在過去的十年中，一項非凡的主張吸引了宇宙學家的目光：我們周圍不斷膨脹的宇宙並非唯一；還有數十億個其他宇宙也存在於那裡。不是隻有一個宇宙——而是一個多元宇宙。在大眾科學的文章和布萊恩·格林的《隱藏的現實》等書中，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是微不足道的。它只是無數宇宙之一，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視界。我們沒有理由懷疑宇宙就止步於此。在它之外可能存在許多——甚至無限多的——與我們看到的非常相似的區域。每個區域都有不同的物質初始分佈，但相同的物理定律在所有區域中都適用。今天幾乎所有的宇宙學家（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。大多數宇宙將是荒蕪的，儘管有些宇宙將充滿生命。這種“2 級”多元宇宙的主要倡導者是亞歷山大·維連金，他設想了一個包含無限數量星系的無限宇宙集合——以及無限多個與你同名的人正在閱讀這篇文章。
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自古以來，許多文化都提出了類似的說法。新鮮的是，多元宇宙是一種科學理論的斷言，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。我對這種說法持懷疑態度。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。多元宇宙的倡導者在極大地擴充套件我們對物理現實的理解的同時，也在含蓄地重新定義“科學”的含義。
超越視界
宇宙如何在多元宇宙中擴散，它們都位於哪裡？倡導者提出了幾種替代方案。宇宙可能位於遠遠超出我們自身宇宙的空間區域，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[參見安德烈·林德的文章“自我複製的暴脹宇宙”；大眾科學，1994 年 11 月]。它們可能存在於不同的時間時期，正如保羅·J·斯坦哈特和尼爾·圖羅克的迴圈宇宙模型中所提出的那樣[參見加布裡埃萊·韋內齊亞諾的文章“時間起點的神話”；大眾科學：《時間問題》，2014 年 11 月]。它們可能與我們存在於同一空間中，但在量子波函式的不同分支中，正如大衛·多伊奇所倡導的那樣[參見大衛·多伊奇和邁克爾·洛克伍德的文章“時間旅行的量子物理學”；大眾科學，1994 年 3 月]。它們可能沒有位置，與我們的時空完全脫節，正如泰格馬克和丹尼斯·西阿瑪所建議的那樣[參見馬克斯·泰格馬克的文章“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。混沌暴脹背後的想法是，廣闊的空間是一個永恆膨脹的虛空，量子效應在其中不斷地像孩子吹泡泡一樣產生新的宇宙。暴脹的概念可以追溯到 20 世紀 80 年代，物理學家根據他們最全面的自然理論：弦理論，對其進行了詳細闡述。
弦理論允許泡泡在基本方面彼此不同。實際上，每個泡泡的生命開始不僅具有物質的隨機分佈，而且還具有隨機種類的物質。我們的宇宙包含電子和夸克等粒子，它們透過電磁力等力相互作用；其他宇宙可能具有不同的粒子和力——因此，具有不同的區域性物理定律。全套允許的區域性定律被稱為景觀。在弦理論的一些解釋中，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異議並不重要。他們的理論的存亡取決於內部一致性，以及人們希望的最終實驗室測試。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——這才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視界的存在。視界是我們能夠看到的最遠距離的極限，因為以光速（有限的）向我們傳播的訊號自宇宙開始以來就沒有時間從更遠的地方到達我們這裡。所有平行宇宙都位於我們的視界之外，並且仍然超出我們現在或將來看到的能力，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。
支持者告訴我們，人們可以用概括性的語言說明我們宇宙視界的 1000 倍遠、10
100 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視界內獲得的資料。這是一個非同尋常的推斷。也許宇宙在一個非常大的尺度上是閉合的，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，之後是永遠的空曠空間。也許空間和時間在一個奇點處結束，這個奇點界定了宇宙。我們只是不知道，因為我們沒有關於這些區域的資訊。而且我們永遠不會知道。
七個值得懷疑的論點
大多數多元宇宙的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。他們的論點遵循七個廣泛的主題，每個主題都遇到了麻煩。
空間沒有盡頭。 很少有人否認空間延伸到我們的宇宙視界之外，並且許多其他區域位於我們所看到的範圍之外。如果這種有限型別的多元宇宙存在，那麼我們可以將我們所看到的推斷到視界之外的區域，我們的不確定性隨著距離的增加而增加。更容易想象出更精細的變化，包括我們在看不到的地方出現的另類物理學。這種從已知到未知的推斷的問題在於，沒有人可以證明你是錯的。
科學家如何決定他們對不可觀察區域的描述是對我們所見事物的合理還是不合理的推斷？如果其他宇宙具有不同的物質初始分佈，那麼它們也可能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？不同的假設意味著兩者中的一個或兩個。
已知的物理學預測了其他區域。 擬議的統一理論預測了標量場等實體，標量場是一種假設的與其他空間填充場（如磁場）相關的場。這些場應該驅動宇宙暴脹並無限地創造宇宙。這些理論在理論上是站得住腳的，但假設場的性質是未知的，實驗主義者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將導致不同的物理定律在不同的泡泡宇宙中執行。
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熾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繼續產生無限數量的泡泡宇宙。觀測結果並沒有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產生與我們所見的背景輻射不同的模式[“暴脹辯論”，作者：保羅·J·斯坦哈特；大眾科學：《宇宙的秘密》，2014 年 8 月]。林德等人不同意。誰是對的？這一切都取決於你對暴脹場物理學的假設。
基本常數是為生命精細調整的。 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，以允許複雜結構，包括生物的存在。史蒂文·溫伯格、馬丁·里斯、倫納德·薩斯坎德和其他人認為，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：如果在足夠大的宇宙集合中發生所有可能的值，那麼允許生命存在的宇宙是不可避免的。這種推理也被用來解釋暗能量的密度，暗能量正在加速當今宇宙的膨脹。
我同意多元宇宙是這種密度值的一種可能的解釋；它甚至可能是我們目前擁有的最佳選擇。但我們沒有希望透過觀測來檢驗它。而且，對這個問題的絕大多數分析都假設物理學的基本方程在所有地方都是相同的——只有常數不同。但是，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·佩雷斯的文章“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的預測相符。 這個論點透過提出宇宙的精細調整程度不會超過其嚴格需要的程度來改進前一個論點。支持者評估了暗能量密度的各種值的機率。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。
然而，如果沒有多元宇宙，我們就不能應用機率論證；如果只有一個宇宙物理存在，統計學根本不適用。因此，這個論點在開始之前就假定了期望的結果。機率可以探測多元宇宙提議的一致性，但不能證明它的存在。
弦理論預測了宇宙的多樣性。 在當前的弦理論中，幾乎一切皆有可能。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具有精確的、高度受限的屬性，從而允許生命存在這一事實？如果宇宙是眾多宇宙之一，那麼這些屬性就完全有道理了。沒有什麼特別選擇它們；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，我們就會觀察到不同的屬性，如果我們真的能夠在那裡存在的話。（生命在大多數地方是不可能的。）
不幸的是，弦理論尚未經過嘗試和測試；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以成為支援多元宇宙的合理、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。 一些物理學家和哲學家推測，自然界從未選擇遵守某些定律而不遵守其他定律；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，量子力學認為一切沒有被禁止的都是強制性的。一個粒子採取所有可能的路徑；我們看到所有這些可能性的加權平均值。宇宙整體情況可能也是如此，這意味著存在多元宇宙。
但是天文學家沒有機會觀察到這種可能性的多樣性。我們甚至無法知道這些可能性是什麼。這個提議需要一些無法驗證的組織原則來決定什麼是允許的，什麼是不允許的——例如，所有可能的數學結構都必須在某個物理領域中實現（正如泰格馬克所提出的）。然而，我們不知道這個原則會帶來什麼樣的存在，除了它必須包括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，但它對現實的擬議應用純粹是推測。
缺乏證據
宇宙學家還提出了各種針對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（如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迴圈中先於大爆炸的宇宙的跡象。這些確實是人們可能獲得其他宇宙真實證據的方法。一些宇宙學家甚至聲稱已經看到了此類跡象。然而，觀測主張存在很大爭議，而且許多假設可能的多元宇宙不會導致此類證據。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實際上發生變化的證據，這將證實物理定律並非如此不可變的假設。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·韋伯的文章“不恆定的常數”；大眾科學：《時間問題》，2014 年 11 月]。但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”（非曲率）？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。我們視界之外的宇宙可能具有與觀測到的部分不同的形狀。此外，並非所有多元宇宙理論都排除了球形幾何形狀。
宇宙的拓撲結構提供了更好的測試：它是像甜甜圈或椒鹽捲餅一樣環繞的嗎？環繞的宇宙是有限的，因此絕對與混沌暴脹情景不一致。閉合形狀會在天空中產生重複的模式，例如背景輻射中的巨大圓圈。觀測者未能找到任何此類模式。但這種無效結果只是排除了特定型別的單個宇宙——它並不需要多元宇宙。
最後，物理學家可能希望證明或證偽一些預測多元宇宙的理論。他們可能會找到反對混沌暴脹版本的觀測證據。例如，普朗克空間天文臺最近對宇宙微波背景輻射方向不均勻性的觀測傾向於質疑這些模型。或者他們可能會發現數學或經驗上的不一致性，迫使他們放棄弦理論的景觀。任何一種情況都會削弱支援多元宇宙思想的許多動機，儘管這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。根本問題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拼湊，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區域的物理學都不同；為此，它需要與另一個投機理論相結合。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，從可測試推斷到不可測試。根據你選擇推斷的內容，你會得到不同的答案。由於涉及多元宇宙的理論幾乎可以解釋任何事情，因此某些多元宇宙變體可以適應任何觀測結果。各種“證明”實際上是要求我們接受理論解釋，而不是堅持觀測測試。但到目前為止，這種測試一直是科學努力的核心要求，我們放棄它將危及自身。如果我們削弱對可靠資料的要求，我們就會削弱科學在過去幾個世紀取得成功的最核心原因。
現在，對一定範圍現象的統一解釋確實比針對相同現象的各種論點的雜亂拼湊更有分量。如果統一解釋必然假定存在不可觀察的實體（如平行宇宙），我們可能會感到不得不接受這些實體。
但這裡的關鍵問題是需要多少個無法驗證的實體。具體來說，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？在多元宇宙的情況下，我們假設存在大量——甚至可能是無限多的——無法觀察到的實體來解釋僅僅一個現有的宇宙。這幾乎不符合 14 世紀英國哲學家奧卡姆的威廉的嚴格規定，即“實體不應超出必要性而增加”。
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擴散感到厭惡，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。物理學家的希望一直是自然定律是不可避免的——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——它只是碰巧變成了那樣。或者事物在某種意義上可能是註定的——目的或意圖以某種方式構成了存在的基礎。科學無法確定哪種情況屬實，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。與宇宙相關的所有相同問題在多元宇宙中再次出現。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。這種聯絡可能有點間接。如果一個實體是不可觀察的，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，舉證責任轉移到證明它對於解釋網路絕對必要。我對多元宇宙支持者提出的挑戰是：你能證明看不見的平行宇宙對於解釋我們確實看到的世界至關重要嗎？而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的本質和存在的終極本質（我們為什麼在這裡）的絕佳機會。它帶來了新的和有趣的見解，因此是一項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——但不要太開放。這是一條需要謹慎行走的道路。
平行宇宙可能存在也可能不存在；這個案例尚未證實。我們將不得不忍受這種不確定性。基於科學的哲學推測並沒有錯，多元宇宙提議就是如此。但我們應該按照它的本來面目來稱呼它。