随着当代宇宙学的发展，围绕多宇宙还是单宇宙的争论已经从最初的哲学争论演变为一场科学争论。支持多宇宙的科学家们描绘了各自形态各异的多宇宙图景，并给出了多宇宙何以可能的证据，而反对者则针对多宇宙的存在提出了质疑。
撰文 | 张丁澍 （硕士生）、赵丹（副教授，山西大学科学技术哲学研究中心）
古往今来，围绕多宇宙形成了无限的遐想。阿那克西曼德 (Anaximander)、伊壁鸠鲁 (Epicurus)、康德 (I. Kant) 等哲学家先后提出了不同的多宇宙构想。当代宇宙学上的多宇宙 (cosmological multiverse)，通常是指在我们所见的宇宙之外，还存在着其他有限多或无限多个宇宙，这些宇宙具有不同的自然定律、粒子的数量和质量、粒子间相互作用的形式和强度，甚至是宏观空间维度的数量。
随着20世纪以来科学的发展，多宇宙逐步获得了量子理论和弦理论等科学理论的支持。支持多宇宙者如温伯格 (S. Weinberg) 认为，多宇宙是可以与相对论媲美的新的革命，多宇宙理论的发展甚至将改变物理学理论的合法性基础。反对者如埃利斯 (G. Ellis) 则担忧多宇宙是一种神话，会削弱科学合理性的标准，是危险的。
那么，当代宇宙学中，多宇宙究竟是一种什么样的存在形态？物理学家们又为何存在如此大的分歧？
多宇宙的不同形态
宇宙学家们基于宇宙学的理论与观察证据建构了形态各异的多宇宙图景。其中，有在空间上同时存在的多个平行宇宙，有从时间上展开的多个宇宙序列，还包括数学上的多宇宙。
泡沫宇宙
空间多宇宙，典型如维伦金 (A. Vilenkin) 和林德 (A. Linde) 的“泡沫宇宙” (bubble universes) 。1980年，古斯 (A. Guth) 等人提出暴胀理论 (inflation theory) ，指出宇宙在大爆炸之后不到10-35秒的瞬间，经历了一个急剧膨胀的阶段，使早期宇宙膨胀为“一个巨大的、均匀的、各向同性的区域”[1]。1981年，林德修正了暴胀理论，并基于暴胀在1983年提出了“混沌暴胀” (chaotic inflation)。按照混沌暴胀学说，宇宙是“一个无尽无休、自我繁衍着的、能够产生出众多小宇宙的统一体，这些小宇宙的低能物理以及所处于的维度可能是彼此不同的”[2]。真空是无数的量子涨落，暴胀可能出现在任意一个涨落中，因暴胀速度不同形成了不同的泡沫。有的泡沫暴胀得慢，无法形成恒星和人类等结构；有的泡沫暴胀得太快，密度过于稀薄也无法形成恒星和行星。所有的泡沫处在一种杂乱无章的状态之中，它们以不同的速度在时空的不同区域中暴胀。这一图景就像是：香槟酒“嘭”地打开，瓶口源源不断涌出大量的气泡。倘若这是一个容量为无限大的酒瓶，宇宙泡沫便是刚开瓶的香槟酒瓶中的气泡，我们现在生存的宇宙仅是其中之一。
维伦金的“永恒暴胀” (eternal inflation) 进一步丰富了泡沫宇宙的图景。所谓永恒，是指虽然在某个子宇宙中暴胀结束了，但从多宇宙整体上看，暴胀会永远持续下去。当暴胀在泡沫宇宙中的某些区域停下来时，便会逐渐演化出与我们所生存的宇宙类似的宇宙泡沫。永恒膨胀意味着多宇宙整体既无开端也无结尾，因而遭到了霍金 (S. Hawking) 等人的反对。
泡沫宇宙[3]
量子力学多世界解释中世界的分裂[4]
量子力学的多宇宙
霍金所赞成的多宇宙是量子力学的多世界解释 (many-worlds interpretation of quantum mechanics) 意义上的，即把宇宙的历史与观测者联系起来，多宇宙产生于观测时的世界分裂。量子力学的多世界解释最早由埃弗雷特三世 (H. EverettⅢ) 于1957年在其博士论文中提出，用以消解量子力学中的测量问题。按照多世界解释，测量时波函数并不发生塌缩，而是世界进行了分裂，在分裂后的每一个世界中测量结果都是确定的。世界之间互不影响，分裂后的世界中的观测者既无法察觉到他所在的世界已经分裂了，也不可能看到另一个世界中的自己。1973年，德威特 (B. DeWitt) 与格雷厄姆 (N. Graham) 在整理埃弗雷特论文时，将“世界”一词等同于“宇宙”，指出世界的分裂所产生的正是不同的宇宙，宇宙犹如一棵无限生长的大树，各枝干按照量子力学的规则不断抽出新的枝条。区别在于前者这棵分裂的树木缺乏树干，而后者中树干正是宇宙最初的诞生。因而多世界解释也可以说是第一个多宇宙理论。
弦景观
超弦理论也形成了多宇宙的图景，不同之处在于其空间维度为九维，这是超弦理论的一致性所要求的空间维度，多余的6个空间维度形成了卡拉比-丘空间 (Calabi-Yau space)，卷曲起来不可见。2000年，弦理论学家布索 (R. Bousso) 和波尔钦斯基 (J. Polchinski) 发现真空的数量为10100~10500，而真空的不同情状将会导致不同的宇宙形态，从而描绘了一种多宇宙图景。弦理论家萨斯坎德 (L. Susskind) 将这种多宇宙的情景描述为“弦景观” (string landscape)。直观看来，弦景观就像一幅点彩画：从远处看，景观中遍布着平缓起伏的丘陵和山谷，不时出现高耸的山峰和幽深的峡谷；靠近观察，便会发现它们是由无数个几乎彼此接触的小圆点组成的。小圆点的大小不等，不同的点具有不同的能量。升起的山丘对应着更高的能量组态，凹陷的山谷则对应着较低的能量组态。量子涨落产生的“新”组态会随机地出现在景观中的任意位置，如果出现山谷中，它会稳定停留其中，并自主运行着一套特殊的物理定律；如果位于山顶，或出现在山脊，或被高挂于陡崖之上，它就会滚落到相对最低点 (如距离最近的山谷)，并在进入稳定状态之前释放出大量的能量。这一释放能量的滚动，便是暴胀。
弦景观[5]
弦景观具有与永恒暴胀极为吻合的特征，前者给予了多宇宙一个自然存在的理由，后者则为无数多个宇宙提供了一个自然过程，使它们能够顺利占领弦景观中每一个可能的山谷。因此我们也可以说，弦景观从理论上进一步发展了泡沫宇宙的图景。同时，由于弦景观中的每一点都有其特定的物理定律，因而从多宇宙的整体来看，我们现已了解的物理定律，不过仅是其中的局部法则。
数学多宇宙
更为微妙的多宇宙形态是由宇宙学家泰格马克 (M. Tegmark) 所描绘的。2003年，泰格马克在《科学美国人》(Scientific American) 上发表论文指出关于多宇宙最为重要的是确定其层级。他将多宇宙分为4个不同的层级，其中第一级是“空间中观测不到的遥远区域”[6]，第二级是泡沫宇宙和弦景观，第三级是量子力学的多宇宙 (泰格马克认为这一级是最具争议性的)，第四级是数学多宇宙 (mathematical multiverse)。数学多宇宙乃他的独创，他认为这是多宇宙的最高级，囊括了其余的多宇宙形态。“数学结构和物理实在从某种程度而言是相同的概念，数学方程式描述的每一个宇宙都是存在的。”[7]有无数多个数学结构，就有无数多个宇宙。数学多宇宙大大扩充了多宇宙的集合，把各种可能的宇宙和世界都划归为真实的存在。
泰格马克在数学多宇宙中的位置[6]：我们可以通过计算机列举数学结构，来确定自己在整个物理实在中的“地址”。但是，由于每层多宇宙中都存在无限多个成员，图中信封甚至也无法容纳下那个表示我们地址的数字串。
共形循环多宇宙
在上述空间和数学多宇宙之外，还有一种时间上展开的多宇宙。彭罗斯 (R. Penrose) 在其2006年的文章《大爆炸之前：一种不同寻常的新视角及其对粒子物理学的影响》(Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics) 中提出了时间上循环的多宇宙，他称之为“共形循环宇宙学” (conformal cyclic cosmology)。在共形循环多宇宙中，前一个宇宙的终点等价于下一个宇宙伊始时的大爆炸，二者在拓扑结构上是缝合在一起的，从而形成了一条无穷无尽的宇宙链。前一个宇宙的终点与下一个宇宙诞生的起点能通过“共形缩放”缝合起来的前提是，宇宙需要一个值为正的宇宙学常数，也就是需要暗能量。而我们的宇宙有暗能量，所以彭罗斯认为共形循环多宇宙是成立的。
纪元之间串联起来，形成一条循环无尽的链条[8]
宇宙已经经历过无数的膨胀与收缩，未来还将经历无数的膨胀与收缩。链中的每个宇宙称为“纪元” (aeon)，我们的宇宙是循环链条上的一环。只有辐射、光和其他没有质量的粒子能够穿过共形的边界，从一个纪元进入下一个纪元。而人类与万千生命，可能会在新的纪元演化中再次诞生，上演在宇宙的漫长历程中微不足道的文明的演进。
多宇宙如何得到青睐？
毕竟我们都没有看到我们所在宇宙之外的其他宇宙，那么多宇宙如何得到物理学家们的信赖呢?物理学家给出了下述三点理由。
首先，多宇宙理论为宇宙的微调(fine-tuning)和人择原理 (anthropic principle) 提供了最为自然的解释。宇宙为什么是这样的?1973年澳大利亚物理学家卡特 (B. Carter) 给出的回答是人择原理。也就是说，宇宙存在微调，微调使得自然规律和物理学常数、物质的基本构成及其属性、宇宙的膨胀率或质能密度等初始条件都适合于人类的产生，因而看起来像是人类选择了宇宙，否则的话为什么这些条件刚刚好就能产生人类呢？微调本身也需要解释，而多宇宙的存在能够自然地解释微调。如果存在非常多个宇宙，总有一个宇宙中的物理学规律、常数和初始条件适合于生命，那么微调就是一个自然的、概率性的过程。
多宇宙的存在能够把人择原理解释为是观察者选择的结果，从而不需要把人类置于宇宙的中心位置。实际上，在1543年哥白尼出版《天球运行论》证明地球不是宇宙的中心、人类也不具特殊性后，哥白尼原理 (Copernican principle) 成为公认的宇宙学原理。然而，这一原理却没有把宇宙中生命的罕见性考虑在内。由于科学观测必然涉及观察者的选择效应，我们观察到的宇宙必须与观察者的存在相一致。至少就人类而言，观察者意味着生命。显然，我们不可能在一个不允许生命出现和进化的地方观察宇宙。
其次，多宇宙的支持者们认为它是建立在暴胀理论和量子场论两大理论之上的逻辑推论，由于这两大理论有着坚实的证据支持，因而多宇宙也是成立的。威尔金森微波各向异性探测器 (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP) 与普朗克卫星 (Planck) 等观测结果表明，宇宙微波背景辐射中存在与密度涨落相关的微小温度波动，这些场波动与暴胀理论预测的超视界波动是一致的。且暴胀模型关于“宇宙在热大爆炸开始时的初始温度必须比普朗克温度低几个数量级”[9]的预测也得到了验证。
暴胀和我们所了解的其他所有场一样，本质上也是一个量子场，这意味着它的许多属性并非完全是确定的，而是呈概率分布。因此，在暴胀模型中，“滚动着的量子概率波函数处于一对竞争中”[10]，一方面是波函数本身的滚动速度，另一方面是波函数向外传播的速度。如果滚动速度快于传播速度，暴胀可以在任何地方立即结束，并且只有一个宇宙；但如果传播速度比滚动速度快，那么代表着传播速度的“涟漪”将从代表着暴胀场的平坦平台上“掉下来”，在这些区域中就会发生热大爆炸。随着时间的推移，越来越多的区域结束暴胀，接着开始热大爆炸，最终形成宇宙。这些区域将被永恒膨胀的空间隔开，从而失去因果联系，成为各自独立的宇宙。故而，如果暴胀和量子场论都是正确的，那么多宇宙即是两者结合的必然结果。
最后，从物理学发展史来看，多宇宙理论无疑是物理学家和宇宙学家为实现大统一所做的再一次尝试。1990年代，物理学家们在经历标准模型框架下利用对称性和动力学推导宇宙学常数等相关参数值的失败后，“开始怀疑宇宙之中有更深层次的东西在起作用”[11]。2000年前后，弦理论发现可能存在着巨量对称性破缺的真空，宇宙学常数在其中取值范围很广，可以为正，也可以为负。倘若多宇宙确实存在，那么我们目前所生存的宇宙就将成为其中一个重要样本，进而为解释我们实际观察到的宇宙学常数值奠定基础。迄今为止，宇宙学已经历了从地心说到日心说、从银河系中心主义到宇宙中心主义的发展过程，“我们研究宇宙的时间越长，宇宙就变得越大”[12]。从这一意义讲，多宇宙理论可以被看作是人类为探索宇宙图景而迈出的又一步。
多宇宙是科学吗？
尽管支持者们提出了各种各样相信多宇宙的理由，但反对者们却直击其不可检验性，对多宇宙提出了质疑。2014年，宇宙学家埃利斯和西尔克 (J. Silk) 在《自然》(Nature) 杂志上的一篇文章中，对以多宇宙为代表的当代物理学中的某些理论发出了警告，指出这些理论是不可证伪的，如果理论物理学的发展偏离可证伪性这一科学的合理性，将会使得科学本身的可信度受到威胁，进而损害科学的公众信誉。他们认为，从宇宙学和粒子物理学的角度来看，多宇宙的存在仅仅是一种推测，且这一推测目前是无法验证的。天文学家可能永远无法用望远镜观察到其他宇宙，粒子物理学家也无法用加速器观察到额外的维度。因为在多宇宙中，宇宙之间是不存在因果关联的。故而，多宇宙“只能是一种形而上学的假设”[13]，它不能也无法成为科学。如果它仅仅是一个哲学问题，那么科学家就应该放弃对它的研究。
反对的物理学家们基于对暴胀理论本身性质的思考，质疑了由其得出的多宇宙推论。他们认为，暴胀并不是一个严格的、定型的理论，在出现新的数据时，该理论总是可以进行适当的调整以适应新的证据。因此，即使在某些观测证据上支持暴胀，也不意味着暴胀理论在所有方面都是毫无疑问的。另外，关于是什么物理场推动了暴胀，关于暴胀粒子的描述也都没有定论，暴胀理论本身也存在多个不同的版本……这些问题的存在，使得基于暴胀推论得出的多宇宙也是可疑的。
质疑远不止于此，更有人宣称，多宇宙像是一种神话。戴维斯 (P. Davies) 直言，多宇宙仅仅是披上了科学外衣的有神论，“实际上是一个伪装的上帝”[14]。在戴维斯看来，多宇宙模型像是在说“存在一个宇宙设计师或选择者，他明智地从无限的宇宙购物清单中挑选出一个真实的宇宙”[14]。多宇宙在本体论上的无限扩张不仅与“奥卡姆剃刀”原则背道而驰，并且它与有神论一样，都诉诸一个无限的未知系统，需要预设无限的信息，以解释我们所能观察到的有限宇宙。二者虽然使用了不同的术语，但本质是相同的，因而多宇宙无异于有神论，多宇宙的存在及其论证最多只是一种宗教信仰，而非科学论证。
多宇宙存在与否的争论愈演愈烈。英国皇家学会主席里斯 (M. Rees) 直言，他对多宇宙有足够的信心，并愿意用自家狗的性命打赌。泡沫宇宙的创始人林德甚至为这个赌注加码，他说：“我用自己的命来赌。”而相对保守的物理学家和宇宙学家则更倾向于维持宇宙中心论的观点，即我们目前所生存的宇宙是唯一的宇宙。
正如我们所认识到的“宇宙”始终随着科学的发展不断深化，关于多宇宙的存在也不应急于下定论，而应当保持开放的心态。
[本文相关研究受教育部人文社会科学研究一般项目“量子引力理论中的形而上学问题研究”(22YJA720013)资助。]
参考文献
[1]Guth A. The inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems. Physical Review D, 1981, 23: 347-356.
[2]Linde A. Chaotic inflation. Physics Letters B, 1983, 129: 177-181.
[3]Swirlbush J. Why there might be many more universes besides our own. (2016-03-25)[2023-11-17]. https://www.popgorge.com/jaunts/2016/03/25/why-there-might-be-many-more-universes-besides-our-own.
[4]Anthonio D. The many-worlds theory. (2020-04-30)[2023-12-15]. https://www.deeconometrist.nl/other/the-many-worlds-theory.
[5]Than K. The string theory landscape. (2018-09-10)[2023-11-25]. https://news.stanford.edu/2018/09/10/string-theory-landscape.
[6]迈克斯·泰格马克. 穿越平行世界. 汪婕舒, 译. 杭州: 浙江人民出版社, 2017: 355.
[7]Tegmark M. In science and ultimate reality: From quantum to cosmos. Cambridge: Cambridge University Press, 2003: 459.
[8]Penrose R. From black-hole singularities to cyclic cosmology. (2022-02-02)[2023-10-07]. https://www.aip.org.au/event-4659043.
[9]Frank A, Siegel E. Is the multiverse real: Two astrophysicists debate. (2022-02-24)[2023-12-03]. https://bigthink.com/13-8/is-the-multiverse-real.
[10]Siegel E. Starts with a bang: This is why physicists suspect the multiverse very likely exists. (2021-12-30)[2023-12-06]. https://bigthink.com/starts-with-a-bang/physicists-multiverse-exists.
[11]Wilczek F. Enlightenment, knowledge, ignorance, temptation// Carr B (Ed.). Universe or multiverse?. Cambridge: Cambridge University Press, 2007: 43-54.
[12]Carr B. Introduction and overview// Carr B (Ed.). Universe or multiverse?. Cambridge: Cambridge University Press, 2007: 3-28.
[13]Ellis G, Silk J. Scientific method: Defend the integrity of physics. Nature, 2014, 516(7531): 321-323.
[14]Davies P. Multiverse cosmological models. Modern Physics Letters A, 2004, 19(10): 727-743.
本文经授权转载自微信公众号“科学杂志1915”，刊载于2024年第76卷第2期《科学》杂志（P21-P25）。
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