在漫威宇宙的新故事中，我們看到多元宇宙給漫威的故事世界拓展到了一個新框架。在眾多的電影、電視或我們的想象中，多元宇宙的概念十分常見。我們被多元宇宙的觀念環繞著，它為我們提供了一個非常誘人的假設：我們的現實并不是唯一的。

多元宇宙的概念并不是在作家的神來之筆中孕育出來的，而是從物理學家滿黑板的公式中推導出來的。當然，科學定義的多元宇宙和我們在電影電視等媒體中看到的多元宇宙的概念有一點小不同。探索多元宇宙的故事不再伴隨著英雄和惡魔的愛恨情仇，而更多的是數學公式的精妙演繹。但媒體網絡上甚囂塵上的多元宇宙概念實際上是建立在一個有些道理的科學假設上。這個科學假設是可驗證的，并且已經得到了驗證。

多元宇宙的概念能夠追溯到古代，它起源于一個開放的議題：在寰宇中，有沒有和我們一樣的世界可能存在。（或是 “宇宙”的不同概念）而在現代物理的探索當中，這個說法只在少數不同的領域出現。

為了對多元宇宙進行定義，我們首先得要對宇宙進行定義。在嚴格定義中，宇宙是指人類可以觀察到的最遠的空間極限。我們的宇宙是如此的古早，并且光速是如此的快，以至于從我們在地球上的視角來看的話，我們會感覺被困在一個球狀的空間中，這個球的半徑大約為 450 億光年，并包含了從古至今所有達到地球的光。

六合之外，星辰萬象。在人類所能觀察到的宇宙極限外還分布著更豐富的群星和星系。宇宙極限外的這些群星與我們沒有任何聯系，空間的永恒膨脹也使我們漸行漸遠。宇宙中潛伏的暗能量加速了空間的膨脹，使星系之間相互遠離的現象得以加劇。我們永遠無法觀測到這些區域，并無法到達這些空間，所以宇宙這片超過人類觀察極限的部分代表了最無聊但同樣也是最沒有爭議版本的“多元宇宙”：即我們宇宙的延伸，它包含了和我們所能觀察到宇宙一樣、但是排列方式不同的物質。人類觀測極限之外的宇宙是基于宇宙大爆炸模型的預言 —— 它是宇宙膨脹的自然推論 —— 但這部分宇宙也不會有觀測結果，所以沒有人真正爭論它，也沒有人真正在意它。換句話說，這種“多元宇宙”并沒有什么特別之處。

而第二類多元宇宙，也是更令人激動的一類多元宇宙模型，來源于量子力學基本原理和一種對于“多重世界”的詮釋。這種觀點認為每一次在微觀世界發生概率過程（這種過程實際上無時無刻不在發生），宇宙就會產生不同演化過程的分支，每一個分支的宇宙代表了微觀世界某種概率事件發生對應的過程。比如說：在我們的宇宙一個微觀粒子在向左移動，而在另一個“宇宙”中則是向右運動。然而，這種“多元宇宙”觀點建立在對于量子力學中“測量”（這是一個非常重要的概念）概念的確切含義的理解上。而對于測量的理解則是一個非常棘手的辯論。更進一步說，物理學家們甚至無法確定能否對微觀世界的測量的不同猜想進行實驗驗證 —— 或是無法確認這些猜想是否具有物理學意義 —— 所以大部分的物理學家都在極力避免關于測量這一話題的討論。

那么我們接下來就要討論第三類多元宇宙，即建立在宇宙暴漲基礎上的多元宇宙理論，這也是在所有多元宇宙理論中最為有趣的多元宇宙理論，因為這個理論建立在一個關于早期宇宙的可能理論上，并且科學家們有一定的手段驗證這個理論。這個多元宇宙理論可能能夠實現大熒幕上的各種多元宇宙夢，或是我們心中對于多元宇宙的愿望。這個多元宇宙理論可能被我們所證實，這個多元宇宙理論可能就是真實的。

多重分支宇宙

暴漲理論最早可以追溯到理論物理學家阿蘭?古茲（Alan Guth）提出的觀點，他于 1981 年在一篇論文中最早提出了暴漲理論的雛形。為了合理解釋早期宇宙模型中的一些非常令人困惑的難題（例如，高能物理學家的一般預言要求宇宙存在一些新奇現象，例如磁單極子，但是這些現象到目前為止仍未被觀察到），古茲提出宇宙初期經歷過一段超快膨脹的短暫時期，這也被稱之為宇宙暴漲。這一過程將所有的單極子拋射出了人類宇宙觀測極限外，將它們掃到宇宙學地毯下。

暴漲理論也恰好能夠解釋平庸宇宙大爆炸模型中的其他問題，例如宇宙如何能夠在它相對短暫的時間內形成如此規整的結構。宇宙暴漲理論很好的解釋了這一切：如果宇宙飛速膨脹至無比巨大的程度，那么宇宙最終都將歸于均勻。

這種多元宇宙理論也許將使電影中多元宇宙的遐想成真。

但暴漲理論背后，同時也是大多數天文學家相信暴漲理論的原因是，暴漲理論能夠非常合理地解釋星系、宇宙纖維、宇宙空隙 —— 這些填補宇宙網絡的大結構的來源。在宇宙暴漲理論的框架下，我們的宇宙飛速膨脹，微觀量子體系膨脹至相對宏觀的尺度，在宇宙中播撒下引力的種子，在引力的作用下，經歷了數百萬年的演化之后，我們的宇宙形成了星系、銀河和更為豐富的內容。

物理學家無從得知宇宙暴漲過程的能量從何而來，也無從知曉宇宙暴漲持續了多久，以及為什么宇宙暴漲停止了，但是宇宙暴漲理論對于宇宙宏觀結構的統計特性的預言與人類的觀測極其精準地吻合，因此暴漲理論也一直被天文學家所接受。

最后一個問題 —— 宇宙暴漲為何停止 —— 仍然值得商榷。我們非常容易想象，宇宙暴漲，這個非常宏偉的過程在宇宙大爆炸的早期突然發生，但很難想象的是，這個過程就這樣悄無聲息地停歇了，離開宇宙舞臺，再也看不到了。

也許宇宙暴漲從未停止，而是一直在悄無聲息地進行著，只是不在這兒，不在我們所在的宇宙中。確實，一些物理學家認為宇宙暴漲是量子力學內稟的隨機性自然導致的結果。這個過程僅僅需要粒子發生一點微小的量子震蕩，并且宇宙暴漲這個過程并非在宇宙的各個角落同時停止。也許我們的宇宙只是一個更宏大的宇宙區域的一部分，這個部分的宇宙作為分支產生并穩定下來，進入一個更為平靜的生長階段。與此同時，在我們的宇宙小球空間之外，宇宙暴漲仍在繼續，伴隨著更多的宇宙相互分離并穩定下來，導致其他宇宙在時間和空間上與我們所在的宇宙相隔絕。

這種“永恒的宇宙暴漲”的理論將“我們的宇宙之外只是一些更多的東西”的樸素想法推廣至了更高的境界。在人類的可觀測極限之外不僅僅只存在一個宇宙，而是有浩如煙海的宇宙，這些宇宙類似泡狀，每一個相互間隔的宇宙都與相鄰的宇宙大小相近，同時不同的宇宙之間由永無邊際的空間隔絕開來。所有的這些宇宙起源于一個過程 —— 最初的宇宙大爆炸 —— 但是宇宙暴漲永不停息，因此獨立的宇宙數目很快就數之不盡。

值得一提的是，在這個因宇宙暴漲而誕生的多元宇宙理論的原始版本中，人類所在宇宙與其他宇宙遵循同一套物理規律。其他宇宙中，大自然的力和我們所在的宇宙中的自然力是一樣的。例如，在多元宇宙的各個宇宙中，光速是相同的。

但是你將宇宙暴漲理論和弦理論結合到一起時，事情變得瘋狂起來了。弦理論是在十九世紀六十年代為了解釋強相互作用而提出的理論，然后逐步發展成為用于解釋一切事物的可能理論。在過去的幾十年，物理學家一直在尋求一種大統一理論，希望能解決這一數學謎題，從而能夠解釋一切事物，是字面上的：一切事物。這包括自然中的力，粒子家族以及他們的質量，物理常數的值，甚至是空間維數。

弦理論表示我們的宇宙包含了其他維度，這些維度都彎曲成非常微小的尺寸，因此我們實際上無法正常觀察到它們。這些維度發生彎曲的方式決定了我們觀察到的物理現象，但是維度彎曲的方式有大約 10500 種，而弦理論無法確定哪一種維度彎曲的方式對應著我們所在的宇宙。

當你將弦理論與宇宙暴漲理論結合起來時，你就有機會得到彎曲維度的所有構型 —— 同時也是宇宙暴漲使宇宙發展成為具有不同物理規律多元宇宙的機理。在弦理論中，如果我們的宇宙在宇宙暴漲過程中產生了不同構型的彎曲維度，我們的宇宙本可能是另一幅完全不同的面貌，并且具有不同的物理常數，甚至是不同的自然力。并且如果宇宙暴漲從未終止，那么也許不同的多元宇宙具有不同的物理現象和物理規律，不同的物理常數，甚至是不同的現實。

這就是無盡的多元宇宙。這一理論有可能會解決物理學和宇宙學中某些深層次的問題。

例如，在本世紀之初，物理學家希望合理解釋暗能量，以及宇宙膨脹過程的加速。暗能量中最奇怪的一件事是它非常微弱 —— 導致宇宙膨脹的微小的加速 —— 但不完全為 0。這似乎是一種微調；如果暗能量有一個稍微不同的值，我們所熟知的世界就將不復存在。

由弦理論推動建立的多元宇宙概念提供了一種解決上述問題的方向。在眾多具有不同暗能量強度的多元宇宙中，我們正好在我們所處的這個宇宙中，因為我們可能根本無法存在于其他的宇宙中。

多元宇宙偶遇

多元宇宙最讓人感興趣的是多元宇宙理論的可測量的預言。不然這些多元宇宙也只能是某些無聊的物理學家空想出來的不切實際的想法。

目前有幾種驗證由宇宙暴漲導致的多元宇宙的理論。例如，如果一個近鄰的宇宙在我們的宇宙形成初期就被擠開，那么這個近鄰的宇宙大概率在遠離我們宇宙之前與我們的宇宙發生碰撞。在現在我們所處的階段，多元宇宙之間發生碰撞的幾率非常之小，因為宇宙暴漲使宇宙膨脹發生的如此之快（實際上是以超光速的速度進行的），并且宇宙大爆炸已距今有 140 億年的歷史了，因此其他任何的宇宙都與我們的宇宙相隔遙遠。

但是如果一個鄰近的宇宙形成的足夠早、足夠快，那么這個宇宙在其形成初期就能夠與我們的宇宙相碰。這種短暫的邂逅能夠在我們的宇宙的微波背景輻射下留下一個可以探測的印記。宇宙微波背景輻射是我們的宇宙在三十八萬年左右從等離子氣團形成穩定的狀態時，形成的余輝光。余輝光是我們能夠直接觀察到的最遙遠的事實，并且這是我們能夠觀察到這種宇宙碰撞的最好機會。

我們能夠身處我們所在的宇宙因為我們無法存在于其他宇宙。

這是一個可驗證的、真實的科學預言。哎呀，但是尋找這樣的信號一直徒勞無獲。但是尋找不到信號的現象并不能否定整個多元宇宙的概念，只是這種信號在我們的宇宙和其他宇宙發生碰撞的有限場景中才會出現。

因為我們缺少直接的實驗驗證方式，我們不得不采用一種間接的驗證方式。我們可以演繹宇宙暴漲的理論和模型，試圖確認多元宇宙是否是所有暴漲模型的通用的、自動的結果（這是物理上最可靠或最簡單的情況），或者只有部分暴漲模型導出多元宇宙，又或者沒有任何暴漲模型可以給出多元宇宙。不幸的是，宇宙暴漲理論需要超高能物理理論為基礎，但是人類在這些方面仍然缺乏認知 —— 也就是說，沒有跡象表明每一種宇宙暴漲理論都能推導得到多元宇宙理論。

我們同樣也可以用同樣的方法論證宇宙暴漲這一理論。如果觀測結果能夠告訴我們哪一個宇宙暴漲模型是正確的，那么我們可以驗證在某一特殊的例子中 —— 例如我們的宇宙 —— 是否會產生一個多元宇宙。我們無法直接觀測到宇宙暴漲，因為這一過程發生的時間過早了，但是我們可以觀測宇宙暴漲的效應，尤其是通過宇宙微波背景輻射。當天文學家在二十世紀九十年代利用 NASA 的宇宙背景探測器衛星第一次測量宇宙微波背景輻射的微小波動時，宇宙暴漲理論是唯一能夠正確預測宇宙微波背景輻射的統計學特性的理論。但是，其他相同的觀測 —— 以及很多后來的觀測任務 —— 都沒能告訴我們眾多的宇宙暴漲模型中哪一種模型是正確的，更不用說為宇宙暴漲理論提供成功的、板上釘釘的論證證明。

但是，將來的宇宙觀測仍然可能提供一些突破性發現。宇宙暴漲理論應當在宇宙時空中留下波動痕跡，這也被稱為引力波。我們已經能夠利用 LIGO（激光干涉引力波天文臺）觀測到由天體融合發出的引力波，但是這些設備沒辦法探測到在宇宙暴漲期間發出的低頻引力波。所以目前科學家們計劃利用太空觀測設備，例如 LISA（激光干涉空間天線）直接探測這些低頻引力波，或是間接地利用這些低頻引力波在宇宙微波背景輻射中留下的痕跡證實它們的存在。只有時間會告訴我們這些努力是否會有收獲，并最終引導我們找尋到確定（或否定）宇宙暴漲的證據。

但是甚至說當我們能夠做到了這一點 —— 證明宇宙暴漲理論是唯一能夠合理解釋早期宇宙發生的進程的理論，并在數學上推導出多元宇宙是宇宙暴漲模型的有機拓展 —— 我們仍然沒有足夠的證據表明多元宇宙的存在。

誠然，我們能夠在一個我們能夠很容易接觸到的范圍內測試一個理論（比如，在太陽系中驗證廣義相對論）并且基于數學上的一致性和物理學的通用性的原則，將這一理論拓展到我們宇宙中人類所不能及的區域，以此推斷在那些區域中發生了什么過程（例如，在黑洞內部發生了什么），但是人類也僅止步于此了。確實，以黑洞為例，我們清楚廣義相對論在黑洞的奇點中會失效，因此即便我們無法進入黑洞（無法親自進入到黑洞的事件視界以內），我們仍然明白廣義相對論也存在理論自身的不足。

不幸的是，我們無從得知多元宇宙是否真的存在，并且我們也許永遠不會知曉。

許多人的堅持

盡管在 21 世紀初期，人們對多元宇宙話題的關注度激增，但是針對多元宇宙的理論工作和觀測工作在過去十年間一直停滯不前。一部分是因為科學研究的本性：針對早期宇宙的觀測要求大量時間進行規劃、部署以及海量的觀測。但是還有一部分關注度的下降是由于多元宇宙的概念本身界定模糊。

多元宇宙理論背后最好的論據是它有可能會合理解釋我們宇宙的一些基本特性為何是這樣的：因為其它的力、質量和常數會使得我們的宇宙變得不適宜生存，人類也就不復存在。這就是人擇原理，這一原理被其支持者認為是理解現實的可行方式。

每當我們打開書本或看一部電影時，我們就創造了一個交替現實。

但是對該理論批評的人支出這一理論的幾點不足之處。我們真的想要讓我們的科學論證在這個邏輯死結中停歇嗎？所有的多元宇宙難道都會遵從不同的物理規律嗎？人類所處的宇宙具有常數配置在其他多元宇宙是罕見的還是常見的？以及我們如何在不弱化一個充滿了假設的理論的論證的嚴謹性的前提下，在無限多個多元宇宙的尺度下測量宇宙常數配置？

弦理論 —— 這一要求每一個在多元宇宙具有其獨特物理規律的理論 —— 也遇到了自身的難題。研究弦理論的理論物理學家還沒有找到一個解決方案 —— 或者說任何的解決方案。盡管我們現在知道宇宙中其他維度彎曲的方式決定了我們宇宙的物理規律，我們仍無法明白這其中的機制是怎樣的。如果你給研究弦理論的物理學家一個其他維度的特定參量，他們無法告訴你這一參量下宇宙的物理規律是怎樣的。同時，許多版本的弦理論都是基于超對稱性建立的，但是這些理論現在看來是非常的粗略的，因為大型強子對撞機沒能找到任何弦理論的實驗依據。

多元宇宙的概念并非死氣沉沉，而是像科學中其他一開始看似非常具有前瞻性，但是卻無法產出觀測成果甚至是理論的靈感的想法一樣。多元宇宙的物理概念正在走向沒落。物理學家不再更多地關注多元宇宙這一理論，并且論證多元宇宙存在的論據和幾十年前多元宇宙概念的提出的時候相比并未變得更加豐富。大多數支持多元宇宙的論據都還屬于物理學的未知之境中。

不過多元宇宙的概念仍然存在著。在一個無盡的多元宇宙模型中，所有可以發生的過程都將發生。在其他的多元宇宙中，你能邀請你的心上人共赴約會，或是接受那項工作。并且這一切并不是發生在某些想象之地或是“平行”（無論這個詞意味著什么）的現實中。所有這些其他的多元宇宙泡共同占據了整個多元宇宙宏大的空間。他們和我們同時存在于同一個時空領域。

多元宇宙與我們無比的遙遠，但是仍然具有有限的距離。當你把手指向天空中的任意方向，如果沿著那個方向延伸足夠長的距離，那么你將會遇到另一個多元宇宙，在那個多元宇宙中另一個你正在做著相同的事情，把手指向著你。在無窮無盡的多元宇宙中，你的人生的所有可能，以及其他人的人生的所有可能，以及群星、星系、氫分子的所有可能的相互作用，以及甚至有可能是自然力和物理常數的各種不同的組合，都是真實的。

當然如果多元宇宙存在那真是泰褲辣。多元宇宙的想法深深誘惑著我們，這意味著每當我們打開一本書或在看一部電影時都會演繹出不同的現實：每一部科幻小說都是對多元宇宙的一次演繹。在科幻的多元宇宙中的物理規律與人類所棲息的宇宙相似，但是也有一些不同。在多元宇宙中，我們的夢想能夠實現，尤其是在那些具有不同物理學規律的多元宇宙中。你想要飛翔？在其他的多元宇宙中給“你”安排上。在其他的多元宇宙中也許“你”正在這樣做！你想要在早餐時吃星星？沒問題，多元宇宙也能給你安排上。你想擁有魔法？當然，為什么不行呢？

多元宇宙的概念讓我們的想象變成現實。我們無法接觸、遙遙相隔，但是卻又在理論上存在這種可能。并且甚至在科學的嚴謹研究中多元宇宙的概念黯然褪色，但是我們也牽掛著多元宇宙的可能性。這不是一件壞事：畢竟科學總是在實現人類的夢想過程中前行的。

作者：PAUL M. SUTTER

翻譯：*0

審校：利有攸往

原文鏈接：DoctorStrange andthe Multiverse in Science

本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：PAUL M. SUTTER

總結

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