編者注：在八月刊的大眾科學中，宇宙學家喬治·埃利斯描述了他為什麼對平行宇宙的概念持懷疑態度。在此，多重宇宙的支持者亞歷山大·維倫金和馬克斯·泰格馬克提出了反駁，解釋了為什麼多重宇宙可以解釋我們宇宙的如此多特徵——以及如何對其進行測試。
歡迎來到多重宇宙
作者：Alexander Vilenkin
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我們所知的宇宙起源於一場大爆炸，我們稱之為大爆炸。近一個世紀以來，宇宙學家一直在研究這場爆炸的餘波：宇宙如何膨脹和冷卻，以及星系如何逐漸被引力拉到一起。大爆炸本身的性質直到最近才成為焦點。它是暴脹理論的主題，該理論由艾倫·古思、安德烈·林德和其他人在 1980 年代初期提出，並導致了對宇宙的全新全球性看法。
暴脹是早期宇宙歷史中超快速加速膨脹的時期。它速度非常快，以至於在不到一秒的時間內，一個亞原子大小的空間斑點被吹脹到遠大於當前可觀測區域的尺寸。在暴脹結束時，驅動膨脹的能量點燃了粒子和輻射的熱火球。這就是我們所說的大爆炸。
暴脹的結束是由量子機率過程觸發的，並且不會在所有地方同時發生。在我們的宇宙鄰域中，暴脹在 137 億年前結束，但它仍在宇宙的偏遠地區繼續，並且像我們這樣的其他“正常”區域不斷形成。新區域以微小的、微觀的氣泡形式出現，並立即開始生長。氣泡不斷無限增長；與此同時，它們被暴脹膨脹推開，為更多氣泡的形成騰出空間。這個永無止境的過程被稱為永恆暴脹。我們生活在其中一個氣泡中，並且只能觀察到它的一小部分。無論我們旅行多快，我們都無法趕上我們氣泡不斷擴張的邊界，因此出於所有實際目的，我們都生活在一個自包含的氣泡宇宙中。
暴脹理論解釋了大爆炸的一些原本神秘的特徵，而這些特徵以前只能被假定。它還做出了許多可檢驗的預測，這些預測隨後被觀測結果驚人地證實。到目前為止，暴脹已成為領先的宇宙學正規化。
新世界觀的另一個關鍵方面源於弦理論，弦理論目前是我們對自然基本理論的最佳候選理論。弦理論允許存在大量解決方案，用於描述具有不同物理性質的氣泡宇宙。我們稱之為自然常量的量，例如基本粒子的質量、牛頓引力常數等等，在不同的氣泡型別中取不同的值。現在將此與暴脹理論結合起來。每種氣泡型別都有一定的機率在暴脹空間中形成。因此不可避免地，在永恆暴脹的過程中將形成無限數量的所有可能型別的氣泡。
宇宙的這種圖景，或者稱為多重宇宙，解釋了長期以來的謎團，即為什麼自然常數似乎是為了生命的出現而微調的。原因是智慧觀察者只存在於那些罕見的氣泡中，在這些氣泡中，純粹出於偶然，常數恰好適合生命的進化。多重宇宙的其餘部分仍然貧瘠，但沒有人會在那裡抱怨。
我的一些物理學家同事發現多重宇宙理論令人擔憂。物理學中的任何理論的成敗都取決於其預測是否與資料一致。但是我們如何驗證其他氣泡宇宙的存在呢？Paul Steinhardt 和喬治·埃利斯例如，他們認為多重宇宙理論是不科學的，因為它即使在原則上也無法檢驗。
令人驚訝的是，對多重宇宙圖景的觀測檢驗實際上是可能的。安東尼·阿吉雷、馬特·約翰遜、馬特·克萊班和其他人指出，我們不斷膨脹的氣泡與多重宇宙中另一個氣泡的碰撞會在宇宙背景輻射中留下印記——一個輻射強度較高或較低的圓形斑點。探測到具有預測強度分佈的這種斑點將為其他氣泡宇宙的存在提供直接證據。搜尋正在進行中，但不幸的是，無法保證氣泡碰撞發生在我們的宇宙視界內。
還有另一種方法可以遵循。這個想法是使用我們的多重宇宙理論模型來預測我們期望在區域性區域測量的自然常數。如果常數因氣泡宇宙而異，則無法確定地預測其區域性值，但我們仍然可以做出統計預測。我們可以從理論中推匯出多重宇宙中典型觀察者最有可能測量的常數值。假設我們是典型的——我稱之為平庸原理的假設——那麼我們可以預測我們氣泡中常數的可能值。
這種策略已應用於真空的能量密度，也稱為“暗能量”。史蒂文·溫伯格指出，在暗能量大的區域，它會導致宇宙非常快速地膨脹，阻止物質聚整合星系和恆星。觀察者不太可能在這些區域進化。計算表明，大多數星系（以及因此大多數觀察者）都位於暗能量與星系形成時期物質密度大致相同的區域。因此預測應該在我們宇宙的一部分中觀察到類似的值。
在很大程度上，物理學家並沒有認真對待這些想法，但令他們驚訝的是，在 1990 年代後期的天文觀測中，探測到了大致預期大小的暗能量。這可能是我們的第一個證據，證明確實存在一個巨大的多重宇宙。這改變了很多人的想法。
多重宇宙理論仍處於起步階段，一些概念問題仍有待解決。但是，正如倫納德·薩斯坎德所寫，“我敢打賭，在 22 世紀之交，哲學家和物理學家會懷舊地回顧現在，並回憶起一個黃金時代，在這個時代，狹隘的 20 世紀宇宙概念讓位於一個更大更好的[多重宇宙]……具有令人難以置信的規模。”
多重宇宙的反擊
作者：Max Tegmark
你真的生活在多重宇宙中嗎，還是這個概念超出了科學的範疇？
受到大眾科學八月刊中對多重宇宙的有趣評論的啟發，該評論由相對論先驅喬治·F·R·埃利斯撰寫，讓我給出我的看法。
多重宇宙的想法傳統上受到權威機構的冷落：喬爾丹諾·布魯諾和他的無限空間多重宇宙在 1600 年被燒死在火刑柱上，休·埃弗雷特和他的量子多重宇宙在 1957 年的物理學就業市場上被燒燬。我甚至親身感受到了一些熱度，資深同事暗示我與多重宇宙相關的出版物是胡說八道，會毀掉我的職業生涯。然而，近年來發生了巨大的變化。平行宇宙現在非常流行，在書籍、電影甚至笑話中都頻頻出現：“你在許多平行宇宙中通過了考試——但不是這個宇宙。”
這種思想的交流當然沒有導致科學家達成共識，但它使多重宇宙的辯論更加細緻入微，而且在我看來也更有趣，科學家們超越了互相叫喊口號，而是真正試圖理解對立的觀點。喬治·埃利斯的新文章就是一個很好的例子，如果你還沒有讀過，我強烈建議你讀一下。
我們所說的宇宙，指的是自大爆炸以來的 137 億年間光線有時間到達我們的球形空間區域。在談論平行宇宙時，我發現區分四個不同的層次很有用：第一層（在遙遠的空間中的其他此類區域，表觀物理定律相同，但由於事物的開端不同，歷史程序不同），第二層（空間區域，甚至表觀物理定律也不同），第三層（所謂希爾伯特空間中其他地方的平行世界，量子現實在那裡展開），以及第四層（由不同的數學方程控制的完全斷開的現實）。
在他的評論中，喬治對許多支援這些多重宇宙層次的論點進行了分類，並認為它們都存在問題。以下是我對他主要的反多重宇宙論點的總結
1) 暴脹可能是錯誤的（或不是永恆的）
2) 量子力學可能是錯誤的（或不是么正的）
3) 弦理論可能是錯誤的（或缺乏多種解決方案）
4) 多重宇宙可能是不可證偽的
5) 一些聲稱的多重宇宙證據是可疑的
6) 微調論點可能假設太多
7) 這是一個通往更大規模多重宇宙的滑坡
（喬治實際上並沒有在文章中提到 (2)，但我在這裡新增它是因為我認為如果編輯允許他超過六頁，他就會提到。）
我對這種批評的看法是什麼？有趣的是，我同意所有這七個陳述——儘管如此，我仍然很樂意用我的畢生積蓄來打賭多重宇宙的存在！
讓我們從前四個開始。暴脹自然會產生第一層多重宇宙，如果你加入具有可能解決方案景觀的弦理論，你也會得到第二層。數學上最簡單的（“么正”）形式的量子力學給你第三層。因此，如果這些理論被排除在外，那麼支援這些多重宇宙的關鍵證據就會崩潰。
記住：平行宇宙不是一種理論——它們是某些理論的預測。
對我來說，關鍵點是，如果理論是科學的，那麼即使它們涉及不可觀察的實體，研究和討論它們的所有後果也是合法的科學。為了使一個理論可證偽，我們不需要能夠觀察和檢驗其所有預測，而只需要至少一個預測即可。因此，我對 (4) 的回答是，科學上可檢驗的是我們的數學理論，而不一定是它們的含義，這完全沒問題。例如，由於愛因斯坦的廣義相對論已經成功預測了許多我們可以觀察到的事物，因此我們也認真對待其對我們無法觀察到的事物的預測，例如，黑洞內部發生的事情。
同樣，如果我們對暴脹或量子力學迄今為止的成功預測印象深刻，那麼我們也需要認真對待它們的其他預測，包括第一層和第三層多重宇宙。喬治甚至提到了永恆暴脹有一天可能會被排除在外的可能性——對我來說，這僅僅是永恆暴脹是一種科學理論的論據。
就將自己確立為可檢驗的科學理論而言，弦理論當然沒有暴脹和量子力學那麼先進。然而，我懷疑即使弦理論最終被證明是轉移注意力的東西，我們仍然會被第二層多重宇宙所困擾。數學方程具有多種解是很常見的，只要描述我們現實的基本方程確實如此，那麼永恆暴脹就會普遍產生物理上實現每個解決方案的巨大空間區域。例如，控制水分子的方程與弦理論無關，但允許對應於蒸汽、液態水和冰的三種解，如果空間本身也可以以不同的相存在，暴脹將傾向於實現所有這些相。
喬治列出了許多據稱支援多重宇宙理論的觀測結果，這些觀測結果充其量是可疑的，例如某些自然常數實際上不是常數的證據，宇宙微波背景輻射中與其他宇宙碰撞或奇怪連線的空間的證據等等。我完全同意他對這些說法的懷疑。然而，在所有這些案例中，爭議都圍繞著資料分析，很像冷聚變慘敗。對我來說，科學家們正在進行這些測量並爭論資料細節這一事實進一步證明這屬於科學範疇：這正是科學爭議與非科學爭議的區別所在！
我們的宇宙似乎令人驚訝地為生命進行了微調，因為如果你稍微調整一下我們的許多自然常數，我們所知的生命將是不可能的。為什麼？如果存在第二層多重宇宙，其中這些“常數”取所有可能的值，那麼我們發現自己處於罕見的適宜居住的宇宙之一中就不足為奇了，就像我們發現自己生活在地球而不是水星或海王星上一樣不足為奇。喬治反對你需要假設一個多重宇宙理論才能得出這個結論，但這就是我們檢驗任何科學理論的方式：我們假設它是真的，推匯出後果，並在預測未能與觀測結果相匹配時放棄該理論。一些微調顯得非常極端，令人尷尬——例如，我們需要將暗能量微調到大約 123 位小數才能使星系適宜居住。對我來說，無法解釋的巧合可能表明我們的科學理解存在差距。透過說“我們只是幸運——現在停止尋找解釋！”來駁斥它不僅令人不滿意，而且也等同於忽略了一個潛在的關鍵線索。
喬治認為，如果我們認真對待任何可能發生的事情都會發生，我們就會陷入通往更大規模多重宇宙的滑坡，例如第四層多重宇宙。由於這是我最喜歡的多重宇宙層次，而且我是為數不多的支持者之一，因此我很樂意滑下這個斜坡！
喬治還提到，多重宇宙可能會因引入不必要的複雜性而違反奧卡姆剃刀原理。作為一名理論物理學家，我判斷一個理論的優雅和簡潔性不是透過其本體論，而是透過其數學方程的優雅和簡潔性來判斷——對我來說，令人驚訝的是，數學上最簡單的理論往往會給我們帶來多重宇宙。事實證明，很難寫出一個理論，它恰好產生我們看到的宇宙，僅此而已。
最後，有一個反多重宇宙的論點，我讚揚喬治避免了它，但在我看來，對於大多數人來說，這是最令人信服的論點：平行宇宙似乎太奇怪了，不可能是真的。
在研究了反多重宇宙的論點之後，現在讓我們更仔細地分析一下支援多重宇宙的案例。我將論證，如果我們接受外部現實假設：存在完全獨立於我們人類的外部物理現實，那麼所有有爭議的問題都會消失。假設這個假設是正確的。那麼，大多數對多重宇宙的批評都基於以下三個可疑假設的某種組合
1) 全視假設：物理現實必須如此，以至於至少一個觀察者原則上可以觀察到它的全部。
2) 教學現實假設：物理現實必須如此，以至於所有理性地知情的人類觀察者都覺得他們直觀地理解它。
3) 無複製假設：沒有物理過程可以複製觀察者或建立主觀上無法區分的觀察者。
(1) 和 (2) 似乎僅僅是由人類的傲慢自大所驅動。全視假設有效地重新定義了“存在”這個詞，使其與我們人類可觀察到的事物同義，類似於將頭埋在沙子裡的鴕鳥。那些堅持教學現實假設的人通常會拒絕令人欣慰的熟悉童年概念，如聖誕老人、局域實在論、牙仙和創造論——但他們真的足夠努力地從更根深蒂固的令人欣慰的熟悉概念中解放出來了嗎？我個人認為，我們作為科學家的工作是試圖弄清楚世界是如何運作的，而不是根據我們的哲學先入之見來告訴世界如何運作。
如果全視假設是錯誤的，那麼就存在不可觀察的事物，並且我們生活在多重宇宙中。
如果教學現實假設是錯誤的，那麼多重宇宙太奇怪的異議就沒有邏輯意義。
如果無複製假設是錯誤的，那麼就沒有根本原因說明為什麼在外部現實的其他地方不能有你的副本——事實上，永恆暴脹和么正量子力學都提供了建立它們的機制。
我們人類有眾所周知的自大傾向，傲慢地想象自己處於中心舞臺，一切都圍繞著我們旋轉。我們逐漸瞭解到，實際上是我們圍繞著太陽旋轉，而太陽本身又圍繞著無數星系中的一個星系旋轉。由於物理學的突破，我們可能正在更深入地瞭解現實的本質。
我們必須付出的代價是變得更加謙虛——這可能會對我們有好處——但作為回報，我們可能會發現自己居住在一個比我們祖先在他們最狂野的夢想中夢想的還要宏偉的現實中。
延伸閱讀
多重世界合一：尋找其他宇宙。亞歷克斯·維倫金。希爾和王出版社，2006 年。
宇宙景觀：弦理論和智慧設計的幻覺。倫納德·薩斯坎德。後灣圖書出版社，2006 年。
隱藏的現實：平行宇宙和宇宙的隱藏定律。布萊恩·格林。克諾夫出版社，2011 年。