多重宇宙

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2024/04/29 06:54:42
【平行空间的概念】
让我们先来看一个著名的“祖母悖论”。大意是说:如果我们通过时空隧道回到了过去,遇见了我们的祖母,而我们又不幸的害死了祖母,那么既然祖母在年轻的时候就死了,未来的我又从哪里来?既然没有了我,我又怎么会回到过去害死祖母?这样便产生了一个悖论。
这个悖论是建立在爱因斯坦的广义相对论的基础上。广义相对论认为我们的宇宙是平行相通的,可以通过孔洞回到过去。正如所设想的一样,如果回到过去成立,就必然产生上述的悖论。在爱因斯坦的狭义相对论中,我们又被告知时间和空间是彼此联系的,由于光速恒定,所有运动,甚至时间本身都必须与之相对应,由此时间也是相对的。于是,人们为解释上述悖论,提出“平行宇宙”的概念,这就是霍金的“平行空间理论”。
是否有另一个你正在阅读和本文完全一样的一篇文章?那个家伙并非你自己,却生活在一个有着云雾缭绕的高山、一望无际的原野、喧嚣嘈杂的城市,和其它7颗行星一同围绕一颗恒星旋转,并且也叫做“地球”的行星上?他(她)一生的经历和你每秒钟都相同。然而也许她此刻正准备放下这篇文章而你却打算看下去。
这种“分身”的想法听起来奇怪而又难以置信,但似乎我们不得不接受它,因为它已为各种天文观测的结果所支持。如今最流行同时也最简单的宇宙模型指出,离我们大约10^(10^28)米外之处存在一个和我们的银河一模一样的星系,而那其中正有个一模一样的你。虽然这距离大得超乎人们的想象,却毫不影响你的“分身”存在的真实性。该想法最初起源于很简单的“自然可能性”而非现代物理所假设:宇宙在尺寸上无限大(或者至少足够大),并且象天文观测指出的那样--均匀的分布着物质。既然如此,按照统计学规律便可以断定,所有的事件(无论多么相似或者相同)都会发生无数次:会有无数个孕育人类的星球,它们之中会有和你一摸一样的人--一模一样的长相、名字、记忆甚至和你一模一样的动作、选择--这样的人还不止一个,确切的说,是无穷多个。
最新的宇宙学观测表明,平行宇宙的概念并非一种比喻。空间似乎是无限的。如果真是这样,一切可能会发生的事情必然会发生,不管这些事有多荒唐。在比我们天文观测能企及范围远得多的地方,有和我们一模一样的宇宙。天文学家甚至计算出它们距地球的平均距离。
你很可能永远见不到你的“影子”们。你能观测到的最远距离也就是自大爆炸以来光所行进的最远距离:大约140亿光年,即4X10^26米--定义了我们可观测视界的大小,或者简单地说,宇宙的大小,又叫做哈勃体积。同样的,另一个你所在的宇宙也是个同样大小的球体。以上便是对“平行宇宙”最直观的解释。每个宇宙都是更大的“多重宇宙”的一小部分。
圣经中所罗门的言论:
《传道书》 1:9 已有的事,后必再有。已行的事,后必再行。日光之下并无新事。
《传道书》 1:10 岂有一件事人能指着说,这是新的。那知,在我们以前的世代,早已有了。
《传道书》 1:11 已过的世代,无人记念,将来的世代,后来的人也不记念。
《传道书》 3:14 我知道神一切所作的,都必永存,无所增添,无所减少。神这样行,是要人在他面前存敬畏的心。
《传道书》 3:15 现今的事早先就有了。将来的事早已也有了。并且神使已过的事重新再来。(或作并且神再寻回已过的事)
《传道书》 9:16 我就说,智慧胜过勇力。然而那贫穷人的智慧,被人藐视,他的话也无人听从。
希腊神话传说中的类似言论
天空中的大部分行星在2500万年后,都会回到自己初始的轨道,宇宙是公正的,它给所有人的机会都是一样的----2500万年!2500万后,我们将再次经历我们现在所经历的一切,遇见我们所遇见的人......【霍金的解释】
霍金解释,时间旅行者回到过去改变历史后,时间线便出现分杈,分杈的时间线展开的是另一段历史。然而,如果我们能够回到过去,就可能破坏因果规律。于是,祖母悖论也被这样解释:由于时间与空间相关,因此祖母被害,世界因历史的改变被一分为二,从而产生时空的分枝,那么在这个空间里的我就不存在了,但另一个空间的祖母仍然存在,也便还有我存在。
【另一种疑惑】
这个空间的我不存在了,我怎么回去杀害祖母?没有了“我”,祖母怎么会被杀害?所以说,我不认为有时光倒流。即使说是平行的空间,那只不过是有不同命运的同样的我,不代表可以回到过去。假设这个“过去”是另一个空间,那这个空间又没了“我”,始终会少了一个“我”,也许有无穷个宇宙,无穷个“我”,但在无穷里的其中一个我——无穷分之一,是不能被忽略的。所以说,我认为还是有矛盾。至于到底有没有平行空间,也许有科学家能够通过实验来证明应该是有,可是很难理解。【科幻作品的题材】
既然人类回到过去理论上成立,“时间机器”、“时间旅行”便成为科幻作品中被广泛采用的题材。“时间机器”最早出现在1895年威尔斯的小说《时间机器》里,那时的设想只是作者的幻想,直到狭义相对论与广义相对论相继问世,这一设想开始有了一定的物理学根据,类似题材的科幻电影也因此有了科学的依据。正因为有了科学为依托,在科学与幻想间才会有一个一个无比耐人寻味的故事。如科幻喜剧《回到未来》,主人翁马丁和布朗博乘坐时间机器在过去与未来间穿梭,并与那个时空的人产生交互行为,从而引起时空的分枝,创造出与原时空不同的结局。在这部影片里,导演就把世界因历史改变产生分枝从而导致的因果关系表现得淋漓尽致,也因此让这部系列影片成为经典。【“后置平行宇宙”的定义】
这种因时空旅行,改变了历史,才会有新的平行世界分化出来的平行宇宙叫“后置平行宇宙”,既然有后,自然也会有先。最典型的例子是《宇宙追缉令》里,李连杰所处的平行宇宙称作"先置平行宇宙",就是说不管你玩不玩时空挪移,无限多个宇宙原本就存在,有本事你就可以在里面窜来窜去。
这么说近似于无稽之谈,可是,专家们又说,科幻电影中的想象不能当作无稽之谈看待,因为这些想象即使有的没有科学依据,但它会通过扩展人们的想象力来影响科学。如果,我们往高深点说去,《宇宙追缉令》所创造的世界就可以牵涉到量子物理学的内容。【普朗克常量的解释】
如果从普朗克常量来解释目前的宇宙,我们更容易论证平行宇宙存在的可能性。
所谓的普朗克常量,就是最基本的能量表示单位。我们所存在的这个星球上,每个物质都有小到不可划分的单位,我们通常用原子来表示这个最小单位,同样,每个物质都有能量,有的能量大,有的能量小,那么能量也应该有个最小的单位,物理学上把这个最基本的能量单位称为普朗克常量。任何物质所包含的能量都是普朗克常量的整倍数,不过这仅仅局限于我们所存在的这个世界。
如果,我们把这一规律无限地延展,势必会有一个普朗克常量不是我们所认知的普朗克常量的世界存在。比如用“1”来表示我们所知世界的普朗克常量的数值即“普朗克常数”,如果另一个世界的普朗克常数的取值是“2”,那么另一个世界就是建立在普朗克常数为“2” 的基础之上。而从1到2之间又有无数个可取的值,因此可能平行存在的世界也就应该是无穷无尽。可是我们为什么看不到他们,感觉不到他们,如果位置重叠,我们和他们相遇而看不到对方,会不会撞在一起呢?答案是否定的。最能直接表示两者之间关系的例子就是奇数与偶数。奇数与偶数之间不会有交点,永远这样平行存在着,所以他们相遇时会毫无阻碍的穿过对方队列,即不可能感知对方,更不可能相撞。同样,普朗克常量不一样的两个世界就如一排奇数和一排偶数,是能量最小单位的不一样把我们分在了两个空间,不可能感知对方,更不可能相撞。
虽然理论上这样的时空可以生成无穷多个,但并不能真的像奇数与偶数一样可以从中取出多个值。通过解普朗克常量方程,科学家们只能得出方程的几个合理的解,由此可以构造出几个可能存在的平行空间。但在量子物理学不确定因素的影响下,这些平行空间也可能是不稳定的,如果由这些不确定的普朗克常量构成的平行空间,就存在消亡的可能。【物理中的平行空间】
首先,由最简单的零维开始。所谓的维度是用来衡量空间的一种矢量单位(有方向的单位),例如一维空间的维度是“X(长)”,二维空间的维度是“X、Y(长、宽)”,以此类推。因为零维空间只有一个点,无论从任何维度来看,这个点都不具备方向与长度,所以它没有维度,只能用0来表示,也就是所谓的原点。同理,比它低级的空间是不存在的。所以,零维空间只能投影到更高级的空间。
下面开始讲一维空间。一维空间的方向有一个,如果用几何学表示,可以写成数轴。如果一维空间中的物体想直接来到自己空间中的某一点,而不经过其他线段,那么它只要突破了一维而来到二维,那么它就都可以做到了,因为它可以从外部随意选择这个空间的一段进入。但是如果想这样它就必须具备一个前提条件,那就是变成二维空间中的物体,因为二维空间要比它多一个维度,作为一维空间中单独的物体,身处二维空间(X轴、Y轴)中它只是维度“宽”无限接近于零的物体,而物理常识告诉我们无限接近于零的存在可以完全忽略,所以它是不会存在的。所以它要想存在于二维空间或从外部进入到一维世界,只有两个方法:增加维度和空间投影。
增加维度就是制造空间。例如一条直线上有一个线段想要直接到这条直线上的另外一点,那么它可以在这个二维空间中创造出一个新的一维空间来连接到原来空间中的某一点,从而通过这个空间达到跳跃的目的。如果它想创造一个二维空间的话,就必须增加维度,也就是所谓的制造异次元空间。它可以从原来的空间中的某一点分出一个新的空间,看上去,好像两个都属于一维空间;但是因为这两个空间都是存在于更高的维度之上的,所以它们已经构成了二维空间的架构,而这两个一维空间,就是彼此的平行空间了。我们可以称这种平行空间为干预型平行空间(以下简称干平)。
而空间投影则是另外一种方法。大家都知道,二维空间中包含了无数的一维空间,而其中的两个一维空间平行或者相交了(平行的可能性只能有一种)。相交的两条线在交点处产生了一个点,而这个点则从这里同时沿着两个空间延伸出去。在延伸出去的两个空间里,又有无数的空间相交了进来,所以造成了无数的干平。而那些干平也被更多的干平所干预。这样一来,所有的空间都会留下其余所有干预空间的投影。不过在更高维度的空间里,这种干预就会变得最小,这时,只有两条互相平行的空间互相的干预才是最大的(因为互相都有在彼此空间的投影)。而如果其中一个空间想要进入自己这个空间的另一段,只要进入最近的平行空间,然后顺着那另外的空间上相对的一点回到自己的空间就可以了。不过因为自己在另一个空间有着影射的那一点,所以要想进入并存活下来,只能消灭自己在那个空间上的影射点,否则就只能用第一种方法,另外制造一个空间了。
还要注意的就是空间延伸的速度问题。例如两个平行的平行空间,他们延伸的速率是不同的,其中贝它空间比阿尔发空间的延伸速率要快。那么当从阿尔发空间上的一点进入贝它空间后,向前移动了一些或者干脆没动,等它回到阿尔发空间后却会发现自己已经向前移动了很多(这就是所谓的天上一天,地上一年)。其实在彼此空间的单位都是一样的,只是相对延伸的速率不同而已。
那么维度都是怎么来衡量的呢?众所周知,一维为长度(X),二维为长和宽(X,Y),三维为长、宽和高(X,Y,Z)。从前面三个维度的衡量来看,高一级空间多出来的维度其实就是前一个空间所没有的,而且每个空间的物体可以操作自己的矢量方向(例如一维空间可以改变正负两个方向和长,二维空间可以改变长和宽,三维空间的物体可以变换长、宽和高等)。那么大家仔细想想,我们这个空间应该是几维空间呢。
很多人认为我们处在三维空间,可能从几何课上老师都是这么教的(初、高中的几何课)但是大学后老师就会告诉我们:我们其实身处四维空间而不是三维空间。因为我们忽略了一个非常重要的矢量单位——能量的衰变。可能有人要问我了,我们现在不是用时间来衡量世界吗,例如8点做了什么,9点又做了什么,按你这么说,我们应该在五维空间才对啊。但是我请大家想想,这个所谓的时间又是从什么进化而来的呢。想想以前没有钟表的时候,我们看的是日出日落,看得是沙漏,看得是石头在木头上刻着的数字符号。那么这些变化又是什么呢,这些都是由能量的衰变造成的,所有的时间概念都是根据地球上或者太阳系上的种种能量衰变推测而来的。试想一下,如果有一天地球自转的速度变慢了,那么时间是不是就因此变多了呢?一个健康的人本来70岁病死了,这回却40岁就病死了,因为一年变成了过去的几年,而它的能量衰变值却没有变,除非你人为的改变它。
那么我们现在来写出我们这个四维空间的维度单位吧:长、宽、高和能量衰变值(X,Y,Z,Φ)。由一维到三维的推论得出,如果想进入更高维度的空间,就需要在一定的单位的空间中,创造超过它所能容纳的数值,也就是用超高的能量输出来创造一个干预型四维空间,从而做出我们的平行空间。这就是我这部作品的技术根据。而因为每个平行空间的延伸速率都不一样,所以即使是同一时期开始的空间中,发展的程度也是不一样的,而我把用来衡量这个速率的第五个维度的单位命名为:宇宙年。【总结】
有这么一个著名的电子双夹缝实验,一颗电子通过了夹缝,在屏幕上出现的位置并非夹缝的直线投影,而是偏折了一个角度。累积很多电子的话,会产生干扰条纹,这些电子好像分身似地同时通过了两道夹缝并产生干涉现象。但,假如我们在每条夹缝中各安装了探测器,电子又变得只会选择其中一道夹缝通过,不会出现干涉现象。如何去解释这种怪现象呢?物理学家们同样提出了“平行宇宙”的说法。他们认为,电子其实仍然是同时通过了两道夹缝的,只是在我们的宇宙中他通过其中一道,而在另一个宇宙中他通过了另一道,从而来弥补在这个世界中缺失了的状态。很可能,平行宇宙原本就存在,只是我们目前无法从实验中得到证实。
那么,对于“祖母悖论而言”,也可以这样认为,宇宙有无数个平行的空间,于是也就能产生无数个并行的时间。即使我们不幸害死了祖母,在这个时空的我就不可能存在,而另一个时空的祖母还活着,于是我也还存在。按此说来,平行宇宙也无所谓“前置”与“后置”之分,任何物质都在运动,都在分化,小到一个粒子,无时无刻,说分就分,世界也因此一直在分化。比方说走路,我在路上走着,前方随时可能出现两条路,我在思考是选择走左边还是选择走右边?于是,世界在我的选择中一分为二,一个我走了左边,另一个我走了右边,这一分化便决定了我这个世界可能的命运,选择走左边的我下一秒钟可能遇到一个乞丐,于是,世界又开始分化,我又得决定是否需要施舍;走右边的我可能遇到一位妙龄女郎,从而有机会与她结伴同行。是不是很奇妙呢?命运因选择而有了不同的结果。这一点,在尼古拉斯·凯奇主演的科幻电影《预见未来》中得到了淋漓尽致的体现。
说到因果关系,我们会想到“蝴蝶效应”。引用网上的解释,“一只南美洲亚马孙河流域的蝴蝶,偶尔扇动几下翅膀,可能引起美国德克萨斯的一场龙卷风。其原因在于:蝴蝶翅膀的运动,导致其身边的空气系统发生变化,并引起微弱气流的产生,而微弱气流的产生又会引起它四周空气或其他系统产生相应的变化,由此引起连锁反应,最终导致其他系统的极大变化。”用辩证法来说:事物是普遍联系的。如果追述宇宙起源于一场大爆炸,那么大爆炸一瞬间的动能、方向、速度等等,决定了之后所有发生的事物,或许也决定了你我的出生和死亡,这样想一想,我们的现实世界也充满了无比的乐趣呢!
不过,一切都不是定数,因为量子物理学中也有着不确定性。如一个电子撞击一个质子既可能转向左边也可能转向右边,因无法把握这种不确定性,因此,电子转向左边或转向右边的两种可能性,也就形成了两个平行的宇宙世界。【平行空间的疑惑】
有人是这样理解相对论的:如果一个钟,以0.5倍声速从原点远去,我们会听到什么现象呢?
一秒钟时,它距离原点0.5声秒距离报1秒,但这个事件我们在原点听见,需要再过0.5秒,于是我们发现,在本地钟1.5秒时,远处的钟报1秒,本地钟3秒时,远离的钟报2秒,也就是我们在忽略测量时间时,误以为远去的钟慢了。而且速度越快,钟慢得越厉害。超过声速我们将追上钟以前发出的声音,也就是先听到钟敲3下,报3点,再听到钟敲2下,报2点,然后听到钟敲1下,报1点,这就是超过声速时间倒流现象!
钟慢、尺缩、超光速时间倒流现象,都可以用声音试验做出效果。
爱因斯坦自己的理解,速度无穷大,“绝对同时”有意义,但观测速度上限是光速,因此“绝对同时”无意义。
说明爱因斯坦有时候明白相对论是由于光速太慢,引起的测量问题。如果测量速度无穷大,则同时性的相对性问题不存在。对一群盲人来说,测量速度的上限是声速,则爱因斯坦奉献给他们的伟大理论将是声速相对论,但不能因此得出声速最快。
时间本是人类为表述自然过程而制定的一个参数。它确实应该象牛顿所说,与其它事件无关的均匀流逝,其它的时间,都是不符合定义的。所以,时间不会倒流。不会出现时空穿梭。
平行空间的提出,是为了解决爱因斯坦相对论中的时间倒流后产生的逻辑悖论而提出的,皮之不存,毛将焉附?如果新相对论否定了时间倒流,平行空间就没有必要存在。
参考百度百科词条中:相对论,光速不变原理,超光子,时间进程,洛仑兹坐标变换,钟慢效应,倒相对论,双生子悖论,速度效应,超光速,洛仑兹变换,极限速度,狭义相对论。
参 考 资 料1
多重宇宙-简介
“平行空间”和“多重宇宙”是一个意思。就是说存在着和我们宇宙相同的宇宙,哪里有可能有另一个你。两种空间互不影响
多重宇宙-五维
说明白一点就是你要确定5维空间中物体的位置要用5个数据去描述,6维同理。我们现在的3维空间,确定位置需要三个数。长、宽、高。你愿意的话,可以把时间算做第四个数据。也就是说我们在一个4维的时空中附图
上传图片 参 考 资 料2
多重宇宙[转帖]
2009年05月30日
■近來宇宙學觀測的結果帶給我們許多啟示,其中之一是,平行宇宙的概念,不再只是一種象徵而已。空間的大小似乎是無窮的,因此在遠方某處,所有可能的事情都會成真,不論它的或然率有多低。在我們望遠鏡搜索範圍之外的區域,看起來和我們的是一模一樣。這些區域是平行宇宙的其中一種形式,科學家甚至可以計算這些宇宙平均離我們有多遠。
■以上還是相當可靠的物理。當宇宙學家考慮一些條件不怎麼完備的理論時,他們的結論是,其他的宇宙可能具有完全不同的性質與物理定律。那些宇宙的存在,可以解釋許多我們本身的奇怪特性,甚至可以回答關於時間的本質以及物理世界的可理解性等等基本問題。
想想看,会不会有另一个你,现在也正在看这篇文章呢?这个非你的你,会不会也生活在一颗名叫地球的行星上?那颗行星上不但有云雾笼罩的群山、肥沃的平野与星罗棋佈的城市,而且它所在的太阳系,也还有其他的八颗行星呢!这个人在各方面的生活经历,都和你的一模一样。不过,也许他此刻决定放下文章不看了,而你却继续往下读。
根据这个「宇宙」的定义,或许有人会以为,多重宇宙的概念将永远停留在形上学的范畴。可是物理学与形上学的界线,并不在于它是否怪异,或是含有观测不到的物体,而是看它是否能用实验来测试。因此随着物理学的边界渐渐扩张,一些曾经属于形上学范畴的抽象概念,例如圆形的地球、不可见的电磁场、高速下变慢的时间、量子迭加、弯曲空间以及黑洞等等,早已吸纳进物理学的领域了。这些年来,多重宇宙的概念也已跻身于这张清单之中;它不但奠基于相对论和量子力学这些通过重重检验的理论,同时还满足两项对经验科学的判准:它能做出预测,而且是可否证的。目前科学家所论及的平行宇宙,已多达四种不同的类型。所以关键并不在于多重宇宙存在与否,而是它到底有几个层次。
第一个层次:我们的宇宙视界之外
你的众多分身所处的平行宇宙,共同构成了第一个层次的多重宇宙。这是最没有争议的一种。对于一些儘管我们目前看不到、但只要换个观测点或是加以等待便可以看见的事物(如同人们观看从地平线而来的船一般),我们都能接受它的存在。在宇宙视界之外的物体,情况也是类似。可观测宇宙的范围,会因来自更远处的光线到达我们这裡而每年向外长大一光年。有个无限的空间远在天外,正等着我们去发现。也许你早在见到另一个你的很久以前就死了,但是原则上,如果宇宙膨胀的方式肯配合,有一天你的后代子孙,应该可以用够强的望远镜观察到他们。
制。
另一个可能性是,空间是无穷大的,可是物质却集中在我们附近的有限范围;这就是历史上很受欢迎的「岛宇宙」(island universe)模型。这类模型的另一种变形是,物质在大尺度时变得稀薄,形成碎形的图样。在这两种状况下,第一层多重宇宙中几乎所有的宇宙,都将是空寂死亡的。可是最近在星系的三度空间分佈与微波背景辐射上的观测,显示物质的分佈在越大的尺度上会越均匀,而在1024公尺以上就没有相干(coherence)的结构了。假设这个图样能继续延伸下去,在我们可观测的宇宙之外的空间中,就会充满了星系、恆星与行星。
生活在第一层平行宇宙的观测者,也经验着和我们一样的物理定律,只不过初始条件不同。根据目前的理论,早在大霹雳时发生的一些过程,会把物质以相当程度的随机性加以散佈,因此所有可能的排列组合都会有非零的或然率产生。宇宙学家假设,我们的宇宙是一个相当典型的宇宙,具有几乎均匀的物质分佈,与十万分之一的初始密度涨落。根据这个假设来估计,你最接近的分身离你有101028公尺远;而大约在101092公尺之外,应该又会有一个半径约100光年的球体,和以你所在之处为球心的同大小球体一模一样。因此我们从现在起一个世纪之中的所有知觉,都会和我们在那裡的分身完全一样。在1010118公尺之外,更应该会有整个哈伯体积,和我们的完全相同。
这些都还是极端保守的估计,它们计算一个哈伯体积中,在不比108K还热的状况下,所能包含的所有可能量子态的数目,而导出这样的结果。其中一种计算的方式,就是看看一个处于该温度下的哈伯体积,可以装进多少个质子。答桉是10118个。事实上,每一个空位可能有粒子,也可能空着,因此质子有210118种可能的排列方式。一个包含这么多个哈伯体积的盒子,就能穷尽所有的可能性。综合以上的数据,这个盒子的直径大约是1010118公尺。超过这个盒子,这些宇宙(包括我们的宇宙)必然开始重複出现。差不多的数字,也可以用热力学或量子重力学对宇宙全部资讯含量的估计来导出。
最接近你的分身,很可能比这些数字所推测的还要靠近,因为行星形成的过程和生物的演化,会让机会倾向你这边。天文学家猜测,在我们的哈伯体积之中,至少有1020颗适合居住的行星;其中有些看起来可能根本和地球没有两样。
第二个层次:其他后暴胀时期的泡泡
如果觉得第一层的多重宇宙太大而难以消化,那不妨试着想像一个由无穷多个第一层多重宇宙所形成的集合吧!其中也许各有各的时空维度,以及各自的物理常数。这些其他的多重宇宙(构成第二层的多重宇宙),正是由目前广为接受的永恆溷沌暴胀理论(chaotic eternal inflation)所预测而得的。
暴胀理论是大霹雳理论的延伸,它把许多大霹雳理论中力有未逮的枝节加以补足:比如说为什么宇宙这么大、这么均匀,又这么平坦?空间在古早以前的一次高速伸展,可以一举解释所有这些以及其他的属性(参见延伸阅读2)。有许多种基本粒子理论预测这种伸展的存在,而且所有已知的证据都支持它。「永恆溷沌」这个形容词,指的是在非常大尺度之下发生的事情。整个空间在伸展,而且会永远不停地继续伸展下去,不过空间中的某些区域会停止伸展,而形成一个个泡泡,就像是发麵时麵团裡的气泡一样。无穷多这样的泡泡一一浮现出来,每一个泡泡都是一个第一层多重宇宙的胚胎:无限大的空间,裡头塞了些由驱动暴胀的能量场所沉淀出来的物质。
这些泡泡与地球的距离,比无限远还远;意思是就算你以光速旅行,你也永远到不了那裡。理由是,在我们的泡泡和邻近泡泡之间的空间,膨胀的速度比你能穿过它的速度还快。你的后代子孙永远也看不到他们在第二层多重宇宙中的分身。同样的理由,如果宇宙如同目前观测所暗示的在加速膨胀,那么他们也许连第一层多重宇宙中的分身都见不着。
第二层多重宇宙的多样性远比第一层要大得多了。各个泡泡之间不仅初始条件不同,连一些大自然中看起来恆常不变的特性都会不同。在今日物理界流行的看法中,时空的维度、基本粒子的性质,以及许多所谓的物理常数,并不内含在物理定律裡,而是透过对称破坏这类作用所产生的结果。比如说理论学家认为,我们宇宙的空间维度可能曾经有九维,每个维度的地位都一样。在宇宙历史的早期,其中的三维参与了宇宙膨胀,而变成了我们今天看到的三个空间维度。其他六维现在则观测不到,它们要不是蜷曲在微观世界的甜甜圈状几何裡,就是九维空间中的所有物质,都被限制在一片三维的曲面(或称「膜」,brane)上。
因此,原来在各维度之间的对称破坏了。驱动溷沌暴胀的量子涨落可以在不同的泡泡中造成不同的对称破坏。有的可能变成四维空间,有的可能只有两代而非三代的夸克;还有别的泡泡,其中的宇宙常数也许比我们宇宙的还大。
另一个产生第二层多重宇宙的方式,是由宇宙的生灭循环而来。在科学的历史中,这个想法是由托曼(Richard C. Tolman)在1930年代所引进,而最近美国普林斯顿大学的斯坦哈特(Paul J. Steinhardt)与英国剑桥大学的涂若克(Neil Turok)又加以改进。在斯坦哈特和涂若克的构想以及相关的模型中,含有第二片三维的膜,它在高维空间中看起来只是偏移了一些,而和我们这片平行(参见延伸阅读3)。这个平行宇宙并不真的是独立分离的,因为它和我们的宇宙还有交互作用。不过这些膜所创造的宇宙(过去、现在和未来)的集合,会形成一个多重宇宙,我们可以论证其多样性和溷沌暴胀所製造的差不多。另外在加拿大滑铁卢圆周理论物理研究院的物理学家斯莫林(Lee Smolin)所提出的想法中,还包含了另一种多重宇宙,具有和第二层多重宇宙相当的多样性,不过并非由膜物理,而是由黑洞突变而生出新的宇宙。
还有个更适当的例子,想想看太阳的质量吧。恆星的质量决定了它的亮度,只有当太阳的质量落在1.6×1030~2.4×1030公斤这个狭窄的范围时,地球上我们所知的生命形式才有可能发生,而这运用基本的物理就可以算出。否则地球的气候会比现在的火星还冷,或是比目前的金星还热。太阳质量的测量值是2.0×1030公斤。乍看之下,这个在适合生存的条件与质量实测值之间的明显巧合,实在是运气好得不像话。星体的质量从1029~1032公斤都有,因此假如太阳随机地获得质量,那么要落在适合生物生存的范围,机会很淼茫。不过就像饭店的例子一样,人们可以假定一个集合(在这个例子裡,是许多的行星系统)以及一组选择效应(我们必定生活在一个适合生存的行星上),来解释这个巧合。这种和观测者有关的选择效应可以归类为「人本原理」(anthropic),虽然这个字眼素有恶名,常引起争议,物理学家还是大致同意,这些选择效应在检验基本理论的时候,并不能被忽略。
这些应用在饭店与行星系统的观念,在平行宇宙也一样适用。对称破坏时所设定的属性,就算不是全部,绝大部份看起来也都像是微调过的。稍微改变它的数值,将会导致一个性质完全不同的宇宙——多半是我们不可能存活其中的宇宙。如果质子的质量重了0.2%,它们就会衰变成中子,而使原子变得不稳定。如果电磁力减弱了4%,就不会有氢原子、甚至正常的星体了。如果弱交互作用比现在弱得多,氢原子也就不会存在;如果比现在强得多,超新星爆炸时就不可能有重元素散播到星际空间裡了。如果宇宙常数大了很多,宇宙在星系形成之前,就已经把自己给吹散了。
第三个层次:量子多重世界
第一和第二个层次的多重宇宙包含了远方的平行世界,甚至远在天文学家观测的范畴之外。不过,下一个层次的多重宇宙就在你身边。它是由量子力学中赫赫有名(而且是以其争议性闻名)的多重世界解释而来的。这个观念是说,随机量子过程会造成宇宙分支成多重的宇宙,而每一重就是其中一种可能的结果。
从鸟的眼光来看,第三个层次的多重宇宙很单纯,波函数只有一个。它平滑而确定地随时间演化,没有任何分裂或是平行并存可言。这个演化中的波函数所描述的抽象量子世界,包含了数量庞大的平行古典事件发展线,不断地分叉又融合,此外还有许多缺乏古典描述的量子现象。而从蛙的眼光来看,观测者就只能觉察到整体真实的一小部份。他们可以看到他们自己的第一层宇宙,但是在去相干(decoherence)的过程中(彷效波函数塌缩,却保持么正),会让他们无法看到自己在第三层多重宇宙的分身。
每当观测者被问一个问题,断然地做出决定,然后给出一个答桉,在他们脑中的量子效应就会导致一个所有结果的迭加状态,例如「继续看这篇文章」与「放下杂志」。从鸟的观点,「做决定」这个行为使得一个人分裂成多重的分身:一个继续阅读,一个不读。话说回来,从蛙的观点,每一个这种分身并不能觉察到其他的分身,而其对于分支世界也只注意到些微的随机性:要继续阅读还是不要,各有多少确定的或然率。
第三个层次的存在,和一个重要的假设有关:波函数随时间的演化是么正的。到目前为止,实验上还没有碰到任何违背么正性的现象。过去的几十年中,人们甚至在更大的系统(如碳60的巴克球状分子,以及数公里长的光纤中),也已经确认了么正性。在理论这方面,么正性已由去相干的发现而得到支持(见延伸阅读5)。有些研究量子重力的理论物理学家曾经质疑么正性;其中一个顾虑是黑洞蒸发可能会破坏资讯,而这是一种非么正的过程。不过,最近在弦论中所谓AdS/CFT对应的突破进展,暗示了即使量子重力也是么正的。果真如此,黑洞就不会破坏资讯,而仅只是把它转移到其他地方。(编按:欲知详情,敬请期待近期刊出的文章。)
如果物理是么正的,早在大霹雳时,量子涨落运作的标准图像就要改写。这些涨落不会随机产生初始条件,而是产生所有可能初始条件的量子迭加,让这些初始条件同时并存。然后,去相干过程会使得这些初始条件在各自分离的量子分支上,具有如同古典的行为。重点来了:在一个给定的哈伯体积中,不同量子分支的结果分佈(第三个层次),和在单一个量子分支上,不同哈伯体积的结果分佈(第一个层次),是完全一样的。这个量子涨落的性质在统计力学中称为遍历性。
同样的推论也可以套用在第二个层次。对称破坏的过程不会产生唯一的结果,而是所有各奔前程的结果的迭加。因此如果物理常数、时空维度等等可以在第三个层次的量子分支之间有所不同,那么它们也可以在第二个层次的多重宇宙之间有所不同。
换句话说,第三个层次并没有在第一与第二个层次之外添加任何新东西,只是在同一个宇宙中有了更多不可分辨的分身而已;同样的事件发展线一次又一次地在其他的量子分支上演。因此只要发现同样巨大但比较没有争议的多重宇宙(第一和第二层次),对艾佛烈理论的热烈争辩似乎就可以圆满画下句点了。
不用说,它的涵义当然极为深奥,而物理学家才正刚开始要着手探究。比方说,想想看对一个老问题的分歧答桉:宇宙的数目是否会随时间呈指数成长?答桉是不会。从鸟的眼光来看,当然只有一个量子宇宙;而从蛙的眼光来看,重要的是在某个瞬间有几个可分辨的宇宙,也就是有几个显然不同的哈伯体积。想像把行星移到随便哪个新的位置,想像你和另一个人结婚等等。在量子的尺度,温度低于108K的宇宙有1010118个。这是个庞大的数字,却还是有限大。
从蛙的眼光来看,波函数的演化,对应的是永无止境地从这1010118个宇宙中的一个跳到另一个。现在你在A宇宙,你在这裡看这个句子。而现在你在B宇宙,你又在这裡看这另一个句子。换个方式来说,B宇宙的观测者和A宇宙的完全相同,除了脑中多了一瞬间的记忆。所有可能的状态在每个时刻都存在,因此时间的流逝也许只是观察者眼中的假象。这是伊根(Greg Egan)在1994年的科幻小说《置换城市》(Permutation City)中所要探究的观念,并且由英国牛津大学的杜其(David Deutsch)、独立物理学家巴伯(Julian Barbour)等人所发展出来的。多重宇宙的架构也许因此会是了解时间本质所必备的基本要素。
第四个层次:其他的数学结构
在第一、第二和第三层多重宇宙中的初始条件与物理常数可以变,不过控制大自然的基本定律还是相同的。那么为何要就此打住呢?为什么不允许物理定律本身都可以改变呢?一个只遵循古典定律、没有量子效应的宇宙可能存在吗?或者时间并不连续,而是一步步离散分立的,就像电脑一样?一个仅是空无一物的12面体宇宙又如何?在第四个层次的多重宇宙中,所有这些另类怪胎,事实上都存在。
抽象推理世界与观察到的现实世界之间的紧密对应,暗示这类多重宇宙并不只是一些啤酒所灌出来的遐想而已。方程式(以及更广泛的数学结构,如数、向量和几何物体)可以非常逼真地描述这个世界。在1959年物理学家魏格纳(Eugene P. Wigner)那堂有名的演讲中,他就谈到「自然科学中,数学巨大的可用性已经接近不可思议的地步」。反过来说,数学结构也具有令人发毛的真实感。它们满足客观存在的中心判准:不管谁来研究,它们都一样。一个定理是对的就是对的,不管它是由人类、电脑或是一隻有智慧的海豚所证得。会思考的外星文明也会找到和我们一样的数学结构。因此,数学家通常会说他们发现了、而不是创造了数学结构。
要了解数学和物理之间的对应,有两种各自言之成理却恰恰相反的典范,这两方的论辩最早可以追溯到柏拉图和亚里士多德。根据亚里士多德的典范,物理真实性是最基本的,而数学语言只是一种有用的近似;但根据柏拉图的典范,数学结构才是真实的,而观测者永远不能完美地认知它。换句话说,在观测者使用的蛙眼和物理定律所使用的鸟眼之间,两种典范在哪个看法比较基本的问题上,立场大不相同。亚里士多德的典范偏向蛙的眼光,而柏拉图的典范偏向鸟的眼光。
数学结构是一种抽象、不可变的实体,超脱于时间与空间之外。假如历史是一场电影,这个结构就不是对应到某格画面,而是整捲胶卷。比如说,想像一个由点状粒子在三维空间中运动所构成的世界;在四维时空中(以鸟的眼光来看),这些粒子的轨迹就像一团纠结的义大利麵条。如果蛙看到一个粒子等速前进,鸟看到的就是一根笔直的生义大利麵条。如果蛙看到一对相互环绕的粒子,鸟看到的就是两股螺旋般缠绕在一起的麵条。对蛙而言,世界是由牛顿的运动与重力定律来描述的;对鸟而言,世界则是用麵的几何(一种数学结构)来描述。至于青蛙本身也只不过是一把比较粗的麵条,其中极为複杂的交错纠缠,对应的是一群储存与处理资讯的粒子。当然,我们的宇宙比这个例子要複杂太多了,科学家还不知道它对应的数学结构——如果有的话。
第四层多重宇宙假说也能做出可检验的预测。如同第二个层次,它包含了一个集合(在这裡指的是全部的数学结构)以及选择效应。随着数学家继续为数学结构分类,他们终将发现,描述我们世界的结构,正是与我们的观测不相违的最一般结构。同样地,我们未来的观测,也应该就是不违背我们过去观测的最一般的观测结果;而我们过去的观测,应该就是不违背我们存在的最一般的观测结果。
将「一般性」的意义量化是一个严肃的问题,对它的研究也才刚刚开始。不过数学结构有一项惊人而令人鼓舞的特徵是:使我们宇宙具有简单与秩序性的,是对称与不变性;它们的特性倾向于一般性,符合的多,例外的少。数学结构在建构时,就倾向包含这些特性,要把它们弄走,还得外加複杂的数学公理才行。