第32章 平行宇宙2
第32章 平行宇宙2
发展历程
思想雏形
公元前5世纪，德谟克利特就提出“无数世界”的概念，认为“无数世界”是原子通过自身运动形成的。他说：“原子在虚空中任意移动着，而由于它们那种急剧、凌乱的运动，就彼此碰撞了，并且，在彼此碰在一起时，因为有各种各样的形状，就彼此勾结起来，这样就形成了世界及其中的事物，或毋宁说形成了无数世界。”
公元前4世纪，伊壁鸠鲁表述了世界多元性的思想：“存在着无限多个世界，它们有的像我们的世界，有的不像我们的世界。”“在一切世界里，都有我们这个世界里所见到的动物、植物以及其他事物。”
公元前1世纪，卢克莱修指出，在我们这个“可见的世界”之外还存在着“其他的世界”，居住着“其他的人类和野兽的种族。”
莱布尼茨提出了他的“可能世界”的概念，设想在必然世界（可观测的宇宙）范围之外还存在着无穷多个“可能世界”。他认为世界由无限的单子组合而成，单子之间没有因果关系，而是某种前定的和谐关系，单子虽然各自独立，但它们之间有品极高低的差异。莱布尼兹把某个现实事件的出现，例如，具体的人，阐释为许多单子组合的结果，各种不同的组合的结果与单子中更胜一筹的单子的主导作用有关。这意味着世界可以用不同的样子，任何事件都是偶发的，甚至整个宇宙也是如此。[7][8]
正式提出
物理学家休·艾弗雷特三世提出了自己对量子测量问题的想法。他指出，在量子力学中，存在多个平行的世界，在每个世界中，每次量子力学测量的结果各自不同，因此不同的历史发生在不同的平行宇宙中。多世界解释认为，对测量装置的观察，会使得测量装置被分解为两个。并且在这个测量链上，这种分解会不断地进行下去。伴随着这种分解，一定有一个完全的宇宙的复制。也就是说，只要有一个量子测量发生，那么，每个宇宙分支，以及这个分支中的分量就会导致一个可能的测量结果。每个处在特殊宇宙分支中的人都会认为，他的测量结果和所处的宇宙是唯一存在的。也就是说，一次测量产生了一次新的宇宙。这些各自不同的新宇宙，除非完全相同，否则绝无重合的可能。这一理论的发表，标志着平行宇宙概念的正式提出。[9][10]
类型层次
美国麻省理工学院的宇宙学家马克斯·泰马克（max tegmark）热衷于研究平行宇宙，他说道：“对于我来说最有意思的问题不是平行宇宙是否存在，而是到底有多少种平行宇宙。”在2003年的《科学美国人》杂志里，有一篇由他所写的关于平行宇宙的专文，文中他将平行宇宙分成四类。根据泰马克的分类，越处于上位的宇宙，越容易扩张，越容易涵盖处于下位层次的宇宙。
第一层：视界之外
即其他哈勃体积，具有不同的初始条件
如果空间是无限的，而且物质分布在大尺寸上是足够均匀的，那么即使最不可能发生的事情也必然发生在某处。特别地，应该存在无限多有人的行星，而且包括不是一个而是无限多和你一样的外表、姓名、记忆的人。无限多和我们可观测宇宙大小一样的区域确实存在，在那里任何可能的宇宙历史都会实际存在。这就是第一层平行宇宙。
第一层平行宇宙的存在证据
也许这些推断看上去都很疯狂，而且违反直觉，但这个空间无限大的宇宙学模型确实是市场上最简单也是最流行的。它是宇宙学和谐模型的一部分，与所有观测证据一致，而且被用作天文学会议大部分计算和模拟的基础。相反、分形宇宙、封闭宇宙、多连通宇宙倒是受到了很多观测的挑战。
但是第一层平行宇宙的观点，曾经也是有过争议的（事实上，梵蒂冈教廷就曾把上述观点看作异端邪说，并以其为理由之一，于1600年在火刑柱上烧死了布鲁诺），所以让我们来回顾一下这两种假设（无限空间和“足够均匀”的分布）的地位。
空间有多大。从观测来看，我们宇宙大小的下限已经戏剧性地增长了很多，并且没有停下来的迹象（图1.2）。我们都接受这样的事实，即我们暂时看不见，但经过移动或等待后可以看见的事物是存在的，例如地平线之下的船只。宇宙视界之外的物体也一样，随着更远的光花更多的时间到达我们这里，可观测宇宙的半径每年都扩大一光年。既然我们都在学校学过简单的欧几里得空间，所以很难想象空间不是无限的——谁能想象某处插着几块牌子，上书“空间到此结束，当心下面的沟”。但爱因斯坦的引力理论允许空间是有限的，只要是以不同欧几里得空间的方式相连，例如四维球或一个甜甜圈的拓扑结构，从而使朝一个方向的旅行最终可以把你带到相反方向。宇宙微波背景辐射可以用来细致检验这样的有限模型，但至今还没有给出任何支持——平坦的无限模型非常符合观测数据，而空间弯曲和多连通拓扑结构的模型都有很强的限制。而且，空间无限宇宙是暴胀宇宙理论的直接预言。下面所列出的暴胀理论的巨大成功进一步支持了空间就是像我们在学校里学的一样简单而无限。
大尺度的物质分布有多均匀呢。在一个“岛宇宙”模型里，时间是无限的，但物质都集中在在一个有限区域，于是第一层平行宇宙几乎所有的成员都死气沉沉的，只有空空的空间。在历史上这样的模型曾经流行过，一开始认为这个岛就是地球和裸眼可见的天体，在20世纪早期认为银河星系的已知部分。另一个非均匀的选择就是分形宇宙，其中物质分布是自相似的，宇宙星系分布的所有结构都只是一个更大的自相似结构的一小部分。岛宇宙和分形宇宙的模型都是最近的观测推翻了。三维的星系分布图显示，观测到的特殊大尺度结构（星系群，星系团，超星系团）让位给大尺度上的单调均匀，自相似结构都不超过10^24米。更量化一下，设想在不同的随机位置上放置一个半径为r的球，测量里面每次包含多少质量，并计算每次测量值的变化，用标准偏差m来表示。已知测量的相对波动
，在r～3x10^23米的尺度以下，偏差在1的量级，而在更大的尺度上，偏差变小。斯隆数字巡天计划（sloan digital sky survey）显示，在r～3x10^25米的尺度上
就只有1%了，而且宇宙微波背景辐射的测量也确认，均匀化的趋势一直延续到我们的可观测宇宙边缘（r～3x10^27米），这时
～10-5。不考虑认为宇宙的设计整个就是愚弄我们的怀疑论论调，观测结果明确表明：我们熟悉的空间必然延伸到可观测宇宙之外，那里也同样充满星系、恒星和行星。
第一层平行宇宙是什么样的
对世界的物理描述传统上分为两部分：初始条件，以及决定初始条件如何演化的物理定律。住在第一层平行宇宙的观察者和我们观察到完全相同的物理定律，但初始条件却和我们所在的哈勃体积中的不同。比较看好的理论认为，初始条件（早期的密度和不同类物质的运动）由暴胀时代的量子波动所产生。量子力学形成了实际上是随机的初始条件，产生了被数学家称为遍历随机场（ergodic random field）所描述的密度波动。遍历意味着，如果你假想一个许多宇宙的集合，每个宇宙都有着自己随机的初始条件，在一个给定提及范围内出现各种结果的概率分布，和你在同一个宇宙的不同体积取样得到的概率分布是一样的。也就是说，任何在原则上可以发生在这里的事情，在其他的某个地方实际上就会发生。
暴胀实际上导致了所有概率不为零的可能的初始条件，最可能的是那些波动在10-5量级，均匀分布的初始条件。这些波动被引力聚集（gravitational clustering）过程加强放大，从而形成星系、恒星、行星以及其他结构。这意味着，不仅几乎所有可以想象的物质构成都发生在某个遥远的哈勃体积内，而且我们应该认识到，我们的哈勃体积是相当典型的——至少在那些包含观察者的哈勃体积中是典型的。一个粗略估计显示，距你最近的那个和你一模一样的人将远在10^(10^29)米之外。而在10^(10^91)米外才会有一个半径100光年的区域，它里面的一切与我们居住的空间完全相同，也就是说未来100年内我们的所有经历都会和我们的副本一致。而至少10^(10^115)米之外该区域才会增大到哈勃体积那么大。这就引起了一个有趣的哲学问题，它不久之后将会困扰我们：如果真的存在那么多和“你”有完全一样的经历和生活的副本，即使你掌握了整个宇宙态的完全知识，你也不能计算你自己的未来。原因是，你将不能决定哪一个副本才是“你”（他们都自认为是）。但他们的人生最终将是不同的，所以你最多只能预计你今后各种经历的概率。传统决定论的观点就此终结。
怎样证明或证伪一个平行宇宙理论
平行宇宙这一理论是不是属于形而上学而非物理。正如卡尔·波普尔（karl popper）所强调的，物理和形而上学的区别就在于，理论是否能被实践证明和证伪。一个理论包含不可观测的实体，本质上并不能说明它不可检验。例如，一个理论宣称666个平行宇宙，每个都缺少氧，从这个理论可以做出可检验预言，那就是我们在这里应该不能观测到氧，所以这个理论能被观测排除。
一个更严肃的例子是，第一层平行宇宙的框架常常被用来排除现代天文学的理论，虽然很少有人明确地那么说。例如，关于宇宙微波背景辐射（cmb）观测显示，空间几乎没有弯曲。cmb图上温度高和温度低的点都有一个特征尺度，这一尺度取决于空间曲率，观测到的点都过大，不符合先前流行的“开放宇宙”模型。但是，平均的点的大小在每个哈勃体积上有些随机的差别，所以做到统计精确是很重要的。当宇宙学家说开放宇宙模型以99.9%的置信度被排除时，他们真正说的是，如果开放宇宙模型是正确的，那么显示出我们所观测到大小的cmb点的哈勃体积少于总数的千分之一——所以拥有无限多哈勃体积的模型就被排除了，即使我们只在自己的特殊哈勃体积中（当然）显示了cmb图。
我们从这个例子上得到的经验是：平行宇宙这一理论可以被实践证明或证伪，但这要求理论给出平行宇宙集合的预言，并给出其概率分布（或更一般的，给出数学家所说的测量）。我们接下来将会看到，解答测量问题不容易，有些平行宇宙理论中，这一问题还没有得到解决。
(本章完)
发展历程
思想雏形
公元前5世纪，德谟克利特就提出“无数世界”的概念，认为“无数世界”是原子通过自身运动形成的。他说：“原子在虚空中任意移动着，而由于它们那种急剧、凌乱的运动，就彼此碰撞了，并且，在彼此碰在一起时，因为有各种各样的形状，就彼此勾结起来，这样就形成了世界及其中的事物，或毋宁说形成了无数世界。”
公元前4世纪，伊壁鸠鲁表述了世界多元性的思想：“存在着无限多个世界，它们有的像我们的世界，有的不像我们的世界。”“在一切世界里，都有我们这个世界里所见到的动物、植物以及其他事物。”
公元前1世纪，卢克莱修指出，在我们这个“可见的世界”之外还存在着“其他的世界”，居住着“其他的人类和野兽的种族。”
莱布尼茨提出了他的“可能世界”的概念，设想在必然世界（可观测的宇宙）范围之外还存在着无穷多个“可能世界”。他认为世界由无限的单子组合而成，单子之间没有因果关系，而是某种前定的和谐关系，单子虽然各自独立，但它们之间有品极高低的差异。莱布尼兹把某个现实事件的出现，例如，具体的人，阐释为许多单子组合的结果，各种不同的组合的结果与单子中更胜一筹的单子的主导作用有关。这意味着世界可以用不同的样子，任何事件都是偶发的，甚至整个宇宙也是如此。[7][8]
正式提出
物理学家休·艾弗雷特三世提出了自己对量子测量问题的想法。他指出，在量子力学中，存在多个平行的世界，在每个世界中，每次量子力学测量的结果各自不同，因此不同的历史发生在不同的平行宇宙中。多世界解释认为，对测量装置的观察，会使得测量装置被分解为两个。并且在这个测量链上，这种分解会不断地进行下去。伴随着这种分解，一定有一个完全的宇宙的复制。也就是说，只要有一个量子测量发生，那么，每个宇宙分支，以及这个分支中的分量就会导致一个可能的测量结果。每个处在特殊宇宙分支中的人都会认为，他的测量结果和所处的宇宙是唯一存在的。也就是说，一次测量产生了一次新的宇宙。这些各自不同的新宇宙，除非完全相同，否则绝无重合的可能。这一理论的发表，标志着平行宇宙概念的正式提出。[9][10]
类型层次
美国麻省理工学院的宇宙学家马克斯·泰马克（max tegmark）热衷于研究平行宇宙，他说道：“对于我来说最有意思的问题不是平行宇宙是否存在，而是到底有多少种平行宇宙。”在2003年的《科学美国人》杂志里，有一篇由他所写的关于平行宇宙的专文，文中他将平行宇宙分成四类。根据泰马克的分类，越处于上位的宇宙，越容易扩张，越容易涵盖处于下位层次的宇宙。
第一层：视界之外
即其他哈勃体积，具有不同的初始条件
如果空间是无限的，而且物质分布在大尺寸上是足够均匀的，那么即使最不可能发生的事情也必然发生在某处。特别地，应该存在无限多有人的行星，而且包括不是一个而是无限多和你一样的外表、姓名、记忆的人。无限多和我们可观测宇宙大小一样的区域确实存在，在那里任何可能的宇宙历史都会实际存在。这就是第一层平行宇宙。
第一层平行宇宙的存在证据
也许这些推断看上去都很疯狂，而且违反直觉，但这个空间无限大的宇宙学模型确实是市场上最简单也是最流行的。它是宇宙学和谐模型的一部分，与所有观测证据一致，而且被用作天文学会议大部分计算和模拟的基础。相反、分形宇宙、封闭宇宙、多连通宇宙倒是受到了很多观测的挑战。
但是第一层平行宇宙的观点，曾经也是有过争议的（事实上，梵蒂冈教廷就曾把上述观点看作异端邪说，并以其为理由之一，于1600年在火刑柱上烧死了布鲁诺），所以让我们来回顾一下这两种假设（无限空间和“足够均匀”的分布）的地位。
空间有多大。从观测来看，我们宇宙大小的下限已经戏剧性地增长了很多，并且没有停下来的迹象（图1.2）。我们都接受这样的事实，即我们暂时看不见，但经过移动或等待后可以看见的事物是存在的，例如地平线之下的船只。宇宙视界之外的物体也一样，随着更远的光花更多的时间到达我们这里，可观测宇宙的半径每年都扩大一光年。既然我们都在学校学过简单的欧几里得空间，所以很难想象空间不是无限的——谁能想象某处插着几块牌子，上书“空间到此结束，当心下面的沟”。但爱因斯坦的引力理论允许空间是有限的，只要是以不同欧几里得空间的方式相连，例如四维球或一个甜甜圈的拓扑结构，从而使朝一个方向的旅行最终可以把你带到相反方向。宇宙微波背景辐射可以用来细致检验这样的有限模型，但至今还没有给出任何支持——平坦的无限模型非常符合观测数据，而空间弯曲和多连通拓扑结构的模型都有很强的限制。而且，空间无限宇宙是暴胀宇宙理论的直接预言。下面所列出的暴胀理论的巨大成功进一步支持了空间就是像我们在学校里学的一样简单而无限。
大尺度的物质分布有多均匀呢。在一个“岛宇宙”模型里，时间是无限的，但物质都集中在在一个有限区域，于是第一层平行宇宙几乎所有的成员都死气沉沉的，只有空空的空间。在历史上这样的模型曾经流行过，一开始认为这个岛就是地球和裸眼可见的天体，在20世纪早期认为银河星系的已知部分。另一个非均匀的选择就是分形宇宙，其中物质分布是自相似的，宇宙星系分布的所有结构都只是一个更大的自相似结构的一小部分。岛宇宙和分形宇宙的模型都是最近的观测推翻了。三维的星系分布图显示，观测到的特殊大尺度结构（星系群，星系团，超星系团）让位给大尺度上的单调均匀，自相似结构都不超过10^24米。更量化一下，设想在不同的随机位置上放置一个半径为r的球，测量里面每次包含多少质量，并计算每次测量值的变化，用标准偏差m来表示。已知测量的相对波动
，在r～3x10^23米的尺度以下，偏差在1的量级，而在更大的尺度上，偏差变小。斯隆数字巡天计划（sloan digital sky survey）显示，在r～3x10^25米的尺度上
就只有1%了，而且宇宙微波背景辐射的测量也确认，均匀化的趋势一直延续到我们的可观测宇宙边缘（r～3x10^27米），这时
～10-5。不考虑认为宇宙的设计整个就是愚弄我们的怀疑论论调，观测结果明确表明：我们熟悉的空间必然延伸到可观测宇宙之外，那里也同样充满星系、恒星和行星。
第一层平行宇宙是什么样的
对世界的物理描述传统上分为两部分：初始条件，以及决定初始条件如何演化的物理定律。住在第一层平行宇宙的观察者和我们观察到完全相同的物理定律，但初始条件却和我们所在的哈勃体积中的不同。比较看好的理论认为，初始条件（早期的密度和不同类物质的运动）由暴胀时代的量子波动所产生。量子力学形成了实际上是随机的初始条件，产生了被数学家称为遍历随机场（ergodic random field）所描述的密度波动。遍历意味着，如果你假想一个许多宇宙的集合，每个宇宙都有着自己随机的初始条件，在一个给定提及范围内出现各种结果的概率分布，和你在同一个宇宙的不同体积取样得到的概率分布是一样的。也就是说，任何在原则上可以发生在这里的事情，在其他的某个地方实际上就会发生。
暴胀实际上导致了所有概率不为零的可能的初始条件，最可能的是那些波动在10-5量级，均匀分布的初始条件。这些波动被引力聚集（gravitational clustering）过程加强放大，从而形成星系、恒星、行星以及其他结构。这意味着，不仅几乎所有可以想象的物质构成都发生在某个遥远的哈勃体积内，而且我们应该认识到，我们的哈勃体积是相当典型的——至少在那些包含观察者的哈勃体积中是典型的。一个粗略估计显示，距你最近的那个和你一模一样的人将远在10^(10^29)米之外。而在10^(10^91)米外才会有一个半径100光年的区域，它里面的一切与我们居住的空间完全相同，也就是说未来100年内我们的所有经历都会和我们的副本一致。而至少10^(10^115)米之外该区域才会增大到哈勃体积那么大。这就引起了一个有趣的哲学问题，它不久之后将会困扰我们：如果真的存在那么多和“你”有完全一样的经历和生活的副本，即使你掌握了整个宇宙态的完全知识，你也不能计算你自己的未来。原因是，你将不能决定哪一个副本才是“你”（他们都自认为是）。但他们的人生最终将是不同的，所以你最多只能预计你今后各种经历的概率。传统决定论的观点就此终结。
怎样证明或证伪一个平行宇宙理论
平行宇宙这一理论是不是属于形而上学而非物理。正如卡尔·波普尔（karl popper）所强调的，物理和形而上学的区别就在于，理论是否能被实践证明和证伪。一个理论包含不可观测的实体，本质上并不能说明它不可检验。例如，一个理论宣称666个平行宇宙，每个都缺少氧，从这个理论可以做出可检验预言，那就是我们在这里应该不能观测到氧，所以这个理论能被观测排除。
一个更严肃的例子是，第一层平行宇宙的框架常常被用来排除现代天文学的理论，虽然很少有人明确地那么说。例如，关于宇宙微波背景辐射（cmb）观测显示，空间几乎没有弯曲。cmb图上温度高和温度低的点都有一个特征尺度，这一尺度取决于空间曲率，观测到的点都过大，不符合先前流行的“开放宇宙”模型。但是，平均的点的大小在每个哈勃体积上有些随机的差别，所以做到统计精确是很重要的。当宇宙学家说开放宇宙模型以99.9%的置信度被排除时，他们真正说的是，如果开放宇宙模型是正确的，那么显示出我们所观测到大小的cmb点的哈勃体积少于总数的千分之一——所以拥有无限多哈勃体积的模型就被排除了，即使我们只在自己的特殊哈勃体积中（当然）显示了cmb图。
我们从这个例子上得到的经验是：平行宇宙这一理论可以被实践证明或证伪，但这要求理论给出平行宇宙集合的预言，并给出其概率分布（或更一般的，给出数学家所说的测量）。我们接下来将会看到，解答测量问题不容易，有些平行宇宙理论中，这一问题还没有得到解决。
(本章完)