在過去的十年中，一項非凡的論斷吸引了宇宙學家的注意：我們周圍所見的膨脹宇宙並非唯一；還有數十億個其他宇宙存在。不是隻有一個宇宙，而是存在一個多元宇宙。在《大眾科學》的文章和書籍（如布萊恩·格林的最新著作《隱藏的現實》）中，頂尖科學家談到了一場超級哥白尼革命。在這種觀點中，不僅我們的星球是眾多星球之一，甚至我們的整個宇宙在宇宙尺度上也微不足道。它只是無數宇宙中的一個，每個宇宙都按照自己的方式執行。
“多元宇宙”這個詞有不同的含義。天文學家能夠看到大約420億光年的距離，這是我們的宇宙視覺範圍。我們沒有理由懷疑宇宙止步於此。在它之外可能存在許多——甚至無限多的——與我們所見的領域非常相似的領域。每個領域都有不同的物質初始分佈，但相同的物理定律在所有領域都適用。如今，幾乎所有宇宙學家（包括我）都接受這種型別的多元宇宙，馬克斯·泰格馬克稱之為“1級”。然而，有些人走得更遠。他們提出了完全不同種類的宇宙，具有不同的物理學、不同的歷史，甚至可能不同的空間維度數量。大多數宇宙將是荒蕪的，儘管有些宇宙將充滿生命。“2級”多元宇宙的主要支持者是亞歷山大·維連金，他描繪了一個引人入勝的畫面，其中包含無限多的宇宙、無限多的星系、無限多的行星以及無限多的與你同名的人正在閱讀這篇文章。
自古以來，許多文化都提出了類似的說法。新穎之處在於，多元宇宙被認為是一種科學理論，這意味著它在數學上是嚴謹的，並且可以透過實驗進行檢驗。我對這一說法持懷疑態度。我不相信那些其他宇宙的存在已被證明——或者永遠可以被證明。多元宇宙的支持者在極大地擴充套件我們對物理現實的概念的同時，也在隱含地重新定義“科學”的含義。
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地平線之外
那些認同廣義多元宇宙概念的人對如此多的宇宙可能如何產生以及它們將位於何處提出了各種建議。正如艾倫·H·古斯、安德烈·林德和其他人的混沌暴脹模型所設想的那樣，它們可能位於遠遠超出我們自身宇宙的空間區域[參見安德烈·林德的《自我繁殖的暴脹宇宙》；《大眾科學》，1994年11月]。正如保羅·J·斯坦哈特和尼爾·圖羅克的迴圈宇宙模型所提出的那樣，它們可能存在於不同的時間時期[參見《時間起點的神話》，作者：加布裡埃萊·韋內齊亞諾；《大眾科學》，2004年5月]。正如戴維·多伊奇所倡導的那樣，它們可能存在於我們所處的同一空間中，但在量子波函式的不同分支中[參見戴維·多伊奇和邁克爾·洛克伍德的《時間旅行的量子物理學》；《大眾科學》，1994年3月]。正如泰格馬克和丹尼斯·西亞瑪所建議的那樣，它們可能沒有位置，與我們的時空完全脫節[參見馬克斯·泰格馬克的《平行宇宙》；《大眾科學》，2003年5月]。
在這些選項中，最被廣泛接受的是混沌暴脹，我將重點關注它；然而，我的大部分評論也適用於所有其他提議。其想法是，廣闊的空間是一個永恆膨脹的虛空，其中量子效應不斷地產生新的宇宙，就像孩子吹泡泡一樣。暴脹的概念可以追溯到1980年代，物理學家們基於他們最全面的自然理論——弦理論——對其進行了詳細闡述。弦理論允許泡泡看起來彼此非常不同。實際上，每個宇宙的生命開始時不僅具有物質的隨機分佈，而且還具有隨機型別的物質。我們的宇宙包含諸如電子和夸克之類的粒子，它們透過諸如電磁力之類的力相互作用；其他宇宙可能具有非常不同型別的粒子和力——也就是說，不同的區域性物理定律。允許的區域性定律的完整集合被稱為景觀。在弦理論的某些解釋中，景觀是巨大的，確保了宇宙的巨大多樣性。
許多談論多元宇宙的物理學家，特別是弦景觀的倡導者，並不太關心平行宇宙本身。對他們來說，對多元宇宙作為概念的反對意見並不重要。他們的理論的生死取決於內部一致性，並且他們希望最終透過實驗室測試。他們假設他們的理論存在多元宇宙背景，而不用擔心它是如何產生的——這正是宇宙學家所關心的。
對於宇宙學家來說，所有多元宇宙提議的基本問題是宇宙視覺範圍的存在。範圍是我們能夠看到的最遠距離的限制，因為以光速（這是有限的）向我們傳播的訊號自宇宙開始以來沒有時間從更遠的地方到達我們。所有平行宇宙都位於我們的範圍之外，並且仍然超出我們看到的能力，現在或將來都是如此，無論技術如何發展。事實上，它們距離太遠，以至於對我們的宇宙沒有任何影響。這就是為什麼多元宇宙愛好者提出的所有主張都無法直接證實的原因。
支持者告訴我們，我們可以大致說明在離我們的宇宙範圍 1,000 倍、10100 倍、101,000,000 倍、甚至無限遠的地方會發生什麼——所有這些都來自我們在範圍之內獲得的資料。這是一種非同尋常的推斷。也許宇宙在一個非常大的尺度上是閉合的，並且那裡沒有無限遠。也許宇宙中的所有物質都在某個地方結束，然後永遠是空曠的空間。也許空間和時間在界定宇宙的奇點處結束。我們只是不知道實際發生了什麼，因為我們沒有關於這些區域的資訊，並且永遠不會有。
七個值得懷疑的論點
大多數多元宇宙支持者都是謹慎的科學家，他們非常清楚這個問題，但認為我們仍然可以對那裡發生的事情做出有根據的猜測。他們的論點大致分為七種型別，每種型別都遇到了麻煩。
空間沒有盡頭。 很少有人否認空間延伸超出我們的宇宙範圍，並且許多其他領域位於我們所見之外。如果存在這種有限型別的多元宇宙，我們可以將我們所見的推斷到範圍之外的領域，但隨著距離更遠，不確定性也越來越大。然後很容易想象更精細的變化型別，包括我們看不到的地方發生的替代物理學。但是，從已知推斷到未知型別的麻煩在於，沒有人可以證明你是錯的。科學家如何決定他們對時空不可觀測區域的描繪是對我們所見事物的合理還是不合理的推斷？其他宇宙可能具有不同的物質初始分佈，或者它們可能也具有不同的基本物理常數值，例如那些設定核力強度的常數？你可能會得到任何一種，這取決於你的假設。
已知的物理學預測了其他領域。擬議的統一理論預測了諸如標量場之類的實體，這是一種假設的與磁場等其他空間填充場的相對物。這些場應該驅動宇宙暴脹並無限期地創造宇宙。這些理論在理論上 основаны хорошо，但假設場的性質未知，實驗學家尚未證明它們的存在，更不用說測量它們假設的性質了。至關重要的是，物理學家尚未證實這些場的動力學會導致不同的物理定律在不同的泡泡宇宙中起作用。
預測無限宇宙的理論通過了一項關鍵的觀測測試。宇宙微波背景輻射揭示了宇宙在其炎熱的早期膨脹時代結束時的樣子。其中的模式表明，我們的宇宙確實經歷了一段暴脹時期。但並非所有型別的暴脹都會永遠持續下去並創造出無限數量的泡泡宇宙。觀測結果並未從其他型別中挑選出所需的暴脹型別。一些宇宙學家，如斯坦哈特，甚至認為永恆暴脹會導致與我們看到的背景輻射不同的模式[參見保羅·J·斯坦哈特的《暴脹辯論》；《大眾科學》，四月]。林德和其他人不同意。誰是對的？這一切都取決於你對暴脹場物理學的假設。
基本常數被精細調整以適應生命。關於我們宇宙的一個顯著事實是，物理常數具有恰到好處的值，足以容納複雜結構，包括生物。史蒂文·溫伯格、馬丁·里斯、倫納德·薩斯坎德等人認為，奇異的多元宇宙為這種明顯的巧合提供了一個簡潔的解釋：如果所有可能的值都出現在足夠大的宇宙集合中，那麼一定會在某個地方找到適合生命生存的值。這種推理尤其適用於解釋今天正在加速宇宙膨脹的暗能量密度。我同意多元宇宙是這種密度值的一種可能的有效解釋；可以說，這是我們目前擁有的唯一基於科學的選擇。但我們沒有希望透過觀測來檢驗它。此外，大多數對此問題的分析都假設物理學的基本方程在任何地方都是相同的，只有常數不同——但如果認真對待多元宇宙，情況就未必如此[參見亞歷杭德羅·詹金斯和吉拉德·佩雷斯的《在多元宇宙中尋找生命》；《大眾科學》，2010年1月]。
基本常數與多元宇宙預測相符。該論點透過暗示宇宙對於生命來說並非比嚴格意義上需要的更精細地調整，從而完善了前一個論點。支持者已經評估了各種暗能量密度值的機率。值越高，機率越高，但宇宙對生命越不友好。我們觀察到的值應該恰好處於不適宜居住的邊緣，而且它似乎確實如此[參見右圖]。該論點站不住腳的地方在於，如果沒有多元宇宙來應用機率概念，我們就無法應用機率論證。因此，這個論點在開始之前就假設了期望的結果；如果只有一個物理存在的宇宙，它根本不適用。機率是對多元宇宙提議一致性的探測，而不是對其存在的證明。
弦理論預測了宇宙的多樣性。弦理論已經從解釋一切的理論轉變為幾乎一切皆有可能的理論。就其目前的形式而言，它預測我們宇宙的許多基本屬性純粹是偶然發生的。如果宇宙是獨一無二的，那麼這些屬性似乎是無法解釋的。例如，我們如何理解物理學恰好具有那些高度受約束的、允許生命存在的屬性這一事實？如果宇宙是眾多宇宙之一，那麼這些屬性就完全有道理了。沒有什麼能使它們脫穎而出；它們只是在我們空間區域中出現的那些屬性。如果我們生活在其他地方，我們會觀察到不同的屬性，如果我們真的可以在那裡生存（在大多數地方，生命是不可能的）。但是弦理論不是一個經過嘗試和測試的理論；它甚至不是一個完整的理論。如果我們有證據證明弦理論是正確的，那麼它的理論預測可能成為支援多元宇宙的合法且基於實驗的論據。我們沒有這樣的證據。
所有可能發生的事情都會發生。在尋求解釋為什麼自然界遵守某些定律而不是其他定律時，一些物理學家和哲學家推測，自然界從未做出過這樣的選擇：所有可以想象的定律都在某個地方適用。這個想法部分受到量子力學的啟發，正如默裡·蓋爾曼令人難忘地指出的那樣，量子力學認為，凡是未被禁止的都是強制性的。一個粒子採取所有可能的路徑，而我們所看到的是所有這些可能性的加權平均值。也許整個宇宙也是如此，這意味著存在多元宇宙。但是天文學家絲毫沒有機會觀察到這種可能性的多樣性。事實上，我們甚至無法知道可能性是什麼。面對某些無法驗證的組織原則或框架（例如，所有可能的數學結構都必須在某個物理領域中實現（正如泰格馬克提出的））來決定什麼是允許的，什麼是不允許的，我們才能理解這個提議。但我們不知道這個原則會帶來什麼樣的存在，除了它必然包含我們周圍看到的世界之外。而且我們根本無法驗證任何此類組織原則的存在或性質。在某些方面，這是一個有吸引力的命題，但其對現實的擬議應用純粹是推測。
缺乏證據
儘管理論論證不足，但宇宙學家也提出了各種平行宇宙的經驗測試。如果例如我們的宇宙曾經與另一個泡泡宇宙發生碰撞（就像混沌暴脹情景所暗示的那樣），那麼宇宙微波背景輻射可能會帶有其他泡泡宇宙的一些痕跡。背景輻射也可能包含在永無止境的宇宙迴圈中，大爆炸之前存在的宇宙的殘餘物。這些確實是人們可能獲得其他宇宙真實證據的方式。一些宇宙學家甚至聲稱已經看到了這樣的殘餘物。然而，觀測主張受到了強烈質疑，並且許多假設的多元宇宙不會導致這樣的證據。因此，觀測者只能以這種方式測試某些特定類別的多元宇宙模型。
第二個觀測測試是尋找一個或多個基本常數的變化，這將證實物理定律並非完全不可變的假設。一些天文學家聲稱已經發現了這種變化[參見約翰·D·巴羅和約翰·K·韋伯的《不恆定的常數》；《大眾科學》，2005年6月]。然而，大多數人認為證據是可疑的。
第三個測試是測量可觀測宇宙的形狀：它是球形的（正曲率）、雙曲形的（負曲率）還是“平坦的”（無曲率）？多元宇宙情景通常預測宇宙不是球形的，因為球體自身閉合，只允許有限的體積。不幸的是，這個測試並不乾淨。我們範圍之外的宇宙可能具有與觀測部分不同的形狀；更重要的是，並非所有多元宇宙理論都排除了球形幾何形狀。
一個更好的測試是宇宙的拓撲結構：它是否像甜甜圈或椒鹽捲餅一樣環繞？如果是這樣，它的尺寸將是有限的，這將肯定會反駁大多數版本的暴脹，特別是基於混沌暴脹的多元宇宙情景。這種形狀會在天空中產生重複的模式，例如宇宙微波背景輻射中的巨型圓圈[參見讓-皮埃爾·盧米內、格倫·D·斯塔克曼和傑弗裡·R·威克斯的《空間是有限的嗎？》；《大眾科學》，1999年4月]。觀測者已經尋找過，但未能找到任何這樣的模式。但是，這種無效結果不能被視為對多元宇宙有利的證據。
最後，物理學家可能希望證明或反駁一些預測多元宇宙的理論。他們可能會發現反對混沌暴脹版本的觀測證據，或者發現迫使他們放棄弦理論景觀的數學或經驗不一致性。這種情況將削弱支援多元宇宙思想的大部分動機，儘管它不會完全排除這個概念。
太多的迴旋餘地
總而言之，支援多元宇宙的案例尚無定論。基本原因是該提議的極端靈活性：它更多的是一個概念，而不是一個定義明確的理論。大多數提議都涉及不同想法的大雜燴，而不是一個連貫的整體。永恆暴脹的基本機制本身並不會導致多元宇宙中每個領域的物理學都不同；為此，它需要與另一個推測性理論相結合。儘管它們可以組合在一起，但沒有什麼必然性。
證明多元宇宙合理性的關鍵步驟是從已知推斷到未知，從可檢驗推斷到不可檢驗。你得到的答案取決於你選擇推斷什麼。由於涉及多元宇宙的理論幾乎可以解釋任何事情，因此任何觀察都可以透過某些多元宇宙變體來容納。實際上，各種“證明”都建議我們應該接受理論解釋，而不是堅持觀測測試。但是，到目前為止，這種測試一直是科學事業的核心要求，而我們放棄它將自食其果。如果我們削弱對可靠資料的要求，我們將削弱科學在過去幾個世紀取得成功的核心原因。
現在，誠然，對一定範圍現象的令人滿意的統一解釋比對同一現象的各種單獨論證更重要。如果統一解釋假設存在諸如平行宇宙之類的不可觀測實體，我們可能很樂意接受這些實體。但是這裡的關鍵問題是需要多少個不可驗證的實體。具體而言，我們假設的實體數量是多於還是少於要解釋的現象的數量？就多元宇宙而言，我們假設存在大量——甚至可能是無限多的——不可觀測實體來解釋僅有的一個現有宇宙。這幾乎不符合14世紀英國哲學家威廉·奧卡姆的嚴格規定，即“實體不應超出必要性地增加”。
多元宇宙的支持者提出了最後一個論點：沒有好的替代方案。儘管科學家可能對平行世界的激增感到厭惡，但如果它是最好的解釋，我們將不得不接受它；相反，如果我們放棄多元宇宙，我們需要一個可行的替代方案。對替代方案的探索取決於我們準備接受哪種解釋。物理學家一直希望自然規律是不可避免的——事物之所以如此，是因為它們不可能以其他方式存在——但我們一直無法證明這是真的。也存在其他選擇。宇宙可能是純粹的偶然事件——它只是碰巧變成那樣。或者事物可能在某種意義上註定要如此——目的或意圖在某種程度上是存在的根本原因。科學無法確定哪種情況是正確的，因為這些都是形而上學問題。
科學家提出多元宇宙是為了解決關於存在本質的深刻問題，但該提議使最終問題懸而未決。關於宇宙的所有相同問題再次在多元宇宙中出現。如果多元宇宙存在，它是透過必然性、偶然性還是目的而產生的？這是一個形而上學問題，任何物理理論都無法為宇宙或多元宇宙回答。
為了取得進展，我們需要堅持經驗測試是科學核心的思想。我們需要與我們提出的任何實體進行某種因果接觸；否則，就沒有限制。連結可能有點間接。如果一個實體是不可觀測的，但對於確實被驗證的其他實體的屬性絕對必要，則可以將其視為已驗證。但隨後，證明它對於解釋網路絕對必要的責任就落在了肩上。我對多元宇宙支持者提出的挑戰是：你能證明不可見的平行宇宙對於解釋我們確實看到的世界至關重要嗎？並且這種聯絡是必不可少的且不可避免的嗎？
儘管我持懷疑態度，但我認為對多元宇宙的思考是反思科學本質和存在終極本質的絕佳機會：我們為什麼在這裡。它帶來了新的和有趣的見解，因此是一個富有成效的研究計劃。在看待這個概念時，我們需要保持開放的心態，但不要過於開放。這是一條微妙的道路。平行宇宙可能存在，也可能不存在；這個案例尚未得到證實。我們將不得不接受這種不確定性。科學的哲學推測沒有什麼問題，多元宇宙提議就是如此。但我們應該給它應有的名稱。