可测试性概念。如果S我们无法与这些其他宇宙互动，也无法以任何方式探测它们，一些专家坚持认为这会将它们归结为纯粹的哲学推测。但多元宇宙的支持者则有不同的看法：他们认为，即使我们无法对其进行探究或一瞥其众多宇宙，也有充分的理由相信多元宇宙的存在。

阿尔布雷希特，像许多物理学家一样，从未对永恒暴胀或弦理论所暗示的多元宇宙版本感到满意。尽管如此，他发现自己被另一种多元宇宙所吸引——即量子力学“多世界”解释所提供的多元宇宙。

首先，量子力学基础知识回顾：量子力学建立在波函数的概念之上，波函数是一种数学公式，用于预测粒子在某一特定时刻的位置或运动方式。

波函数随时间演化；这种演化受薛定谔方程支配，大致类似于牛顿方程F = ma（力等于质量乘以加速度）。牛顿物理学决定了投掷棒球的路径，而薛定谔方程预测了量子系统的未来状态。问题在于，在我们测量量子系统之前，我们无法知道它处于什么状态。在测量之前，它甚至可以处于叠加态；也就是说，它同时处于许多状态。听起来熟悉吗？

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为了演示这个原理，考虑一个电子。根据量子力学，电子可以以两种不同的方式旋转（在物理学中称为“向上”和“向下”）。在你观察电子之前，理论认为它的自旋是不确定的；它可以同时处于向上和向下两种状态。但是当你实际测量电子的自旋时，波函数“坍缩”，叠加态消失了；你只剩下其中一种自旋。这种观点被称为量子力学的哥本哈根解释，以其最初倡导者尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡工作所在的城市命名。

有些人，比如埃尔温·薛定谔，担心量子效应会扩大并影响日常生活——他著名的“活猫死猫”就是典型的例子。标准观点是，如果你能以某种方式让一只猫保持在叠加态（目前的观点认为这会极其困难），那么当被观察时，猫的波函数会像电子一样坍缩。

一些物理学家认为哥本哈根解释并不令人满意。为什么测量会导致波函数坍缩，以及究竟什么才算作测量呢？一些思想家提出，也许波函数根本不会坍缩。相反，当我们进行测量时，宇宙会分裂或分支，为每一种可能的结果创造一个全新的宇宙。（一些专家警告说这种措辞过于简化，但为了我们的目的，它足够了。）当我们观察那个电子时，宇宙分裂成两个，一个宇宙包含一个向上自旋的电子，另一个宇宙包含一个向下自旋的电子。薛定谔的猫也同样被驯服了：在一个宇宙中，猫活着；在另一个宇宙中，它死了。这些宇宙也包含你独特的副本——或者，在《瞬息全宇宙》中，是宇宙旅行者伊芙琳·王（Evelyn Wang）的独特副本。

量子力学的这种多世界观最早由物理学家休·埃弗里特在20世纪50年代提出，并在随后的几十年里逐渐获得了追随者。阿尔布雷希特就是其中之一；他认为这个想法很优雅。对他来说，哥本哈根的概念，带着其神秘而模糊的“测量”诉求，显得笨拙而不实用。此外，量子力学是有效的；它不仅仅是黑板上的方程，还有激光、半导体、原子钟和核磁共振扫描仪等实际技术来证明。卡罗尔也是埃弗里特模型的热心支持者，他在2019年的著作《深藏不露》（Something Deeply Hidden）中为该理论辩护，他在书中称该理论中一系列看不见的宇宙“无可争议地真实存在”。

麻省理工学院物理学家马克斯·泰格马克在他的2014年著作《我们的数学宇宙》中阐述了多世界模型。泰格马克说他经常思考自己在那些其他世界中的其他副本：“我感到与平行的马克斯们有着强烈的亲缘关系，即使我从未见过他们，”他写道，“他们分享我的价值观、我的感受、我的记忆——他们比兄弟更亲近我。”

然而，对于霍森菲尔德来说，那些平行世界中的马克斯们只是虚构，正如关于多元宇宙的大多数推测一样。在她看来，问题在于我们对这些方程式过于认真，这一观点她在2018年的著作《迷失在数学中》中有详细阐述。霍森菲尔德采取了工具主义的观点，这是一种哲学立场，认为我们只有当一个理论能带来可验证、可测量的预测时，才应该认真对待它。在这种观点下，埃弗里特的理论为量子力学提供了一种特殊的数学方法，但并没有说明外面真实存在着什么。在霍森菲尔德看来，阿尔布雷希特和卡罗尔犯了一个错误，他们认为理论背后的数学是真实的。

卡罗尔对此强烈反对。他援引伽利略的话说，数学是我们用来描述物理理论的语言；它不是什么额外添加的成分。“没有人看着F=ma然后说，‘哦，那是数学，我不相信它，我还是坚持物理学吧，’”卡罗尔说。对他来说，牛顿的方程显然是物理学，薛定谔的方程也是。如果薛定谔的方程预测了多世界存在，那就这样吧。如果我们认真对待牛顿，我们也应该认真对待薛定谔。

大多数物理学家认为埃弗里特的多世界与永恒暴胀或弦理论的景观版本所提出的多世界有着根本区别。（尽管少数理论家，包括萨斯坎德和泰格马克，推测它们可能相关。）即便如此，几种途径似乎都指向多元宇宙这一事实表明，这个想法值得如此严谨的审视。“是否存在多元宇宙，并不取决于任何一个理论是对是错，”资深科普作家汤姆·西格弗里德说，他在2019年的著作《众天之数》（The Number of the Heavens）中探讨了多元宇宙思想的历史。“可能存在多元宇宙的不同方式，我们不知道其中任何一种是否正确。但我们有理由认真对待其中一些想法。”

在霍森菲尔德看来，拥有一篮子投机理论并不比只有一个好。无论哪种情况，我们都被要求相信我们永远无法看到或以任何方式研究的宇宙的存在。“我不是说它是错的，”她说，“我只是说它不再是科学了。”

相互竞争的解释

这场争议听起来可能只是一小群物理学家之间的无害内斗。但在他们2014年发表在《自然》杂志上的文章中，埃利斯和西尔克认为，如果物理学家不小心区分投机理论和既定事实，公众可能会被误导。给予这种推测以信任可能会“为伪科学家声称他们的想法满足类似要求打开大门。”

或者，正如哥伦比亚大学物理学家彼得·沃伊特在他的博客上所写，那些支持多元宇宙理论的人冒着“将基础物理学变成伪科学”的风险。对于诺贝尔奖获得者物理学家戴维·格罗斯来说，援引不可见的宇宙来解释我们实际看到的宇宙的性质，有点像援引上帝。他曾说这“带有宗教和智能设计的味道”。

当科学家们努力在对他们所观察到的现象的相互竞争的解释中做出选择时，一个幽灵经常出现在城墙上——在这种情况下，不是哈姆雷特国王的幽灵，而是奥卡姆的幽灵。这位14世纪的英国教士和哲学家以奥卡姆剃刀原理而闻名，该原理认为简单的解释优于复杂的解释。从表面上看，奥卡姆的方法似乎会以多元宇宙携带过多包袱（所有那些看不见的宇宙）为由，反对多元宇宙，因为我们只体验到一个宇宙。对于许多物理学家来说，争论到此为止。如果越简单越好，为什么不坚持我们实际看到的宇宙呢？

不过，西格弗里德解释说，奥卡姆并非仅仅说越简单越好。相反，奥卡姆认为，在设计解释时，最好使用最少的原理，即使它们导致复杂的结果。（例如，天体物理学预测有数十亿颗行星围绕数十亿颗恒星运行，这并非其缺点。）不仅如此，奥卡姆实际上是多元宇宙的支持者。“奥卡姆本人就是多元宇宙最大的倡导者，”西格弗里德说。“他曾强烈反对亚里士多德所有关于存在多个宇宙的异议。所以，人们用奥卡姆剃刀来反对多元宇宙，这有点讽刺。”

在电影《蜘蛛侠：英雄无归》中，有一个有趣的场景，由汤姆·赫兰德饰演的当今蜘蛛侠遇到了由安德鲁·加菲尔德和托比·马奎尔饰演的来自早期电影的平行宇宙版本。这当然是纯粹的虚构。我们没有机会真正看到永恒暴胀、弦理论或量子力学的多世界版本所描述的宇宙。这也排除了我们遇到另一个自我的可能性。关于多元宇宙的争论同样不太可能很快结束。

但西格弗里德认为，历史表明了风向：曾几何时，我们所知的唯一星系是银河系；现在我们知道宇宙中散布着数十亿个其他星系。对宇宙本身更广阔的视野会是下一个突破吗？正如西格弗里德所说：“过去每一次我们认为‘我们明白了；这就是整个宇宙’——那些说‘也许不止一个’的人总是被证明是对的。”

Dan Falk （@danfalk）是多伦多的一名科学记者。他的著作包括《莎士比亚的科学》和《寻找时间》。

多元宇宙的多种形式

并非只有一个理论认为我们生活在多元宇宙中。事实上，物理学家们发现，粒子物理学和宇宙学中的几个不同想法似乎都指向了我们宇宙之外的宇宙存在。

永恒暴胀：这种多元宇宙模型呈现了一个小“口袋宇宙”不断涌现的世界。它源于宇宙暴胀的设想，该设想认为宇宙在大爆炸的最初时刻经历了一次巨大的增长。这些口袋宇宙就像我们自己的宇宙一样成长，现在可能包含像我们这样的恒星、行星和星系。

弦理论：在这个理论中，我们的宇宙被描述为由微小的、振动的弦组成，这些弦太小而无法探测。弦理论的方程有数十亿万亿个解；一些物理学家认为这导致了一个不同的宇宙“景观”。这个想法可能与永恒暴胀密切相关。

多世界理论：多世界理论是为了解释量子力学的一个关键方面，它认为每当进行量子测量时，宇宙就会分裂。这导致了一个不断增长的、分支的多元宇宙。该模型表明，这个多元宇宙也包含多个你的副本。

银幕上的多元宇宙

本尼迪克特·康伯巴奇饰演的奇异博士，在宇宙间穿梭自如。温和的洗衣店老板伊芙琳·王（杨紫琼饰）与来自多元宇宙各个分支的内心恶魔搏斗。汤姆·赫兰德饰演的彼得·帕克与来自之前电影的多个版本角色一同旋转。

从《奇异博士：疯狂多元宇宙》和《蜘蛛侠：英雄无归》到《瞬息全宇宙》，如今的电影中充满着平行宇宙。但编剧和电影制作人探索这个主题已近百年。在银幕上，其中一些故事暗指物理学；通常，平行宇宙只是被想象出来，只在角色的头脑中上演。但这些故事都利用了多元宇宙所提供的一切——无数次想象如果事情发展不同会发生（或应该发生）什么的机会。

以下是众多玩转多重宇宙概念的电影中的一小部分，它们都值得你花时间观看

《生活多美好》（1946年）：在这部圣诞经典中，乔治·贝利考虑自杀，他对守护天使克拉伦斯·奥德博迪说，他希望自己从未出生。但奥德博迪向贝利展示了一个他确实从未活过的替代宇宙——而且情况糟糕得多。最后（75年后的剧透警告），贝利请求回到他原来的生活。

《罗拉快跑》和《滑动门》（均于1998年上映）：这两部电影中，中心人物根据某一特定时刻的发展，体验了多条时间线。在《罗拉快跑》中，一切都取决于罗拉（弗兰卡·波滕特饰）从公寓楼梯上跑下来时发生的事情。在《滑动门》中，时间线则取决于海伦·奎利（格温妮丝·帕特洛饰）是否能在车门关闭前登上伦敦地铁列车。

《宇宙追缉令》（2001）：在这部李连杰动作片中，多元宇宙占据了突出位置，一名叛逃特工穿梭于平行宇宙中，试图杀死自己的其他版本。

《彗星来的那一夜》（2013）：一群朋友的聚会因一颗路过的彗星将现实一分为二而变得混乱。他们唯一的生存希望是找到他们在多元宇宙中的分身。

《奇异博士》（2016）：这部电影讲述了奇异博士的起源故事——至少对现代物理学有所提及。在某个时刻，古一（蒂尔达·斯文顿饰）对奇异博士（本尼迪克特·康伯巴奇饰）说：“这个宇宙只是无限多个宇宙中的一个。世界无尽……奇异博士，在这个浩瀚的多元宇宙中，你是谁？”

《蜘蛛侠：平行宇宙》（2018）：这部关于蜘蛛侠的多维作品中，有来自多个地球的多个蜘蛛侠——包括一个会说话的卡通猪版超级英雄。2019年，它获得了奥斯卡最佳动画长片奖。