多宇宙之爭_風聞
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隨着當代宇宙學的發展，圍繞多宇宙還是單宇宙的爭論已經從最初的哲學爭論演變為一場科學爭論。支持多宇宙的科學家們描繪了各自形態各異的多宇宙圖景，並給出了多宇宙何以可能的證據，而反對者則針對多宇宙的存在提出了質疑。
撰文 | 張丁澍 （碩士生）、趙丹（副教授，山西大學科學技術哲學研究中心）
隨着20世紀以來科學的發展，多宇宙逐步獲得了量子理論和絃理論等科學理論的支持。支持多宇宙者如温伯格 (S. Weinberg) 認為，多宇宙是可以與相對論媲美的新的革命，多宇宙理論的發展甚至將改變物理學理論的合法性基礎。反對者如埃利斯 (G. Ellis) 則擔憂多宇宙是一種神話，會削弱科學合理性的標準，是危險的。
那麼，當代宇宙學中，多宇宙究竟是一種什麼樣的存在形態？物理學家們又為何存在如此大的分歧？
多宇宙的不同形態
宇宙學家們基於宇宙學的理論與觀察證據建構了形態各異的多宇宙圖景。其中，有在空間上同時存在的多個平行宇宙，有從時間上展開的多個宇宙序列，還包括數學上的多宇宙。
泡沫宇宙
空間多宇宙，典型如維倫金 (A. Vilenkin) 和林德 (A. Linde) 的“泡沫宇宙” (bubble universes) 。1980年，古斯 (A. Guth) 等人提出暴脹理論 (inflation theory) ，指出宇宙在大爆炸之後不到10-35秒的瞬間，經歷了一個急劇膨脹的階段，使早期宇宙膨脹為“一個巨大的、均勻的、各向同性的區域”[1]。1981年，林德修正了暴脹理論，並基於暴脹在1983年提出了“混沌暴脹” (chaotic inflation)。按照混沌暴脹學説，宇宙是“一個無盡無休、自我繁衍着的、能夠產生出眾多小宇宙的統一體，這些小宇宙的低能物理以及所處於的維度可能是彼此不同的”[2]。真空是無數的量子漲落，暴脹可能出現在任意一個漲落中，因暴脹速度不同形成了不同的泡沫。有的泡沫暴脹得慢，無法形成恆星和人類等結構；有的泡沫暴脹得太快，密度過於稀薄也無法形成恆星和行星。所有的泡沫處在一種雜亂無章的狀態之中，它們以不同的速度在時空的不同區域中暴脹。這一圖景就像是：香檳酒“嘭”地打開，瓶口源源不斷湧出大量的氣泡。倘若這是一個容量為無限大的酒瓶，宇宙泡沫便是剛開瓶的香檳酒瓶中的氣泡，我們現在生存的宇宙僅是其中之一。
維倫金的“永恆暴脹” (eternal inflation) 進一步豐富了泡沫宇宙的圖景。所謂永恆，是指雖然在某個子宇宙中暴脹結束了，但從多宇宙整體上看，暴脹會永遠持續下去。當暴脹在泡沫宇宙中的某些區域停下來時，便會逐漸演化出與我們所生存的宇宙類似的宇宙泡沫。永恆膨脹意味着多宇宙整體既無開端也無結尾，因而遭到了霍金 (S. Hawking) 等人的反對。
量子力學的多宇宙
霍金所贊成的多宇宙是量子力學的多世界解釋 (many-worlds interpretation of quantum mechanics) 意義上的，即把宇宙的歷史與觀測者聯繫起來，多宇宙產生於觀測時的世界分裂。量子力學的多世界解釋最早由埃弗雷特三世 (H. EverettⅢ) 於1957年在其博士論文中提出，用以消解量子力學中的測量問題。按照多世界解釋，測量時波函數並不發生塌縮，而是世界進行了分裂，在分裂後的每一個世界中測量結果都是確定的。世界之間互不影響，分裂後的世界中的觀測者既無法察覺到他所在的世界已經分裂了，也不可能看到另一個世界中的自己。1973年，德威特 (B. DeWitt) 與格雷厄姆 (N. Graham) 在整理埃弗雷特論文時，將“世界”一詞等同於“宇宙”，指出世界的分裂所產生的正是不同的宇宙，宇宙猶如一棵無限生長的大樹，各枝幹按照量子力學的規則不斷抽出新的枝條。區別在於前者這棵分裂的樹木缺乏樹幹，而後者中樹幹正是宇宙最初的誕生。因而多世界解釋也可以説是第一個多宇宙理論。
弦景觀
超弦理論也形成了多宇宙的圖景，不同之處在於其空間維度為九維，這是超弦理論的一致性所要求的空間維度，多餘的6個空間維度形成了卡拉比-丘空間 (Calabi-Yau space)，捲曲起來不可見。2000年，弦理論學家布索 (R. Bousso) 和波爾欽斯基 (J. Polchinski) 發現真空的數量為10100~10500，而真空的不同情狀將會導致不同的宇宙形態，從而描繪了一種多宇宙圖景。弦理論家薩斯坎德 (L. Susskind) 將這種多宇宙的情景描述為“弦景觀” (string landscape)。直觀看來，弦景觀就像一幅點彩畫：從遠處看，景觀中遍佈着平緩起伏的丘陵和山谷，不時出現高聳的山峯和幽深的峽谷；靠近觀察，便會發現它們是由無數個幾乎彼此接觸的小圓點組成的。小圓點的大小不等，不同的點具有不同的能量。升起的山丘對應着更高的能量組態，凹陷的山谷則對應着較低的能量組態。量子漲落產生的“新”組態會隨機地出現在景觀中的任意位置，如果出現山谷中，它會穩定停留其中，並自主運行着一套特殊的物理定律；如果位於山頂，或出現在山脊，或被高掛於陡崖之上，它就會滾落到相對最低點 (如距離最近的山谷)，並在進入穩定狀態之前釋放出大量的能量。這一釋放能量的滾動，便是暴脹。
弦景觀具有與永恆暴脹極為吻合的特徵，前者給予了多宇宙一個自然存在的理由，後者則為無數多個宇宙提供了一個自然過程，使它們能夠順利佔領弦景觀中每一個可能的山谷。因此我們也可以説，弦景觀從理論上進一步發展了泡沫宇宙的圖景。同時，由於弦景觀中的每一點都有其特定的物理定律，因而從多宇宙的整體來看，我們現已瞭解的物理定律，不過僅是其中的局部法則。
數學多宇宙
更為微妙的多宇宙形態是由宇宙學家泰格馬克 (M. Tegmark) 所描繪的。2003年，泰格馬克在《科學美國人》(Scientific American) 上發表論文指出關於多宇宙最為重要的是確定其層級。他將多宇宙分為4個不同的層級，其中第一級是“空間中觀測不到的遙遠區域”[6]，第二級是泡沫宇宙和絃景觀，第三級是量子力學的多宇宙 (泰格馬克認為這一級是最具爭議性的)，第四級是數學多宇宙 (mathematical multiverse)。數學多宇宙乃他的獨創，他認為這是多宇宙的最高級，囊括了其餘的多宇宙形態。“數學結構和物理實在從某種程度而言是相同的概念，數學方程式描述的每一個宇宙都是存在的。”[7]有無數多個數學結構，就有無數多個宇宙。數學多宇宙大大擴充了多宇宙的集合，把各種可能的宇宙和世界都劃歸為真實的存在。
共形循環多宇宙
在上述空間和數學多宇宙之外，還有一種時間上展開的多宇宙。彭羅斯 (R. Penrose) 在其2006年的文章《大爆炸之前：一種不同尋常的新視角及其對粒子物理學的影響》(Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics) 中提出了時間上循環的多宇宙，他稱之為“共形循環宇宙學” (conformal cyclic cosmology)。在共形循環多宇宙中，前一個宇宙的終點等價於下一個宇宙伊始時的大爆炸，二者在拓撲結構上是縫合在一起的，從而形成了一條無窮無盡的宇宙鏈。前一個宇宙的終點與下一個宇宙誕生的起點能通過“共形縮放”縫合起來的前提是，宇宙需要一個值為正的宇宙學常數，也就是需要暗能量。而我們的宇宙有暗能量，所以彭羅斯認為共形循環多宇宙是成立的。
宇宙已經經歷過無數的膨脹與收縮，未來還將經歷無數的膨脹與收縮。鏈中的每個宇宙稱為“紀元” (aeon)，我們的宇宙是循環鏈條上的一環。只有輻射、光和其他沒有質量的粒子能夠穿過共形的邊界，從一個紀元進入下一個紀元。而人類與萬千生命，可能會在新的紀元演化中再次誕生，上演在宇宙的漫長曆程中微不足道的文明的演進。
多宇宙如何得到青睞？
畢竟我們都沒有看到我們所在宇宙之外的其他宇宙，那麼多宇宙如何得到物理學家們的信賴呢?物理學家給出了下述三點理由。
首先，多宇宙理論為宇宙的微調(fine-tuning)和人擇原理 (anthropic principle) 提供了最為自然的解釋。宇宙為什麼是這樣的?1973年澳大利亞物理學家卡特 (B. Carter) 給出的回答是人擇原理。也就是説，宇宙存在微調，微調使得自然規律和物理學常數、物質的基本構成及其屬性、宇宙的膨脹率或質能密度等初始條件都適合於人類的產生，因而看起來像是人類選擇了宇宙，否則的話為什麼這些條件剛剛好就能產生人類呢？微調本身也需要解釋，而多宇宙的存在能夠自然地解釋微調。如果存在非常多個宇宙，總有一個宇宙中的物理學規律、常數和初始條件適合於生命，那麼微調就是一個自然的、概率性的過程。
多宇宙的存在能夠把人擇原理解釋為是觀察者選擇的結果，從而不需要把人類置於宇宙的中心位置。實際上，在1543年哥白尼出版《天球運行論》證明地球不是宇宙的中心、人類也不具特殊性後，哥白尼原理 (Copernican principle) 成為公認的宇宙學原理。然而，這一原理卻沒有把宇宙中生命的罕見性考慮在內。由於科學觀測必然涉及觀察者的選擇效應，我們觀察到的宇宙必須與觀察者的存在相一致。至少就人類而言，觀察者意味着生命。顯然，我們不可能在一個不允許生命出現和進化的地方觀察宇宙。
其次，多宇宙的支持者們認為它是建立在暴脹理論和量子場論兩大理論之上的邏輯推論，由於這兩大理論有着堅實的證據支持，因而多宇宙也是成立的。威爾金森微波各向異性探測器 (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP) 與普朗克衞星 (Planck) 等觀測結果表明，宇宙微波背景輻射中存在與密度漲落相關的微小温度波動，這些場波動與暴脹理論預測的超視界波動是一致的。且暴脹模型關於“宇宙在熱大爆炸開始時的初始温度必須比普朗克温度低幾個數量級”[9]的預測也得到了驗證。
暴脹和我們所瞭解的其他所有場一樣，本質上也是一個量子場，這意味着它的許多屬性並非完全是確定的，而是呈概率分佈。因此，在暴脹模型中，“滾動着的量子概率波函數處於一對競爭中”[10]，一方面是波函數本身的滾動速度，另一方面是波函數向外傳播的速度。如果滾動速度快於傳播速度，暴脹可以在任何地方立即結束，並且只有一個宇宙；但如果傳播速度比滾動速度快，那麼代表着傳播速度的“漣漪”將從代表着暴脹場的平坦平台上“掉下來”，在這些區域中就會發生熱大爆炸。隨着時間的推移，越來越多的區域結束暴脹，接着開始熱大爆炸，最終形成宇宙。這些區域將被永恆膨脹的空間隔開，從而失去因果聯繫，成為各自獨立的宇宙。故而，如果暴脹和量子場論都是正確的，那麼多宇宙即是兩者結合的必然結果。
最後，從物理學發展史來看，多宇宙理論無疑是物理學家和宇宙學家為實現大統一所做的再一次嘗試。1990年代，物理學家們在經歷標準模型框架下利用對稱性和動力學推導宇宙學常數等相關參數值的失敗後，“開始懷疑宇宙之中有更深層次的東西在起作用”[11]。2000年前後，弦理論發現可能存在着巨量對稱性破缺的真空，宇宙學常數在其中取值範圍很廣，可以為正，也可以為負。倘若多宇宙確實存在，那麼我們目前所生存的宇宙就將成為其中一個重要樣本，進而為解釋我們實際觀察到的宇宙學常數值奠定基礎。迄今為止，宇宙學已經歷了從地心説到日心説、從銀河系中心主義到宇宙中心主義的發展過程，“我們研究宇宙的時間越長，宇宙就變得越大”[12]。從這一意義講，多宇宙理論可以被看作是人類為探索宇宙圖景而邁出的又一步。
多宇宙是科學嗎？
儘管支持者們提出了各種各樣相信多宇宙的理由，但反對者們卻直擊其不可檢驗性，對多宇宙提出了質疑。2014年，宇宙學家埃利斯和西爾克 (J. Silk) 在《自然》(Nature) 雜誌上的一篇文章中，對以多宇宙為代表的當代物理學中的某些理論發出了警告，指出這些理論是不可證偽的，如果理論物理學的發展偏離可證偽性這一科學的合理性，將會使得科學本身的可信度受到威脅，進而損害科學的公眾信譽。他們認為，從宇宙學和粒子物理學的角度來看，多宇宙的存在僅僅是一種推測，且這一推測目前是無法驗證的。天文學家可能永遠無法用望遠鏡觀察到其他宇宙，粒子物理學家也無法用加速器觀察到額外的維度。因為在多宇宙中，宇宙之間是不存在因果關聯的。故而，多宇宙“只能是一種形而上學的假設”[13]，它不能也無法成為科學。如果它僅僅是一個哲學問題，那麼科學家就應該放棄對它的研究。
反對的物理學家們基於對暴脹理論本身性質的思考，質疑了由其得出的多宇宙推論。他們認為，暴脹並不是一個嚴格的、定型的理論，在出現新的數據時，該理論總是可以進行適當的調整以適應新的證據。因此，即使在某些觀測證據上支持暴脹，也不意味着暴脹理論在所有方面都是毫無疑問的。另外，關於是什麼物理場推動了暴脹，關於暴脹粒子的描述也都沒有定論，暴脹理論本身也存在多個不同的版本……這些問題的存在，使得基於暴脹推論得出的多宇宙也是可疑的。
質疑遠不止於此，更有人宣稱，多宇宙像是一種神話。戴維斯 (P. Davies) 直言，多宇宙僅僅是披上了科學外衣的有神論，“實際上是一個偽裝的上帝”[14]。在戴維斯看來，多宇宙模型像是在説“存在一個宇宙設計師或選擇者，他明智地從無限的宇宙購物清單中挑選出一個真實的宇宙”[14]。多宇宙在本體論上的無限擴張不僅與“奧卡姆剃刀”原則背道而馳，並且它與有神論一樣，都訴諸一個無限的未知系統，需要預設無限的信息，以解釋我們所能觀察到的有限宇宙。二者雖然使用了不同的術語，但本質是相同的，因而多宇宙無異於有神論，多宇宙的存在及其論證最多隻是一種宗教信仰，而非科學論證。
多宇宙存在與否的爭論愈演愈烈。英國皇家學會主席里斯 (M. Rees) 直言，他對多宇宙有足夠的信心，並願意用自家狗的性命打賭。泡沫宇宙的創始人林德甚至為這個賭注加碼，他説：“我用自己的命來賭。”而相對保守的物理學家和宇宙學家則更傾向於維持宇宙中心論的觀點，即我們目前所生存的宇宙是唯一的宇宙。
正如我們所認識到的“宇宙”始終隨着科學的發展不斷深化，關於多宇宙的存在也不應急於下定論，而應當保持開放的心態。
[本文相關研究受教育部人文社會科學研究一般項目“量子引力理論中的形而上學問題研究”(22YJA720013)資助。]
參考文獻
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[6]邁克斯·泰格馬克. 穿越平行世界. 汪婕舒, 譯. 杭州: 浙江人民出版社, 2017: 355.
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[9]Frank A, Siegel E. Is the multiverse real: Two astrophysicists debate. (2022-02-24)[2023-12-03]. https://bigthink.com/13-8/is-the-multiverse-real.
[10]Siegel E. Starts with a bang: This is why physicists suspect the multiverse very likely exists. (2021-12-30)[2023-12-06]. https://bigthink.com/starts-with-a-bang/physicists-multiverse-exists.
[11]Wilczek F. Enlightenment, knowledge, ignorance, temptation// Carr B (Ed.). Universe or multiverse?. Cambridge: Cambridge University Press, 2007: 43-54.
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[13]Ellis G, Silk J. Scientific method: Defend the integrity of physics. Nature, 2014, 516(7531): 321-323.
[14]Davies P. Multiverse cosmological models. Modern Physics Letters A, 2004, 19(10): 727-743.
本文經授權轉載自微信公眾號“科學雜誌1915”，刊載於2024年第76卷第2期《科學》雜誌（P21-P25）。
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