平行宇宙的設(shè)定，具備科學(xué)基礎(chǔ)嗎

加來道雄

縱觀歷史，幾乎在每個古代社會，人們都相信有其他層次的世界存在，有天神和幽靈的居所。現(xiàn)在，平行宇宙的概念成了理論物理學(xué)家辯論得最熱烈的話題之一。在科學(xué)文獻中，討論得最激烈的有至少3種類型的平行宇宙：超空間或高維空間、多元宇宙、量子平行宇宙。

超空間或高維空間

有一種平行宇宙是物理學(xué)中歷史最悠久的辯論對象——高維空間。我們生活在三維（長、寬、高）空間內(nèi)，這是常識。無論我們在空間中怎樣移動物體，所有的方位都可以用這種三維空間坐標表示。事實上，我們可以用這3個數(shù)字標出宇宙中任何物體的方位，從我們的鼻子尖到所有星系最遙遠的角落。

那么第四維空間呢，則似乎有違常識。2000年來，任何敢談?wù)摰谒木S度的數(shù)學(xué)家都要冒著被嘲諷的風(fēng)險。然而，黎曼的一次著名演說就像一陣強烈的旋風(fēng)，推翻了擁有2000年歷史的古希臘幾何學(xué)，建立了能夠解釋彎曲空間、高維世界的數(shù)學(xué)理論，至今我們?nèi)匀辉谑褂盟?/p>

在歷史上，物理學(xué)家一度認為四維空間不過是一種好奇心的產(chǎn)物。人們從來沒有發(fā)現(xiàn)過有關(guān)高維空間存在的證據(jù)。

弦理論

在美劇《生活大爆炸》中，主角謝爾頓主攻的研究方向就是弦理論。如果你是《生活大爆炸》的忠實觀眾，你能不能解釋出什么是弦理論呢？

超弦理論斷定，電子和其他亞原子粒子不過是一根弦的不同振動形式，它像一根微型橡皮筋那樣起作用。如果擊打橡皮筋，那么它將以不同的方式振動，每種振動相當(dāng)于一種不同的亞原子粒子。這樣，超弦理論就解釋了目前為止已經(jīng)在我們的粒子加速器中發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種亞原子粒子。愛因斯坦的理論事實上僅僅是弦的最低水平的振動之一。

弦理論被認為是一種“萬有理論”，是傳說中愛因斯坦在人生最后30年中感到困惑的理論。愛因斯坦想要一種單一的、全面的理論，概括所有物理定律。如果弦理論能正確統(tǒng)一廣義相對論和量子理論，那么它或許就象征著自2000年前古希臘人提出物質(zhì)由何組成的疑問以來，科學(xué)的最高成就。

但是，超弦理論的古怪特點在于，這些弦只能在特定的時空維度中顫動——它們只能在10維中振動，如果試圖在其他維度中創(chuàng)造一種弦理論，那么它會在數(shù)學(xué)推演中崩潰。

高中時我們學(xué)到，當(dāng)我們進入太空時，我們承受的地球引力會減小。更精確地說，引力的大小與距離的平方成反比。但這只是因為我們生活在一個三維世界中。如果宇宙有4個空間維度，那么，引力的大小就應(yīng)當(dāng)與距離的立方成正比。如果宇宙有n 個空間維度，那么引力應(yīng)當(dāng)以距離的n-1次冪減弱。牛頓著名的反平方定律經(jīng)測試證明在天文距離下極為準確，那就是為什么我們能以驚人的精確度讓空間探測器飛過土星的光環(huán)。

2008年，在瑞士日內(nèi)瓦郊外，大型強子對撞機投入使用，用于尋找名叫“超粒子”的新型粒子，它是超弦的一種較高的振動形式（你在自己周圍看到的一切都只是超弦的最低振動形式）。如果超粒子由大型強子對撞機發(fā)現(xiàn)，那它可能標志著一場我們看待宇宙方式的革命。在這樣的宇宙中，標準模型僅僅代表超弦的最低振動形式。

美國理論物理學(xué)家、2017年諾貝爾物理學(xué)獎得主基普·索恩說：“到2020年，物理學(xué)家會理解量子引力的定律，會發(fā)現(xiàn)它是弦理論的一種變體?！?/p>

除了高維空間，弦理論還預(yù)測了其他平行宇宙，那就是“多元宇宙”。

多元宇宙

普林斯頓高級研究所的愛德華·威騰和劍橋大學(xué)的保羅·湯森推斷，所有的5種弦理論其實是同一種弦理論——只要我們添加第11個維度。在第11維度中，可以存在一種新的、被稱為“膜”的數(shù)學(xué)對象（比如一個球體的表面）。這里有一種驚人的發(fā)現(xiàn)：如果一個人從11維掉入10維，全部的5種弦理論都會出現(xiàn)，就從一層膜開始。因此，所有的5種弦理論都不過是將一層膜從11維時空移到10維時空。

為了把這個發(fā)現(xiàn)形象化，我們來想象一個中間纏著一條橡皮筋的沙灘排球：想象用一把剪刀把球一切為二， 一半在橡皮筋上，一半在橡皮筋下，此時，將沙灘排球的上半部分和下半部分都去掉，剩下的就是橡皮筋——根弦。以同樣的方法，如果我們卷起第11維——一張膜所留下的，就只是它的中緯線，那是一根弦。

第11維給予了我們?nèi)碌膱D景。它還意味著或許宇宙本身就是一張膜，懸浮在一個11維時空中。并且，并非所有這些維度都必須很小。事實上，有些維度可能是無限大的。

這提出了我們的宇宙存在于一個其他的多元宇宙中的可能性。想象一大堆懸浮的肥皂泡，或者膜。每個肥皂泡代表一個懸浮在更大的11維超空間中的宇宙。這些肥皂泡可以與其他肥皂泡相互聯(lián)合，或者破裂，甚至短暫出現(xiàn)又消失。我們可能僅僅生活在這些肥皂泡宇宙之一的表面上。

根據(jù)弦理論的預(yù)測，有多少宇宙？弦理論認為宇宙可能有成千上萬個，個個符合廣義相對論和量子理論。

一般來說，這些宇宙之間的交流是不可能的。我們身體的原子就像被捕蠅紙困住的蒼蠅。我們能夠在自己的膜宇宙的三維中任意行動，但是我們不能跳下宇宙進入超空間，因為我們被粘在了自己的宇宙里。但引力作為時空的彎曲可以自由地在宇宙間的空間里懸浮。有一種理論認為，暗物質(zhì)（一種包圍宇宙的不可見物質(zhì)）或許是懸浮于一個平行宇宙中的普通物質(zhì)。同樣，有推測稱，暗物質(zhì)或許是一個懸浮于我們之上另一個膜宇宙中的普通星系。我們能夠感覺到這個星系的引力，因為引力會慢慢在宇宙之間流動，但是另一個星系對我們而言是不可見的，因為光在星系下面移動。這樣，這個星系將具有引力，但不可見，這符合對于暗物質(zhì)的描述。

大多數(shù)平行宇宙可能已經(jīng)死去，由無形的亞原子粒子（比如電子和中微子）氣體組成。在這些宇宙中，質(zhì)子或許是不穩(wěn)定的，因此我們所知的一切物質(zhì)都會慢慢衰變和融解。由原子和分子組成的復(fù)雜物質(zhì)在許多這樣的宇宙中或許不可能存在。其他平行宇宙可能恰恰相反，具有遠遠超出我們想象的復(fù)雜物質(zhì)形式。它們可能并不只擁有一種由質(zhì)子、中子和電子組成的原子，而是具有一系列令人眼花繚亂的其他穩(wěn)定物質(zhì)形態(tài)。

多元宇宙的理論具備一項對其有利的事實。當(dāng)我們分析自然的常數(shù)時，我們發(fā)現(xiàn)它們被“調(diào)節(jié)”得非常精確，允許生命存在。如果增加核聚變的強度，恒星就會以過快的速度燒盡，無法讓生命產(chǎn)生;如果降低核聚變的強度，那么恒星永遠不會燃燒，生命無法存在。如果加強萬有引力，那么我們的宇宙會在一場“大擠壓”中快速死去;如果減弱萬有引力，那么宇宙會膨脹到“大凍結(jié)”。事實上，大自然的常數(shù)中有大量“偶然”，允許了生命的存在。看起來，我們的宇宙存在于一個具有很多參數(shù)的宜居帶上，所有的參數(shù)都被“微調(diào)”成適合生命生存的模式。正如弗里曼·戴森所說：“宇宙似乎知道我們即將到來?！?/p>

量子宇宙

“量子宇宙學(xué)”的概念最初似乎在名稱上是自相矛盾的：量子理論涉及的是極小的原子世界，而宇宙學(xué)涉及的是整個宇宙。但想想這個：在大爆炸的那一刻，宇宙比1個電子還小，并且小得多。每一個物理學(xué)家都認同電子必須被量子化，即它們能存在于平行狀態(tài)中。因此，如果電子必須被量子化，如果宇宙曾經(jīng)小于1個電子，那么宇宙一定也存在于平行狀態(tài)中——一種自然通往“多世界”的方式。

在量子宇宙學(xué)中，物理學(xué)家從一個薛定諤方程的模擬入手，它支配電子和原子的波函數(shù)。他們使用作用于宇宙波函數(shù)的惠勒- 德維特方程。通常，薛定諤波函數(shù)定義的是時間與空間中的每一點，因此你就可以計算在時間和空間的那一點找到電子的可能性。但是宇宙波函數(shù)定義的是所有可能存在的宇宙。如果宇宙波函數(shù)碰巧在定義某個特定宇宙時很大，就意味著那個宇宙很可能會是一個特殊的宇宙。

霍金推動了這一觀點。他宣布，我們的宇宙是宇宙中特殊的存在。我們的宇宙波函數(shù)較大，其他大多數(shù)宇宙的波函數(shù)則接近于0。這樣，在多元宇宙中存在其他宇宙的可能性雖然很小，但有限。事實上，霍金試圖用這種方式得出膨脹率。在這幅景象中，一個膨脹的宇宙比不膨脹的宇宙更有可能存在，因此，我們的宇宙是膨脹的。

我們的宇宙來自時空泡沫的“虛無”，這一理論似乎完全無法驗證，但它符合一些簡單的觀測結(jié)果。

第一，許多物理學(xué)家指出，我們宇宙中的正電荷總數(shù)和負電荷總數(shù)相抵剛好為0，這非常驚人，至少在實驗的精確性之內(nèi)是這樣的。我們認為太空中的引力是主導(dǎo)力量，這是事實，但這不過是由于正負電荷正好相互抵消了。如果地球上的正負電荷之間有最微小的不平衡，那么它或許可以將地球撕裂，戰(zhàn)勝將地球維持成一個整體的引力。要解釋正負電荷之間的平衡有一個簡單的方法：假設(shè)我們的宇宙來自“虛無”，并且“虛無”沒有電荷。

第二，我們的宇宙的旋轉(zhuǎn)為0。盡管數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家和哲學(xué)家?guī)鞝柼亍じ绲聽栍昧硕嗄陼r間，試圖通過累加各個星系的旋轉(zhuǎn)來證明宇宙在旋轉(zhuǎn)，但如今，天文學(xué)家相信，整個宇宙的旋轉(zhuǎn)為0。如果宇宙出自“虛無”，那么這個現(xiàn)象就很容易解釋了，因為“虛無”的旋轉(zhuǎn)為0。

第三，我們的宇宙出自“虛無”有助于解釋為什么宇宙的物質(zhì)-能量內(nèi)容總和如此之小，甚至可能是0。當(dāng)我們將物質(zhì)的正能量和與引力相關(guān)的負能量相加時，兩者似乎完全相互抵消。根據(jù)廣義相對論，如果宇宙是封閉的、有限的，那么宇宙的物質(zhì)-能量總量應(yīng)該剛好為0。

第四，當(dāng)前，我們的科技遠不足以證明這些平行宇宙的存在，但平行宇宙的存在不與物理定律相悖。