量子力學能否拯救宇宙多重宇宙？

許多宇宙學家現在接受了一個非凡的觀點，即看起來是整個宇宙的東西實際上可能只是一個更大結構（稱為多重宇宙）的一小部分。在這個圖景中，存在多個宇宙，而我們曾經認為的基本自然法則在每個宇宙中都呈現出不同的形式；例如，基本粒子的型別和性質可能因宇宙而異。多重宇宙的概念源於一個理論，該理論表明極早期宇宙呈指數級膨脹。在“暴脹”時期，一些區域會比其他區域更早地停止快速膨脹，形成所謂的泡泡宇宙，很像沸水中的氣泡。我們的宇宙將只是這些泡泡中的一個，而在它之外將存在無限多個泡泡。

我們的整個宇宙只是一個更大結構的一部分，這個想法本身並不像聽起來那麼古怪。縱觀歷史，科學家們一次又一次地瞭解到，可見世界遠非全部。然而，多重宇宙的概念，及其無限數量的泡泡宇宙，確實提出了一個主要的理論問題：它似乎抹殺了該理論做出預測的能力——這是任何有用理論的核心要求。用暴脹理論的創始人之一，麻省理工學院的艾倫·古思的話來說，“在一個永恆暴脹的宇宙中，任何可能發生的事情都會發生；事實上，它會發生無數次。”

在事件發生次數有限的單個宇宙中，科學家可以透過比較這些事件發生的次數來計算一個事件相對於另一個事件發生的相對機率。然而，在一切都發生無數次的多重宇宙中，這種計數是不可能的，沒有什麼比其他任何事情更有可能發生。人們可以做出任何想要的預測，它肯定會在某個宇宙中成真，但這並不能告訴你任何關於我們特定世界將會發生什麼的資訊。

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這種明顯的預測能力喪失長期以來一直困擾著物理學家。包括我在內的一些研究人員現在意識到，與多重宇宙概念形成對比的是，量子理論——它關注的是現存的最小粒子——可能具有諷刺意味地為解決問題指明瞭方向。具體而言，永恆暴脹多重宇宙的宇宙學圖景可能在數學上等同於量子力學的“多世界”詮釋，後者試圖解釋粒子如何似乎同時存在於多個位置。正如我們將看到的，理論之間的這種聯絡不僅解決了預測問題；它還可能揭示關於空間和時間的驚人真相。

量子多世界

在我重新審視量子力學的多世界詮釋的宗旨後，我產生了這兩個理論之間存在對應關係的想法。這個概念的出現是為了理解量子物理學的一些更奇怪的方面。在量子世界——一個違反直覺的地方——因果關係與宏觀世界不同，任何過程的結果總是機率性的。在我們的宏觀經驗中，我們可以根據球的起點、速度和其他因素來預測球被丟擲後會落在哪裡，但如果那個球是量子粒子，我們只能說它有一定的機會最終落在這裡，還有一定的機會最終落在那裡。這種機率性質無法通過了解更多關於球、氣流或此類細節來避免；它是量子領域固有的屬性。在完全相同的條件下丟擲的完全相同的球有時會落在 A 點，有時會落在 B 點。這個結論可能看起來很奇怪，但量子力學定律已經透過無數實驗得到證實，並且真實地描述了自然界在亞原子粒子和力的尺度上的運作方式。

在量子世界中，我們說在球被丟擲之後，但在我們尋找它的落點之前，它處於結果 A 和 B 的所謂疊加態——也就是說，它既不在 A 點也不在 B 點，而是位於 A 點和 B 點（以及許多其他位置）的機率性迷霧中。然而，一旦我們觀察並發現球在某個位置——比如 A 點——那麼任何其他檢查球的人也會確認它位於 A 點。換句話說，在任何量子系統被測量之前，其結果是不確定的，但在那之後，所有後續測量都將發現與第一次相同的結果。

在量子力學的傳統理解中，即哥本哈根詮釋，科學家們透過說第一次測量將系統的狀態從疊加態變為狀態 A 來解釋這種轉變。但是，儘管哥本哈根詮釋確實預測了實驗室實驗的結果，但它在概念層面上導致了嚴重的困難。“測量”到底意味著什麼，為什麼它會將系統的狀態從多種可能性的疊加變為單一的確定性？當狗甚至蒼蠅觀察系統時，狀態的變化會發生嗎？當空氣中的分子與系統相互作用時會怎樣，我們期望這種情況一直髮生，但我們通常不將其視為會干擾結果的測量？還是說人類有意識地瞭解系統的狀態具有某種特殊的物理意義？

1957 年，當時還是普林斯頓大學研究生的休·艾弗雷特提出了量子力學的多世界詮釋，它完美地解決了這個問題——儘管當時許多人對此嗤之以鼻，而且這個想法仍然不如哥本哈根詮釋受歡迎。艾弗雷特的關鍵洞察力在於，量子系統的狀態反映了周圍整個宇宙的狀態，因此我們必須將觀察者納入測量的完整描述中。換句話說，我們不能孤立地考慮球、風和拋球的手——我們還必須將隨後檢查其落點的人，以及當時宇宙中的一切都納入基本描述中。在這個圖景中，測量後的量子態仍然是疊加態——不僅是兩個落點的疊加，而是兩個完整世界的疊加！在第一個世界中，觀察者發現系統的狀態已變為 A，因此這個特定世界中的任何觀察者都將在所有後續測量中獲得結果 A。但是，當進行測量時，另一個宇宙從第一個宇宙中分裂出來，在這個宇宙中，觀察者發現，並且一直髮現，球落在了 B 點。這個特徵解釋了為什麼觀察者——假設他是一個人——認為他的測量改變了系統的狀態；實際上發生的是，當他進行測量（與系統相互作用）時，他自己分裂成兩個不同的人，他們生活在對應於兩個不同結果 A 和 B 的兩個不同的平行世界中。

根據這個圖景，進行測量的人類沒有特殊的意義。整個世界的狀態不斷分支成許多可能的平行世界，這些平行世界以疊加態共存。人類觀察者作為自然的一部分，無法逃脫這個迴圈——觀察者不斷分裂成許多生活在許多可能的平行世界中的觀察者，而且所有世界都是同樣“真實”的。這個圖景的一個顯而易見但重要的含義是，自然界中的一切都遵守量子力學定律，無論大小。

這種量子力學詮釋與前面討論的多重宇宙有什麼關係呢？多重宇宙似乎存在於連續的真實空間中，而不是作為平行現實而存在。2011 年，我提出永恆暴脹多重宇宙和量子力學多世界（à la Everett）在某種特定意義上是相同的概念。在這種理解中，與永恆暴脹相關的無限大空間是一種“幻覺”——暴脹的許多泡泡宇宙並非都存在於單一的真實空間中，而是代表機率樹上的可能不同分支。在我提出這個提議的同時，加州大學伯克利分校的拉斐爾·布索和斯坦福大學的倫納德·薩斯坎德也提出了一個類似的想法。如果這是真的，多重宇宙的多世界詮釋將意味著量子力學定律不僅在微觀領域運作——它們還在決定多重宇宙的全域性結構中發揮著至關重要的作用，即使在最大的距離尺度上也是如此。

黑洞難題

為了更好地解釋量子力學的多世界詮釋如何描述暴脹多重宇宙，我必須稍微跑題談談黑洞。黑洞是時空中極端的扭曲，其強大的引力阻止了落入其中的物體逃脫。因此，它們為涉及強量子和引力效應的物理學提供了一個理想的試驗場。關於這些實體的一個特殊的思想實驗揭示了傳統的多重宇宙思維方式在哪裡走偏，從而使預測成為不可能。

假設我們將一本書扔進黑洞，並從外部觀察會發生什麼。雖然書本身永遠無法逃脫黑洞，但理論預測書中的資訊不會丟失。在書被黑洞的引力撕碎之後，並且在黑洞本身透過發射微弱的輻射（一種稱為霍金輻射的現象，由劍橋大學的物理學家史蒂芬·霍金髮現）逐漸蒸發之後，外部觀察者可以透過仔細檢查釋放的輻射來重建初始書中包含的所有資訊。甚至在黑洞完全蒸發之前，書的資訊就開始透過每片霍金輻射緩慢洩漏出來。

然而，如果我們從一個與書一起墜入黑洞的人的角度來思考相同的情況，就會發生一件令人困惑的事情。在這種情況下，這本書似乎只是穿過黑洞的邊界並留在裡面。因此，對於這位內部觀察者來說，書中的資訊也永遠包含在黑洞內部。另一方面，我們剛剛論證過，從遙遠觀察者的角度來看，資訊將在外部。哪個是正確的？你可能會認為資訊只是被複制了：一份在內部，另一份在外部。然而，這種解決方案是不可能的。在量子力學中，所謂的不可克隆定理禁止對資訊進行忠實、完整的複製。因此，由兩位觀察者看到的兩個圖景似乎不可能同時為真。

荷蘭烏得勒支大學的物理學家傑拉德·特·胡夫特、薩斯坎德及其合作者提出了以下解決方案：這兩個圖景可以同時有效，但不能同時。如果你是一個遙遠的觀察者，那麼資訊就在外部。你不需要描述黑洞的內部，因為你即使在原則上也永遠無法訪問它；事實上，為了避免克隆資訊，你必須認為內部時空是不存在的。相反，如果你是一個墜入洞中的觀察者，那麼內部就是你擁有的一切，它包含書及其資訊。然而，這種觀點只有以忽略黑洞正在發射的霍金輻射為代價才是可能的——但這種自負是被允許的，因為你自己已經越過了黑洞邊界，因此被困在內部，與從邊界發射的輻射隔絕。這兩種觀點中的任何一種都沒有不一致之處；只有當你人為地“拼接”這兩者時——鑑於你不可能同時是遙遠的觀察者和墜落的觀察者，你永遠無法物理地做到這一點——才會發生明顯的資訊克隆不一致。

宇宙學視界

這個黑洞難題可能看起來與量子力學的多世界概念和多重宇宙如何聯絡起來的問題無關，但事實證明，黑洞的邊界在重要方面類似於所謂的宇宙學視界——我們可以在其中接收來自深空訊號的時空區域的邊界。視界的存在是因為空間呈指數級膨脹，並且比此截止點更遠的物體後退的速度超過光速，因此來自它們的任何資訊都永遠無法到達我們。因此，這種情況類似於遙遠觀察者看到的黑洞。而且，與黑洞的情況一樣，量子力學要求視界內部的觀察者將邊界另一側的時空——在這種情況下是宇宙學視界外部——視為不存在。如果我們考慮除了可以稍後從視界檢索到的資訊（類似於黑洞情況下的霍金輻射）之外的這種時空，那麼我們就高估了資訊。這個問題意味著對宇宙量子態的任何描述都應該只包括視界內部（和視界上）的區域——特別地，在任何單一、一致的宇宙描述中都不可能存在無限空間。

如果量子態只反映視界內的區域，那麼我們認為存在於永恆暴脹無限空間中的多重宇宙在哪裡呢？答案是，泡泡宇宙的產生是機率性的，就像量子力學中的任何其他過程一樣。正如量子測量可以產生許多不同的結果，這些結果以其發生的機率來區分一樣，暴脹可以產生許多不同的宇宙，每個宇宙都有不同的誕生機率。換句話說，代表永恆暴脹空間的量子態是代表不同宇宙的世界或分支的疊加，其中每個分支僅包括其自身視界內的區域。

由於這些宇宙中的每一個都是有限的，我們避免了由包含所有可能結果的無限大空間的前景引發的可預測性問題。在這種情況下，多個宇宙並非都同時存在於真實空間中——它們僅在“機率空間”中共同存在，也就是說，作為居住在每個世界中的人們進行的觀察的可能結果。因此，每個宇宙——每個可能的結果——都保留了特定的誕生機率。

這個圖景統一了宇宙學的永恆暴脹多重宇宙和埃弗雷特的多世界。宇宙歷史因此像這樣展開：多重宇宙從某個初始狀態開始，演變成許多泡泡宇宙的疊加。隨著時間的推移，代表這些泡泡中每一個的狀態進一步分支成更多狀態的疊加，這些狀態代表在這些宇宙中進行的“實驗”的各種可能結果（這些不需要是科學實驗——它們可以是任何物理過程）。最終，代表整個多重宇宙的狀態將因此包含大量分支，每個分支都代表一個可能從初始狀態產生的世界。因此，量子力學機率決定了宇宙學和微觀過程中的結果。多重宇宙和量子多世界實際上是同一件事；它們只是指發生在截然不同尺度上的相同現象——疊加。

在這個新圖景中，我們的世界只是量子物理學基本原理允許的所有可能世界之一，並且這些世界同時存在於機率空間中。

超越領域

為了知道這個想法是否正確，我們希望透過實驗來檢驗它。但這可行嗎？事實證明，一種特定現象的發現將為新思維提供支援。多重宇宙可能導致我們宇宙中少量負空間曲率——換句話說，即使在沒有引力的情況下，物體在空間中傳播也不會像在扁平宇宙中那樣沿直線傳播，而是沿曲線傳播。這種曲率可能會發生，因為即使從整個多重宇宙的角度來看，泡泡宇宙是有限的，但泡泡內部的觀察者也會認為他們的宇宙是無限大的，這將使空間看起來是負彎曲的（負曲率的一個例子是馬鞍的表面，而球體的表面是正曲率的）。如果我們在一個這樣的泡泡內部，空間同樣應該在我們看來是彎曲的。

到目前為止的證據表明宇宙是扁平的，但是研究遙遠光線在宇宙中傳播時如何彎曲的實驗可能會在未來幾十年內將我們宇宙曲率的測量精度提高約兩個數量級。如果這些實驗發現任何數量的負曲率，它們將支援多重宇宙的概念，因為儘管這種曲率在單個宇宙中在技術上是可能的，但在那裡是不合理的。具體而言，一項發現支援此處描述的量子多重宇宙圖景，因為它自然會導致足夠大以至於可以被檢測到的曲率，而傳統的多重宇宙暴脹圖景往往會產生比我們希望測量的負曲率小几個數量級。

有趣的是，正曲率的發現將證偽此處提出的多重宇宙概念，因為暴脹理論表明泡泡宇宙只能產生負曲率。另一方面，如果我們幸運的話，我們甚至可能會看到多重宇宙的戲劇性跡象——例如天空中泡泡宇宙“碰撞”的殘餘物，這可能在量子多重宇宙的單個分支中形成。然而，科學家們遠不能確定我們是否會檢測到此類訊號。

我和其他物理學家也在理論層面上進一步研究量子多重宇宙的想法。我們可以提出基本問題，例如：我們如何確定整個多重宇宙的量子態？什麼是時間，它又是如何出現的？量子多重宇宙圖景並沒有立即回答這些問題，但它確實提供了一個解決這些問題的框架。例如，最近，我發現數學要求我們的理論必須包含嚴格定義的機率所施加的約束可能使我們能夠確定整個多重宇宙的獨特量子態。這些約束也表明，即使作為多重宇宙狀態一部分的物理觀察者會看到新的泡泡不斷形成，整體量子態也保持不變。這意味著我們對宇宙隨時間變化的感知，以及時間概念本身可能是一種幻覺。根據這種觀點，時間是一個“湧現概念”，它源於更基本的現實，並且似乎僅存在於多重宇宙的區域性分支中。

我討論的許多想法仍然相當具有推測性，但物理學家能夠根據理論進展來談論如此宏大而深刻的問題，這令人興奮。誰知道這些探索最終會把我們引向何方？但似乎很清楚的是，我們生活在一個激動人心的時代，在這個時代，我們的科學探索超越了我們認為是整個物理世界——我們的宇宙——進入了一個可能無限的領域。