在過去的十年裡，一項非凡的宣告吸引了宇宙學家的注意：我們周圍不斷膨脹的宇宙並非唯一；還有數十億個其他的宇宙也存在。不是隻有一個宇宙——而是存在一個多重宇宙。在《大眾科學》的文章和諸如布萊恩·格林的《隱藏的現實》等書籍中，頂尖科學家們談到了一場超級哥白尼革命。在這種觀點中，不僅我們的星球只是眾多星球中的一個，甚至我們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，每個宇宙都在做著自己的事情。“多重宇宙”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止步於此。在它之外可能存在許多——甚至無限多的——與我們所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重宇宙，馬克斯·泰格馬克稱之為“level 1”。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。大多數將是貧瘠的，儘管有些將充滿生命。這種“level 2”多重宇宙的主要倡導者是亞歷山大·維連金，他描繪了一個引人入勝的畫面，其中包含一個無限的宇宙集合，擁有無限數量的星系、無限數量的行星以及無限數量的與你同名的人正在閱讀這篇文章。
自古以來，許多文化都提出過類似的說法。新的是，多重宇宙被斷言為一種科學理論，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。我對這種說法持懷疑態度。我不相信那些其他宇宙的存在已經被證明——或者永遠可能被證明。多重宇宙的支持者在極大地擴充套件我們對物理現實概念的同時，也在隱含地重新定義“科學”的含義。
地平線之外
那些認同廣義多重宇宙概念的人對如此大量的宇宙可能如何產生以及它們都位於何處提出了各種建議。正如艾倫·H·古思、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空間區域的空間區域 [參見 “自我複製的暴脹宇宙”，作者：安德烈·林德；《大眾科學》1994 年 11 月刊]。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紀元 [參見 “時間起源的神話”，作者：加布裡埃萊·韋內齊亞諾；《大眾科學》2004 年 5 月刊]。正如大衛·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 “時間旅行的量子物理學”，作者：大衛·多伊奇和邁克爾·洛克伍德；《大眾科學》1994 年 3 月刊]。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 “平行宇宙”，作者：馬克斯·泰格馬克；《大眾科學》2003 年 5 月刊]。
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在這些選項中，最廣為接受的是混沌暴脹，我將重點關注它；然而，我的大多數評論也適用於所有其他提案。其思想是，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孕育出新的宇宙。暴脹的概念可以追溯到 20 世紀 80 年代，物理學家們根據他們最全面的自然理論——弦理論，對其進行了詳細闡述。弦理論允許泡泡看起來彼此非常不同。實際上，每個泡泡開始時不僅具有物質的隨機分佈，而且還具有物質的隨機型別。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。整套允許的區域性定律被稱為景觀。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。
許多談論多重宇宙的物理學家，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，反對多重宇宙作為一個概念並不重要。他們的理論的成敗取決於內部一致性，並且他們希望最終能透過實驗室測試。他們假設其理論存在多重宇宙背景，而無需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，所有多重宇宙提案的基本問題是宇宙視覺視界的存在。視界是我們可以看到的最遠距離的限制，因為以光速（有限的）向我們傳播的訊號自宇宙開始以來還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視界之外，並且現在或將來，無論技術如何發展，都超出我們看到的能力。事實上，它們離我們太遠了，以至於對我們的宇宙沒有任何影響。這就是為什麼多重宇宙愛好者提出的任何主張都無法直接證實。
支持者告訴我們，我們可以大致說明在我們宇宙視界 1000 倍遠的地方，10
100 倍，101,000,000 倍，甚至無限遠處發生的事情——所有這些都來自我們在視界內獲得的資料。這是一種非同尋常的推斷。也許宇宙在非常大的尺度上閉合，外面根本沒有無限。也許宇宙中的所有物質都在某個地方結束，之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，並且永遠也不會有。
七個值得懷疑的論點
大多數多重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外面正在發生的事情做出有根據的猜測。他們的論點分為七大類，每一類都遇到了麻煩。
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重宇宙存在，我們可以將我們所看到的推斷到視界之外的區域，並且隨著距離更遠區域的推移，不確定性會越來越大。然後很容易想象更精細的變異型別，包括在我們看不到的地方發生的替代物理學。但是，從已知到未知，這種型別的推斷的問題在於，沒有人能夠證明你是錯的。科學家如何決定他們對不可觀測的時空區域的描繪是否是對我們所見所聞的合理或不合理的推斷？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？你可以得到任何一個，這取決於你的假設。
已知的物理學預測了其他區域。 擬議的統一理論預測了諸如標量場之類的實體，標量場是一種假設的類似於其他空間填充場（如磁場）的場。這些場應該驅動宇宙暴脹並無限期地創造宇宙。這些理論在理論上是有充分根據的，但假設場的性質是未知的，實驗人員尚未證明它們的存在，更不用說測量它們假定的性質了。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熱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個暴脹時期。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。觀測結果並沒有從其他型別中挑選出所需的暴脹型別。斯坦哈特等一些宇宙學家甚至認為，永恆暴脹會導致背景輻射中出現與我們所看到的不同的模式 [參見“暴脹辯論”，作者：保羅·J·斯坦哈特；《大眾科學》2011 年 4 月刊]。林德等人不同意。誰是對的？這完全取決於你對暴脹場物理學的假設。
基本常數針對生命進行了精細調整。 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，足以允許複雜結構的出現，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，奇異的多重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出現所有可能的值，那麼肯定會在某個地方找到適合生命生存的宇宙。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的密度。我同意多重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，對此問題的大多數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——但是，如果認真對待多重宇宙，情況就未必如此 [參見 “在多重宇宙中尋找生命”，作者：亞歷杭德羅·詹金斯和吉拉德·佩雷斯；《大眾科學》2010 年 1 月刊]。
基本常數與多重宇宙預測相符。 這個論點改進了前一個論點，它表明宇宙對生命的精細調整程度並不比嚴格意義上需要的程度更高。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剛好處於不適宜居住的邊緣，而且它似乎確實如此。該論點站不住腳的地方在於，如果沒有多重宇宙來應用機率的概念，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。機率是對多重宇宙提案一致性的探測，而不是對其存在的證明。
弦理論預測了宇宙的多樣性。 弦理論已經從一個解釋一切的理論轉變為一個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具有精確的、高度受約束的特性，從而使生命能夠存在這一事實？如果宇宙是眾多宇宙之一，那麼這些屬性就完全有意義了。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，我們將觀察到不同的屬性，如果我們真的可以在那裡生存（生命在大多數地方是不可能的）。但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重宇宙的合理且基於實驗的論據。我們沒有這樣的證據。
所有可能發生的事情都會發生。 在試圖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，一切未被禁止的都是強制性的。粒子採取所有可能的路徑，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，這意味著存在多重宇宙。但是天文學家根本沒有機會觀察到這種可能性的多樣性。事實上，我們甚至無法知道這些可能性是什麼。面對一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些物理領域中實現（如泰格馬克所提出的））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，但其擬議的應用於現實純粹是猜測。
缺乏證據
儘管理論論證不足，但宇宙學家也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混沌暴脹情景所暗示的泡泡碰撞過，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。背景輻射可能還包含在宇宙無盡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法。一些宇宙學家甚至聲稱看到了這樣的殘餘物。然而，觀測主張受到強烈質疑，並且許多假設可能的多重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重宇宙模型。
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 “不恆定的常數”，作者：約翰·D·巴羅和約翰·K·韋伯；《大眾科學》2005 年 6 月刊]。然而，大多數人認為該證據值得懷疑。
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）？多重宇宙情景通常預測宇宙不是球形的，因為球體會自身閉合，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部分不同的形狀；更重要的是，並非所有多重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，它的大小將是有限的，這將肯定會反駁基於混沌暴脹的多重宇宙情景。這種形狀會在天空中產生重複的圖案，例如宇宙微波背景輻射中的巨型圓圈。觀測者已經尋找過但未能找到任何此類圖案。但這種零結果不能被視為對多重宇宙有利的論據。這僅僅意味著特定型別的單一宇宙被排除在外。
最後，物理學家可能希望證明或反駁一些預測多重宇宙的理論。他們可能會找到反對混沌暴脹版本的觀測證據，或者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。這種情況將削弱支援多重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，支援多重宇宙的案例尚無定論。基本原因是該提案的極端靈活性：它更像是一個概念，而不是一個定義明確的理論。大多數提案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重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耦合。儘管它們可以組合在一起，但沒有什麼必然性。
證明多重宇宙合理性的關鍵步驟是從已知到未知，從可檢驗到不可檢驗的推斷。根據你選擇推斷的內容，你會得到不同的答案。由於涉及多重宇宙的理論幾乎可以解釋任何事物，因此任何觀測都可以透過某種多重宇宙變體來適應。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。但到目前為止，這種測試一直是科學努力的核心要求，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，我們就會削弱科學在過去幾個世紀取得成功的核心原因。
現在，誠然，對一定範圍現象的統一解釋比對同一現象的各種獨立論證更具分量。如果統一解釋必然假設存在不可觀測的實體（例如平行宇宙），我們可能會感到被迫接受這些實體。但這裡的關鍵問題是需要多少個不可驗證的實體。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數量？在多重宇宙的情況下，我們假設存在大量——甚至無限多——不可觀測的實體來解釋僅存在的一個宇宙。這很難符合 14 世紀英國哲學家威廉·奧卡姆的戒律，即“實體不應超出必要性而增加”。
多重宇宙的支持者提出了最後一個論點：沒有好的替代方案。儘管科學家可能會覺得平行世界的激增令人厭惡，但如果它是最好的解釋，我們將被迫接受它；反之，如果我們放棄多重宇宙，我們需要一個可行的替代方案。這種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事件——它只是變成了那樣。或者事物可能在某種意義上註定要成為現在的樣子——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是正確的，因為這些是形而上學問題。
科學家提出多重宇宙是為了解決關於存在本質的深刻問題，但該提案使最終問題懸而未決。與宇宙相關的所有相同問題在與多重宇宙相關的方面再次出現。如果多重宇宙存在，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，物理理論無法回答宇宙或多重宇宙的問題。
為了取得進展，我們需要堅持實證檢驗是科學核心的思想。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測的，但對於其他確實被驗證的實體的屬性來說是絕對必要的，那麼它可以被認為是經過驗證的。但隨後舉證責任轉移到證明它對於解釋網路來說是絕對必要的。我對多重宇宙支持者提出的挑戰是：你能否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？並且這種聯絡是必不可少的和不可避免的嗎？
儘管我持懷疑態度，但我認為對多重宇宙的思考是反思科學本質和存在終極本質的絕佳機會：我們為什麼會在這裡。它帶來了新的有趣的見解，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；該案例尚未證實。我們將不得不接受這種不確定性。基於科學的哲學推測（即多重宇宙提案）沒有任何問題。但我們應該將其命名為它本來的樣子。