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平行宇宙:科学?还是科幻?

时间:2018-09-14 11:27 来源:未知 作者:admin

原文标题: 作者:Bob Berman  原文来自:admin;还将看看为什么有些物理学家视这些理论为科学的威胁。


很少有科学家质疑宇宙的视界(我们所能看到的最远的地方)之外还存在着许多物质。最远的天体 目前距离我们400亿光年远的星系 发出的光需要130多亿年的时间才能传播到地球。没有理由认为,在那个目力所及的最远边界仅仅是不再有星系。更何况,强有力的证据表明,在大尺度上看,时空是平坦的。这意味着,宇宙的广大部分位于视界之外,只不过那里的物质以光的速度退行着。实际上,许多宇宙学家认为,包罗万象的宇宙可能无边无际,因此,也会生出无穷多个星系。(我们稍后将回来讨论 无穷 这个话题。)

对于那些自身发出的光永远传不到地球的天体,我们永远也无法看到它们。因此,我们可以把那一部分宇宙视为一个独立的宇宙。从逻辑上讲,那个宇宙与我们的宇宙遵循同样的物理定律。这是最简单的多重宇宙论。美国麻省理工学院(简称MIT)著名的物理学家Max Tegmark说: 如果把宇宙定义为我们能看到的所有东西,我就敢下大赌注说,平行宇宙一定存在。

宇宙中有许许多多星系、恒星和行星,我们是永远无法知晓它们的存在的。在坦然接受了这一点后,多重宇宙听上去也就不那么古怪了。有些人只是简单地把那片广阔的 宇宙的其余部分 贴上多重宇宙的标签。理由很简单:既有他们,也有我们。几乎所有的天文学家对此都没有异议。

 

由左至右:暴涨:我们的宇 宙加速膨胀;辐射与物质形成;辐射与物质退藕:暗物质结团,形成宇宙网状结构;辐射与物质分离:质子与电子结合成原子。光子在空间中自由穿行,成为宇宙微 波背景辐射。黑暗时期:原子感受到宇宙暗物质网状结构的引力作用。第一批恒星形成:在网状结构的节点(密度最高的地方)上形成恒星和星系;星系演化;今天 的宇宙。(图片来源:ASTRONOMY: ROEN KELLY, AFTER ESA; 星系图像:NASA/ESA/HUBBLE HERITAGE (STScl/AURA))


现代多重宇宙论

但是,当我们深究几个主要的多重宇宙论时,有争议的和诡异的东西就冒出来了。十多年来,它们引起了大家的关注和兴趣。这些理论的胜出者都是类似史蒂芬 霍金(Stephen Hawking)、Michio Kaku、Brian Greene和Tegmark这样的著名理论学家与科学明星。

 

现代多重宇宙论

 

1979年,MIT的Alan Guth首先提出暴涨理论,描述我们的宇宙在诞生伊始如何飞快地膨胀。后来,Guth也支持斯坦福大学的理论学家Andrei Linde提出的修订版暴涨理论 混沌暴涨。

该理论认为,在宇宙无休止地疯狂膨胀时,各式各样的暴涨空间也随之出现。虽然每个空间都置身于同一个宇宙里面,但它们的膨胀速度过快,以至于生活在其中的人们永远也无法知道另一个空间的情况。 有些空间的物理定律也许与我们的不同, Linde说。 因此,可以说,我们的宇宙实际上成了一个多重宇宙 一个囊括了形形色色 宇宙 的、巨大的、不停增长的分形结构体。

没有人能够在这些宇宙泡泡(我们的宇宙就是其中一个泡泡)之间穿梭往来。因此,独立的宇宙有无穷多个。

2014年,凭借他们的暴涨研究工作,Guth、Linde与同为创始人的Alexei Starobinsky分享了科维理天体物理学奖(Kavli Prize)的一百万奖金,甚至还得到了美国总统奥巴马的接见。


不和谐的弦

另一种多重宇宙论与弦论有关。理论学家把微小的弦与多维空间假说联系在一起,原本是为了解释四种基本相互作用力 引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用 和粒子物理标准模型。

这个理论没有取得成功。除了缺乏多维空间存在的证据,该理论既没有预言宇宙的产生,也无法解释宇宙为何加速膨胀。因此,相信它的人越来越少。但是,它的确 预言 出存在10的500次方种不同物质世界的可能性。这个预言本身就带有一种模模糊糊的无用性。

 

弦论与多世界诠释

 

还有一种十分与众不同的多重宇宙论 基于量子理论的多世界诠释(简称MWI)。

早在80多年前,科学家们就已知道观测行为可以改变实验的结果。究竟为什么会如此呢?或者进一步说,当一个电子遇到岔路口时,它为什么选择走这条路,而不是另外一条呢?

MWI理论 少数派理论中的主流理论 认为,每一个自然的选择都会产生一个独立的宇宙。这个宇宙与其它宇宙彼此分隔,并且一直分隔下去。如果你在岔路口选择向左、而不是向右转,就会产生另一个向右转的 你 。这个全新的宇宙会永远铭记这一点。除了自身所在的这个宇宙,你永远意识不到其它宇宙的存在。对其他的 你 来说,也是如此。

甚至,当一片叶子落在这里、而不是几英寸远的那里时,也会有独立的宇宙随之产生。因此,许多个世界里的多重宇宙的数目疯狂地增加着。


数学让理论真实

接下来,让我们看看数学宇宙假说(mathematical universe hypothesis)。这个理论也被称为终极体系。这个多重宇宙包括了数学上的所有可能。该理论得到了像Tegmark这样,认为数学绝不是人类的概念工具,而是宇宙的基本所在的人的拥护。按照这个观点,所有数学上成立的事物,在其自身所在的独立宇宙中也都确实会发生。

 

完美的方程,数学模型

 

人择原理则为多重宇宙的存在提供了更多依据。这个理论认为,虽然我们的宇宙在许多方面看都很简单,却也包含了数十个对生命的存在至关重要的物理常数。如果控制电磁力强度的精细结构常数值稍有不同,又或者强相互作用、或者引力的强度稍稍减弱,便不会有原子,也就不会有恒星,生命的形成更无从谈起。我们的宇宙是一个经过精细微调、有利于生命形成的宇宙。对此,科学一定会问一句为什么。

是否存在无穷多个随机宇宙,并且其中的绝大多数都没有生命形成?通过论证这个问题,多重宇宙论的拥护者们可以说, 看见没有?从整体看,并没有什么特别的事发生。多重宇宙囊括了各式各样的宇宙,我们恰好生活在其中一个有利于生命形成的宇宙中。 这个说法让我们这个与众不同的宇宙看起来也不那么特别了。

还有其它许多种多重宇宙论,不过,想必你也已经明白大致是怎么一回事了。这些理论都激动人心,因为它们揭示出各种惊人的可能性,使整个宇宙看起来比我们认为的要广阔多了。


无穷多个你

说到 广袤无垠 ,让我们回过头来再谈谈 无穷 这个概念,它在多重宇宙论中居于显著的地位。如果多重宇宙真的存在,那么,肯定存在着与我们的宇宙类似的另一个宇宙,在其中一个 地球 上生活着另外一个 你 。毕竟,无穷意味着没有止境。Guth坚持认为,多重宇宙论会导致这样的结论: 任何能发生的事都会发生 而且还会发生无穷多次 。

因此,存在着另外一个 你 ,和你一样,穿同样的袜子参加舞会,其中一只袜子还破了一个洞。同你一样,那个 你 也养了一只猫,连猫身上的花纹都同你的猫一模一样。无穷意味着,与你一样补过龋齿的 你 不止一个。你的拷贝多得数也数不清。同时,也存在着无穷多与你个性完全相反的 你 。他们之中没有一个人像你一样不及时清洗水池里的脏杯子。

感觉有点不对劲?令人欣慰的是,科学界最近又兴起了一股 反无穷 的趋势。去年,两位著名的理论学家 数学家George Ellis和物理学家Joseph Silk在《自然》杂志上写了一篇社论,提醒宇宙学家留意数学家David Hilbert(已于1943年去世)的警告。两位科学家认为, 虽然数学需要无穷,在实际的宇宙中无穷却没有立足之地。

总之,无论多重宇宙论是基于弦论、暴涨理论、还是高维空间的膜碰撞假说(我们的宇宙会与另一个宇宙撞在一起),它在数学上自洽不代表它就成立。因为,数学可以背离物理实际。在公元前450年,古希腊哲学家芝诺用他那著名的 阿基里斯和乌龟赛跑 的悖论展示了这一点。

尽管如此,多重宇宙假说招来的反对远远超过数学上的支持。批评者认为,这些理论不可证伪,因此,与哲学思辨无法区分开,比说这都是 上帝的安排 好不到哪里去。去年12月,Ellis和Silk这样写道: 只有能被检验的学说才能被称为是科学。

更有甚者,去年,美国普林斯顿大学爱因斯坦讲席教授、暴涨理论的支持者Paul Steinhardt在《Edge》杂志中如此写道: 认为我们生活在多重宇宙中,空间中任一区域的物理定律和性质都不尽相同的观点应该退休了。

这话说得真不客气。不过,我们真的要对所有的多重宇宙论都弃之不理吗?许多批评者都提到,这个模型存在一个严重的问题,那就是它没有预测任何事,因此,任何事都能发生。不仅如此,Steinhardt还相信多重宇宙论是为了挽救失败的科学假说(比如弦论)而提出的。

只有在能够解释、预测事物为什么这样、而不是那样时,科学才是有用的, 他写道。 囊括一切的理论毫无用处,也毫无意义,因为它既无法排除任何可能性,又不能用非成即败的测试来检验。

然而, 平行宇宙 却是科幻小说的主题。同理论物理学家和天文学家相比,大众更加容易接受这个概念。科普节目仍旧钟爱多重宇宙,常把理论的提出者请到演播室,在屏幕上大谈特谈假定的证据。

2014年,支持多重宇宙论的、最令人信服的天体物理学证据出现了。这个消息一时间登上了全世界媒体的头版头条。


似有还无的证据

这个证据来自于南极大陆上一个名为BICEP2的实验。然而,富于戏剧性的是,不过短短数月,大家就不相信它了。原来,不是实验出了错,而是对观测结果的解释错了。这个曾经占据全球媒体头版头条、被称为首次证实暴涨时期引力波的证据,如今被认为是 即使不是全部、也是绝大部分 由银河系里的尘埃产生的。

 

天文学家认为,宇宙暴涨产生的引力波在微波背景辐射里留下了涡旋纹样。但是,后续的观测却指出,这些纹样是星系里的尘埃产生的。(图片来源:ASTRONOMY: ROEN KELLY, AFTER BICEP2)

 

在被否定之前,BICEP2的结果被一些多重宇宙论的拥趸拿来支持混沌暴涨模型。这个模型也被当做平行宇宙存在的证据。批评者对他们描述的一系列无根据的假设大加斥责。一些人一直追问:为什么多重宇宙论总是跳脱科学惯常的严格标准,在纯属揣测的一侧自行其是。

事实上,既然有这种纯理论性的宇宙模型存在,也就可能存在现实与多重宇宙完全背离的情况。也就是说,我们的宇宙本身就是简单的,而不是多样的。

在最先提出 宇宙(物质实在)是单一、无差别的整体 的那批人里,不乏巴门尼德和芝渃这样的古希腊先哲。根据这种解释,在我们周围没有独立的事发生。宇宙本身就是一个事件。在各个历史时期的各种文明里,都出现过这种基本的、一体的观点的身影。它部分地得到了现代量子理论的支持,与多重宇宙论截然对立。

看起来,关键的问题是,虽然 多重宇宙 是思维延伸的产物,也是有可能存在的,但在解释可见宇宙的性质时可能毫无意义,甚至适得其反。与此同时,对于是否存在能够证明多重宇宙模型错误(把它们逐出科学界)的观测证据,人们也争论不休。

在2012年的一期《新闻周刊》的封面故事里,美国哥伦比亚大学的宇宙学家Brian Greene写道: 我们膨胀的宇宙有可能与邻近宇宙发生碰撞,这可以作为支持多重宇宙论的证据。这样的宇宙级 撞车事件 将在微波背景辐射(宇宙大爆炸的余晖)中形成另一种温度起伏图样。高性能的望远镜有朝一日也许能够探测到它。许多人认为这是寻找支持多重宇宙论的证据的最有希望的办法。诚然希望不大,但还是有办法来检验多重宇宙论的。这反映了该理论源自于细致的数学分析。尽管如此,这个提议无疑是尝试性的,所以,我们必须保持合理的怀疑态度,审慎地给出解释。

Tegmark赞同说: 平行宇宙不是理论,而是某种理论的预测。这种理论(例如宇宙暴涨理论)能否被检验还不确定。这就是它们不仅出现在科幻小说中,也越来越多地在学术会议上被提到的原因所在了。


无关对错?

值得注意的是,即使在描述最可信的多重宇宙模型时,资深的学者们仍在说模棱两可的话。对于某些 能否被验证还有争议 的理论,我们也许总有一天会找到证据。

不过,如此模糊不清的东西能被称为是科学吗?

看看大家现在对多重宇宙论醉心不已,或许,我们还是最好听听著名的怀疑论者是怎么说的。美国哥伦比亚大学的数学物理学家Peter Woit撰写了著名的多重宇宙批判博客 无关对错,说起话来毫不留情。

在20世纪,物理学家提出了强大的、引人瞩目的基本理论,并且取得了巨大的成功, 他解释说, 但在过去40年,他们却身陷困境,进展甚微。不幸的是,一些著名的理论学家现在基本上放弃了,决定找一条简单的路走。多重宇宙论应运而生,既是万能的,又没法被检验。他们没有抛弃像弦论这样的理论学说,而是把它们转变成空泛的、适合于万事万物的理论。如果物理研究以此为止境,那真太让人失望了。尽管如此,我仍然希望这只是一时流行的狂热,很快会消亡。对物理定律进行更好、更深入的理解十分难,但作为人类,我们有这个能力,只要我们不把过多精力花在那些对任何问题都给不出解答的理论上。

哇哦,这话说得真冲。如果我们在意物理学的发展,我们早就应该抛掉多重宇宙论。

当然,如果无穷无尽的多重宇宙真的存在,就会有另一些 Woit 说完全相反的话了。

 

注:除特别注明,本文所有图片来自ASTRONOMY: ROEN KELLY。

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