真的存在平行宇宙吗?(下)
2019-12-13 14:41

真的存在平行宇宙吗?(下)

本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:鲁超,头图来源:unsplash


上期传送门:真的存在“平行宇宙”吗?(上)


前面提到,惠勒虽然一直和“多宇宙”保持距离,却指出了“多宇宙“的关键所在。早在艾弗雷特提交自己的博士论文的时候,惠勒就指出:“分裂”最好换成其他词。但后来由于大家口口相传,惠勒的提醒就此被遗忘了。


惠勒明显站在了更高的高度,他说并不是一个宇宙分裂成更多的的宇宙,而是这些子宇宙共同组成了一个“总宙”(Multiverse),可以认为总宙比子宇宙处于一个更高维的希尔伯特空间。就像我们的三维空间由无数平行的二维平面组成,总宙就是由无数平行的子宇宙组成,每一个子宇宙是总宙的一个切面(也许用切体、切时空更好)。我们可以用一个波函数来描述整个总宙的状态,这个波函数当然可以用薛定谔方程来描述,但这个方程不一定有一个解,比如双缝干涉,就有两个解,每个解投影到一个子宇宙。


按照这样的说法,就不是宇宙在不断“分裂”了,而是总宙在不断进行着演化。


一种“多宇宙”的艺术想象图(图片来源:google)


多宇宙理论的最大危机


我们可以用阿尔法狗下围棋来理解“总宙”的演化。


首先我们要理解,在阿尔法狗的“芯”里,没有棋盘上美妙的艺术棋型,也没有“野狐之魅”、“烂柯”等美丽的神话传说。它的“芯”里,只有一个问题:就是尽自己所能找出棋盘上的最优解。


(图片来源:google)


当它准备落下第一步黑棋时,它似乎有361个选择,当然我们必须考虑棋盘的对称性,因此它实际上只有55个选择,也就是说棋局“分裂”为55种可能性。如果第一步并没有落在任一对称轴上,第二步白棋将有360种走法,也就是说棋局又“分裂”为360种可能性。以此类推……


懂了没?棋盘上的所有变化就是阿尔法狗“芯”里的“总宙”,每一盘棋局就是其中的一个子宇宙。每下一步,棋盘“总宙”就以可能走的变化发生“分裂”或继续“演化”。棋盘太小,只争目数。相比之下,我们所在的宇宙则是一个巨大的存在,按照多宇宙理论,每时每刻都在发生着量子事件,也就是说,我们的宇宙每分每秒都在进行迅速“分裂”或者“演化”,子宇宙的数目是我们想象不到的巨大数字。


阿尔法狗的多层人工神经网络“深度学习”方法。(图片来源:google)


我们至少可以想象,如果多宇宙理论成立,在其他宇宙里也存在过同样的“我”(也许应该用“他”)吗?那些“我”(或者“他”)还活着吗?他们(或者“我们”)是比我过得更好?


至于为什么会有很多的“他”,是因为在我的历史里发生了太多的偶然事件(量子事件),它们经过各种“薛定谔的猫”过程从微观放大到宏观,让我们所处的宏观宇宙“分裂”。在某些宇宙里,我们可能早已因为一些莫名其妙的原因而离开人世;还有一些宇宙里,我们可能因买了彩票而中奖,成为亿万富翁;我们也许正和自己的前女友在另一个宇宙里卿卿我我,有情人终成眷属……


我们至少可以得到一个结论,我们之所以是现在的自己,都是极其偶然的结果。


在不断“分裂”的宇宙里,我们将和梦中女神过着什么样的生活?(图片来源:google)


人是不满足的动物,如果存在平行宇宙,人就会想,在另一个平行宇宙里,我会不会过得更好?


著名科幻影片《蝴蝶效应》就展示了平行宇宙和蝴蝶效应交互作用的奇幻之处,在影片中,主角总是不满足于当下,于是想着改变过去。而每改变一次导致他存在于另一个平行宇宙,可惜总是事与愿违,由于蝴蝶效应的存在,本来的好意到最后却产出了恶果。最终,心力交瘁的主角回到妈妈肚子里自杀,这个悲剧的结尾让人扼腕长叹。


(图片来源:《蝴蝶效应》宣传广告)


我们还可以推想,既然存在天文数字的平行宇宙,那么在存在着无数个“我”的多宇宙里,可能有一些“我”更加落魄,也有些“我”则混得更好。比如某一次考试,本宇宙的“我”考了90分,而有些宇宙的“我”则瞎猫碰到死耗子,考了个满分,另一些“我”则倒了大霉,考了不及格。


继续联想下去,在某些宇宙里,“我”已经实现了当时的梦想,功成名就,位高权重也未可知。本宇宙的我多么想拥有那种体验啊!这就好比,如果人生好比一场游戏,可以save and load该多好,我总能S&L到一个最好的结果。说到这里,游戏里通过S&L而出现的不同存档不就是一种多宇宙的理解吗?比如影片《彗星来的那一夜》中的女主角,去到平行空间的另一个“她”的家,发现另一个“她”过得更好,于是将另一个“她”打晕,伪装成另一个“她”。


影片《彗星来的那一夜》(图片来源:影片宣传广告)


在宇宙年龄面前,人生百年不过沧海一粟。如果把我们的视野放大到宇宙尺度,那会发现一个神奇的问题。按照多宇宙理论,从137亿年前宇宙大爆炸开始,我们整个宇宙早已 “分裂”或“演化”成天文数字的子宇宙。可以想象,在大部分宇宙里,可能根本不会有“我”,甚至连太阳系、银河系都没有。


所以, “总宙”本身就是随机的,天文数字的“子宇宙”就是随机的结果,我们处于哪一个子宇宙里本身就是“总宙”演化的结果。这就导致一个更加恐怖的推论:如果我们要问我们的宇宙为什么是这个样子,那是因为如果宇宙不是这个样子,你就根本不会在这里问这个弱智问题。这就是“人择原理”!


好了,多宇宙刚诞生出来的时候,显而易见的优点是它摈弃了“观察者”,让世界从哥本哈根的“唯心”回归唯物,然而经过我们的推论,却发现这竟然能会导致更加 “唯心”的人择原理。多宇宙理论至此遇到了它的最大危机:说来说去,平行宇宙之间没有任何关系,也就无法验证,这还能是科学的东西吗?至于人择原理,这已经不是科学,而是哲学,甚至是神学了!


从宇宙的诞生,到基本粒子的形成,再到星系、恒星的形成,而地球又恰好处于宜居带上,而人类又恰好生活在如此舒适的生物圈内,这一切是否都太巧合了?(图片来源:google)


要知道,现代科学兴起的起点之一,就是哥白尼的日心说取代了之前托勒密的地心说。从此,人类的家园在宇宙中再也不是一个特殊的位置,我们意识到了自己在宇宙中的“平庸”。在这之后,人类逐步认识到太阳、银河甚至本星系团也不过是浩瀚宇宙中不能再平常的一员。在这个基础上,人们总结出了“哥白尼原则”:人类在观测宇宙时并非处于一个特殊地位。这也叫做“平庸原则”!


现在,“人择原理”竟然告诉我们,不要提我们的地球、太阳系了,我们所处于的宇宙都可以说是为我们每一个人精心设计的,这是属于我们每一个人的宇宙!这怎能让自认为理性的人信服呢?


我们在宇宙中如此平庸,蜗居在如此偏远的角落上,“人择原理”却告诉我们宇宙的一切都是为我们精心准备的……(图片来源:google)


多宇宙理论可以被验证吗?


分裂也好,演化也好。多宇宙毕竟上升到宇宙级别,孰是孰非难以验证,总不能把宇宙放到烧瓶里蒸煮一番看看它的性质,也不能把宇宙重启几次,测试一下实验的可验证性。难道多宇宙只能作为一个思想实验,成为人们口中的谈资吗?


宇宙能像这样放到瓶子里做实验吗?(图片来源:Chemx)


艾弗雷特的多宇宙有两个死忠粉,一个是麻省理工学院的泰格马克教授,另一个是惠勒的学生多伊奇。我们先说泰格马克,此君几乎活跃在理论物理所有的最前沿,而且经常抛头露面,活跃于各种科普科幻媒体。


麻省理工学院的泰格马克教授(图片来源:wiki)


1998年,泰格马克在论文中提到了一个“真人版”的薛定谔的猫——量子自杀实验。(注意:本文是科普帖,绝不希望大家follow泰格马克的恐怖思想实验。)


如果有一位勇士愿意为科学献身,跳入箱子换回那只猫,并且将毒药换成手枪,只要原子衰变,手枪就砰的一声送他上西天。问题来了,根据多宇宙,在一个宇宙中,主角死掉了,而在另一个宇宙中他还活着。那么,从这个人的视角来看,死掉的那个宇宙对他已经没有意义了,他还会继续活在另一个宇宙。也就是说,这个人本不会死。这就是“量子自杀”思想实验。


多次量子自杀将导致量子永生(图片来源:wiki)


量子自杀实验把人作为观察者上升到了一个新的高度,把自己关进了“薛定谔的猫”的箱子里,用生命做赌注,去验证多宇宙理论。这这个黑箱里,自己既是观察者,又是被观察者,这会产生什么样的结果呢?


如果这个人觉得“量子自杀”挺有意思的,还想继续玩下去,虽然枪声“咔咔”猛响,在这个人的宇宙里,放出的都是空枪,他会一直死不掉。


让我们继续开大脑洞,主角完全可以换一种更为“常见”的自杀方式,比如用刀抹脖子,由于刀和脖子也由一团符合薛定谔方程的原子组成,它也有极小的几率发生隧道效应,互相穿越。这听起来好像天方夜谭,但是按照量子力学的基本原理,这确实有可能发生,只是几率很小而已。也就是说,存在太多的子宇宙,在99.99999……%的宇宙里,主角都自杀成功了,但他仍可能在某几个宇宙里苟且偷生。


好了,根据多宇宙理论,我们可以得到一个恐怖的推论:一个人永远不可能自杀成功,这叫做“量子永生”!


“量子自杀”思想实验示意图(图片来源:wiki)


如果我们觉得光自杀太无聊了,可以设计一个更加“拜金”的实验,那就是每次自杀之前去买一次彩票,在买之前告诉自己如果不中奖就自杀,那按照这样的推论,几次之后,自己就应该成为亿万富翁了。


敢不敢这么玩:来吧,不让我发财,我就量子自杀!(图片来源:google)


量子自杀实验已经是“玩命”了,因此只能停留在思想实验的层面上,科学家还是要找到一些可验证的客观实验。有科学家认为,虽然多宇宙一般认为是互相“平行”,但并非没有交集,可能会通过某种方式发生“弱耦合”,比如引力。这就给了物理学家们一些机会,可以设计一些实验,去搜索其他宇宙的线索。


1985年,多伊奇在《国际理论物理杂志》上发表论文,指出可能有一种方法,可以通过先进的技术手段测量一个平行世界对另一个平行世界的微弱影响,这篇论文更大的意义宣告了量子图灵机的诞生。


艾弗雷特的死忠粉多伊奇(图片来源:wiki)


量子图灵机,又称通用量子计算机。多伊奇提出了一个量子计算机的抽象模型,在这之后,直到现在,量子计算机就如同一盏科技圣杯,等待着人们去实现。


多伊奇在一本书里这样写道:“当我们使用量子计算机时,我们将不得不将所有可能的平行宇宙加在一起。尽管我们不能直接与这些平行宇宙接触,量子计算机可以利用在平行宇宙中的旋转状态来计算它们。”原来,按照多伊奇的说法,我们是在用平行宇宙的计算力来实现本宇宙的量子计算。


多伊奇:量子计算是一种独特的利用自然的新方法。这将是第一个允许通过在平行宇宙之间进行协作而执行任务的技术。(图片来源:google)


1991年波钦斯基的一篇文章也支持这样一种观点,平行宇宙之间的交流在理论上是可行的。


1997年普拉加 在《物理学基础》发表论文,描述了一种可能的量子光学设备测试。文中提到:建造一个离子阱,肼中存在一个孤立离子,对这个离子的量子测量将产生两个平行世界,它们的区别仅仅在于是否能够探测到一个光子。由于80年代发现了“拉比振荡”,量子退相干的几率存在一定的周期性规律,两个世界之间的联系会存在一个时间窗口,也许是毫秒级,也许是纳秒级。不管怎样,只要人类的技术水平能够达到,就可以通过这样的实验验证多宇宙理论。


普拉加后来甚至表示,如果这种技术成熟,足以实现平行世界间的通信。可惜的是,普拉加的这篇论文一直到现在才仅仅被引用9次,显然无人问津。


2010年前后,斯蒂芬·菲尼等科学家分析了威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)的数据,声称发现了证据,表明我们的宇宙在遥远的过去与其他平行宇宙相撞。


然而,对WMAP和后来的普朗克卫星(分辨率是WMAP的3倍)的数据进行了更全面的分析后,并没有发现任何有统计学意义的证据,表明存在这样的宇宙碰撞。此外,到目前为止,没有任何证据表明其他宇宙对我们的宇宙有引力作用。


普朗克望远镜对宇宙的观测比WMAP的清晰度更上一层楼。(图片来源:wiki)


如左图所示,如果宇宙和其他宇宙存在碰撞,则宇宙背景图上应该有一个明显的碰撞痕迹。有科学家宣称在宇宙背景图上真的找到了这个痕迹,如右图,你发现了吗?(图片来源:google)


总之,即使是现在,主流科学界对多宇宙理论仍然持观望态度。


比如2007年,诺贝尔奖得主温伯格就建议:“如果(要证明)多宇宙存在,最好能找到一个合理解释夸克质量的精确值,或者其他标准模型的常数。”言下之意,多宇宙应该先在现有物理模型里立功,而不是光搞一些虚无缥缈的幻想。



温伯格(图片来源:wiki)


温伯格算是比较温和的批评者了,另一些著名的科学家就没那么客气了。著名宇宙学家、《上帝与新物理学》作者保罗·戴维斯曾于2003年在《纽约时报》发表观点文章《多元宇宙简史》,认为多宇宙理论是不科学的:“极端的多宇宙解释让人想起神学讨论。的确,调用无穷无尽的看不见的宇宙来解释我们所看到的宇宙的不寻常特征,就像调用一个看不见的造物主一样。”


保罗·戴维斯(图片来源:wiki)


2011年8月,南非宇宙学家乔治·埃利斯在《科学美国人》杂志上撰文《多元宇宙真的存在吗?》,指出多元宇宙并不是一个传统的科学理论。他说:“许多谈论多元宇宙的物理学家,尤其是弦论的拥护者,并不太在意平行宇宙本身。对他们来说,反对多元宇宙作为一个概念并不重要。他们的理论是建立在内部一致性的基础上的,人们希望最终能在实验室进行测试。”


埃利斯还指出,这(多宇宙)最终会让这些问题得不到解决,因为这是一个形而上学的问题,无法通过经验科学来解决。他认为观察性测试是科学的核心,不应该被抛弃。


乔治·埃利斯(图片来源:wiki)


看了这么多大师的表态,你对多宇宙还有信心吗?


竟然有这么多种“多宇宙”


其实,从20世纪80年代以后,多宇宙在弦论等其他的新理论发展中起了很好的“启蒙”作用,让理论物理学家在思考的时候脑洞大开。在这些新理论中,又出现了许多不一样的多宇宙。


(图片来源:google)



(一)四级宇宙


泰格马克总结了各种多宇宙理论,并把这些理论分成四个级别: 


第一级:可观测宇宙的延伸


可观测宇宙直径为730亿光年,超出这个范围之外的宇宙,由于宇宙正在加速膨胀,我们已经看不到那里,可能永远也看不到。泰格马克认为存在着一个各态遍历的无限宇宙,每个角落里的物理定律都和我们这里一模一样,各种常数的大小也完全相同,但却存在着几乎无限多的子结构,每个子结构的物质分布都与我们所在的有所不同。这么多子结构一起,正是代表着整个宇宙的无限可能性。


按照泰格马克的估计,我们要航行10的10的115次方米(可不是10的1150次方哦,是1后面写10的115次方个零)后,才有可能到达其他的子结构。第一级子宇宙(子结构)仍然相连。


【计算机模拟了一片超过5000万光年宽的空间区域的图像,显示了在宇宙中光源的大规模分布,但我们对这些光究竟来自星系还是类星体尚不清楚。】(图片来源:google)


第二级别:不同物理常数的宇宙


有科学家是如此解释宇宙的暴胀现象的,如同面包或者馒头的“发酵”,其中的气泡不断变大,这就是我们的宇宙正在加速膨胀。这样的宇宙也被称为“泡泡宇宙”,或者“口袋宇宙”。不同的“泡泡宇宙”在形成的时候可能会经历不同的自发对称性破缺,导致宇宙完全不同的性质,比如不同的物理常数。也就是说,在不同的“泡泡宇宙”里,物理定律可能完全不同。


相比于第一级别的宇宙,第二级别的“泡泡宇宙”相互之间并不相连,不然我们就吃不到面包啦~~


每一个泡泡里是一个宇宙,相互之间并无连接。(图片来源:google)


【《黑衣人》1的尾部也展示了这样一种多宇宙的视频,我们这些泡泡宇宙都供更高一层级的文明玩弄。】


第三级别:量子力学的多世界解释


泰格马克将艾弗雷特原始的多宇宙理论放在了这个层级,理由是::“一级和三级之间的唯一区别就是你的二重身份(另n个你)住在哪里。在第一级,他们生活在和我们同一个宇宙的其他地方,这个宇宙所有地方的三维结构性质一样,并且相互连通。而在第三级,它们生活在无限维希尔伯特空间的另一个量子分支上。”


第四级别:终极合奏


这是泰格马克自导自演的多宇宙终极演出!


泰格马克认为,宇宙中最基本的乃是数学的形式逻辑,一切、万事万物,甚至宇宙的终极规律(TOE,Theory of everything)都可以用数学来描述。原来,竟然存在某一些宇宙,那里的数学都和我们不一样,在那里,1+1不一定等于2,π也不一定等于3.14……这样的宇宙会是一番什么样的形态?那里可以诞生生命吗?


这也难怪,一些科幻小说里面也借鉴了这一点,竟然可以改变宇宙的数学规律,对敌人进行数学打击!比如科幻作家伊格尔·特珀创作的小说《隐匿的数字》,已经被改编成电影。


宇宙的基础是数学(图片来源:google)


(二)9种多重宇宙


无独有偶,科学家格林写了一本科普著作《隐藏的现实》,其中对各种各样的多宇宙理论进行总结,他竟然整理出9种多重宇宙!


衍缝宇宙


和泰格马克第一层类似,无限宇宙中存在各个子空间。


暴胀宇宙


和泰格马克第二层类似,宇宙暴胀导致某些部分如同气泡一样出现一些新的小宇宙。


膜宇宙


格林是弦论发展史上的核心人物之一,按照弦论的假设,我们的整个宇宙如同一张膜,这张膜漂浮在一个更高维度的空间里。在这个高维空间里,还有其他膜,对应于其他的宇宙。每隔几万亿年(可能更久),由于引力或其他我们不了解的力的作用,膜就会相互碰撞和撞击。当它们碰撞时,产生的能量足以引发大爆炸。


按照这个理论,我们今天看到的物质和辐射是在最近一次碰撞中产生的,驱动宇宙膨胀的暗能量就对应于膜之间的作用力。也许未来由于膜之间作用力的变化,暗能量也可能驱动宇宙收缩。


看看看,膜撞了,又有宇宙要大爆炸(big bang)了!(图片来源:google)


循环宇宙


提出宇宙常数的爱因斯坦早年曾是稳态宇宙的支持者,在哈勃发现宇宙膨胀以后,他在1930年提出一个宇宙振荡理论,认为宇宙遵循一系列永恒的振荡,每一次振荡都以大爆炸开始,不断膨胀,直到物质的万有引力使其反弹收缩并最终以大坍缩结束,之后开始下一次的大爆炸。


下一次的宇宙是我们这一次宇宙的情景再现吗?还是会产生一个各态遍历的其他形态的宇宙?


景观宇宙


按照弦论,需要10个维度,之所以我们看不到多余的6个维度,是因为它们蜷缩起来了。这个“隐藏”起来的6维空间叫做丘成桐-卡拉比空间。原来,我们的宇宙竟然是这番景象,在最微小的地方,竟然存在着一个又一个卡丘6维空间。每当你一挥手,你的手不仅穿过了我们熟知的3维空间,还拂过了无数个蜷缩的卡丘6维空间。


还记得我们之前提过的“泡泡宇宙”吗?每个泡泡都有其独特的物理定律,然而格林告诉我们,我们应该认识到,这些泡泡都是十维的(也许应该说,和我们宇宙平级的泡泡)。我们这个十维泡泡还可能发生量子隧穿,形成一个宇宙学常数更小的宇宙,新宇宙得到了额外的维度,膨胀速度更慢,也就变成了泡泡里的泡泡。这被叫做景观宇宙,相当于把第二级宇宙又变出了多个层次,我们的宇宙也只属于其中一个层次而已。


丘成桐-卡拉比空间是这幅模样。(图片来源:wiki)


量子宇宙


就是艾弗雷特的多宇宙理论。


全息宇宙


如今,全息摄影技术已经司空见惯,在二维的照片上,可以看出三维的立体效果。


全息效果展示图(图片来源:wiki)


谁能想到,我们可能就生活在一个二维的宇宙中呢?你可能觉得这太震撼了,怎么可能呢?我们已经习惯了一个三维的世界,前后、左右、高低,一切都太熟悉了。现在你告诉我其实并没有那么多维度,你要我如何相信?


这个灵感来自对黑洞的研究,按照某些为了调和量子力学和广义相对论的新兴量子引力论,比如弦论和M理论,所有落入黑洞的物体的信息被完全包含在视界的表面波动中。也就是说,三维的物体和视界二维球面(也许是其他形状)上的信息可以一一对应,也就可以相互转换。在数学上,记录和投影可以说是等效的,这完全可行。


那么问题来了,三维和二维,究竟哪个是真实的?


我们的宇宙其实是2维宇宙的全息照片(hologram)?(图片来源:google)


模拟宇宙


我们的宇宙其实处于一个计算机模拟的系统里,很多科幻影片里提到了这一点,比如《黑客帝国》,除此以外,“缸中之脑”这种point也可以算作这种宇宙。


【我们身处一个计算机之中吗?】(图片来源:影片剧照)


数学宇宙


和泰格马克的第四级宇宙类似。


弦论大师——格林(图片来源:wiki)


小结&彩蛋


这里小结一下。


1.多宇宙理论源于对量子佯谬——“薛定谔的猫”的解释,是众多对量子力学本源问题的解释之一。


2.多宇宙理论在得到明显的观测证据之前,只能称得上是一个科学猜想,并不是一个经得起考验的科学结论。


3.多宇宙理论在最新的物理学理论发展中发挥了重要作用,因此是最受关注的科学猜想之一,我们期待着它能够启发更多物理学家(不管是作为经验还是教训),推动科学界最前沿的发展。也许,宇宙的本源比我们的想象更加精彩!


看完权威们的故事,我们再看看非专业人士的想法,多宇宙理论在民间的接受度更高。


1995年,在一项对72名“主要宇宙学家和其他量子场理论家”进行的民意调查中,竟然有58%的人认同多宇宙理论是对的。多宇宙理论的死忠粉泰格马克也提过,在1997年的一次量子力学研讨会上,曾经进行过一项“非常不科学”的民意调查,多宇宙理论排名第二,仅仅落后于哥本哈根解释。在1998年的剑桥大学量子计算会议上,有大约200人观众接受了调查,多宇宙理论几乎和哥本哈根解释相当,仅差几票,屈居第二。


当然多宇宙理论也曾遭受过冷遇,2005年,滑铁卢量子计算大学研究所在一堂量子力学课程结束后,对不到40名学生和研究人员进行了一项调查,结果发现多宇宙理论是最不受欢迎的。2011年在奥地利的一次会议上,33名参与者参与了一项民意调查,其中6人支持多宇宙理论, 14人支持哥本哈根解释。


从多次投票结果来看,哥本哈根解释仍稳固地统治着量子帝国,多宇宙理论却一直试图撼动它的地位,也是最最有希望的!


然而,又有谁相信,科学是由投票来决定的呢?


本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:鲁超

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