[转帖] 【科技】漫画 | 带你看懂多重宇宙 [4p]

国家空间科学中心


2017-06-29 16:05




现在，许多宇宙学家都接受了一种叫做”多重宇宙“的神奇理论。我们这个看起来大得没边的宇宙，其实是只是多重宇宙中的很小一部分。一旦接受了这种设定，你就会开始忍不住想象那些所谓的多重宇宙到底长什么样子，里面会不会也有一个你，那里的你是去玩了摇滚还是开了挖掘机。

“多重宇宙”的概念可以从暴胀产生的多重宇宙和量子力学的多世界诠释两个角度解读。也许你对这两个名词不太清楚，看了下面的漫画可能就懂了。









来源：环球科学ScientificAmerican

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我们的宇宙是有限无边的，也就是一个三维的超球面，既然是有限的，那么在这限之外又是什么？且根据当今主流的大爆炸理论，物质，空间，时间都起源于那个小质点的大爆炸，那么在时间开始之前甚至开始之刻，宇宙又是什么样的？根据这两个问题，很容易逆推出，我们的宇宙不是唯一的，宇宙之外还有无数的宇宙。
但是，平行世界是什么鬼？这只是个停留在小说家笔上的疑似科学。很少有严肃的科学理论谈论到平行宇宙观，当然我们也没有证据证明它一定不存在。对于宇宙，我们一无所知。
另，量子力学从没有支持过平行宇宙。测不准原则不是怎么用的。不想展开了。

2楼的说法我表示无语。

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量子力学中的平行宇宙

2017-3-14 23:38



2005年, Science杂志曾列出了125个重要的科学问题，《科学通报》广邀国内专家，就这些问题写出综述解读，我也被邀请撰写了其中的“宇宙是否是唯一的”，前不久已发表在《科学通报》上。我本来写的时候是按科普写的，编辑却希望按论文的格式发表，因此后来又做了些形式上的修改，但本质上这一文章仍是普及性的。恰在此时，《赛先生》微信公众号举行了“2017科普创作协同行动”活动，由读者投票选出了最感兴趣的一些选题，并公开征集解答创作。其中，“平行宇宙”是一个得票较多的选题，于是我在《科学通报》文章的基础上做了一些小修改，以回答“平行宇宙”问题。下面我贴出其中的第一篇，是关于量子力学中的平行宇宙的，已由《赛先生》于2013年3月13日公开发送（责编：韩琨), 之后还将有介绍暴胀宇宙的，预计下周发表。

量子力学中的平行宇宙

       许多科幻电影和小说中，都有平行宇宙出现。在这些电影或小说中，主人公在不同的宇宙中出现，在故事开始时每一个宇宙都差不多，但此后的发展却各不相同。在有些宇宙中，主人公遭受失败甚至丧生，然而在另一些宇宙中却取得成功。甚至，由于某种神奇的、无法解释的机制，主人公从一个宇宙穿越到了另一个宇宙。那么，这些平行宇宙究竟是纯粹的幻想，还是也有一些科学依据？

       也许出乎很多人意料的是，平行宇宙的概念确实来自严肃的科学理论——量子力学。20世纪20年代，为了解释原子物理实验中观测到的微观现象，玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩等人建立了量子力学理论。这一理论取代了传统的经典力学理论，成为现代物理学的基石。

     然而，尽管量子力学的数学形式理论早已确立，但其中的许多概念与我们日常生活中的直觉如此不同，人们始终对它感到难以完全理解，并且现在仍有各种不同的诠释。这其中一种影响很大但仍有相当争议的解释就是由埃弗里特（Hugh Everett）提出的多世界诠释（Many World Interpretation ）。




一、量子力学诠释中的疑难问题

     要了解什么是多世界诠释以及埃弗雷特为什么要提出这种诠释，我们先来看看量子力学中一些让人们感到困惑的问题。

     量子力学中的测不准原理告诉我们，即使已经获得了关于某一系统初始状态最完备的信息，并且我们也知道它将如何演化，我们仍然无法完全准确地预言每一个量子测量实验的结果，而只能给出几率性的预言。

     比如，已知一个电子的自旋状态为沿着z轴方向+1/2，这已给出了对该电子自旋态的完全描述，沿着z-轴的测量我们可以得到确定的结果，但是如果我们现在沿着垂直于z轴的x-轴进行测量，则不能得到确定的结果，只能预测可能出现的结果是+1/2或-1/2，且两种可能性各为一半。又如，我们可以给出一个原子核的波函数，但仍然无法准确预言它将何时衰变，而只能给出它在不同时刻衰变的几率。如何理解这种几率性的结果呢？不同的量子力学诠释给出了不同的回答。

     首先，爱因斯坦等人怀疑量子力学并非最后的、完备的理论，爱氏有名言“上帝不会掷骰子”。也许，有某些我们还不知道的未知因素（隐变量）影响最后的结果，只是由于我们不知道这些变量而导致测量的几率结果？但是，越来越多的实验证实，在各种不同的物理体系中，都可以用量子力学的原理对其实验的几率分布给出准确的预言，很难想象这些不同的体系中都隐藏着相同的、我们还不知道的隐变量能刚好给出与量子力学一致的结果。更致命的是，贝尔（John S. Bell）导出了对于纠缠粒子自旋量子测量的贝尔不等式，他发现在这种实验中，基于定域隐变量（也就是符合狭义相对论和实在论）的经典理论无法给出与量子力学相同的结果，而此后进行的实验结果与量子力学完全一致，从而排除了定域隐变量理论的可能性。

     虽然量子力学赢得了实验的胜利，但如何解释测量的不确定性，对量子力学也是一个挑战。量子力学中系统的状态是由波函数描述的，而波函数随着时间的演化则由薛定谔方程决定，这种演化是决定论的，就此而言，它和经典力学似乎并无不同。既然如此，在实验中为什么总是存在不确定性呢？

     对此，玻尔、海森堡等人发展的哥本哈根诠释是最常见的标准诠释。按照这种诠释，量子力学的测量过程是一种非常特殊的过程，对量子系统的测量瞬间改变了其状态，使波函数由多个可能状态的线性组合瞬间塌缩到观测量算符的一个本征态上，这就是所谓波包塌缩。

     哥本哈根诠释认为，这种波包塌缩不是由薛定谔方程主导的幺正演化，而是量子测量过程即量子系统与遵守经典力学的测量仪器的相互作用导致的一种破坏幺正性的特殊演化，在这种演化中可以根据玻恩定则产生几率性的结果。这一诠释有许多让人感到困惑之处，例如薛定谔猫佯谬，维格纳朋友佯谬，爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）佯谬，：




图片来源：维基百科；创作：Christian Schirm

     薛定谔猫佯谬：当把波函数的概念应用于宏观物体时，似乎会导致一些令人难以理解的结果。例如，薛定谔设想把一只猫、可以杀死猫的毒气装置以及可以触发该装置的放射源放在一起，如果放射源中的原子发生衰变，则会触发毒气装置，猫会被杀死，而如果没有衰变则猫会活着。在观测放射源之前，放射源处在衰变和未衰变的叠加态上，那么相应的，猫也处于“生”和“死”的线性叠加态上，只有当我们观测了放射源，确定了衰变是否发生之后，系统状态才确定下来（波包塌缩了），猫的状态也才变成确定的“活”或“死”。但是，实际上人们看到的猫要么是活的，要么是死的，很难想象这种死活叠加的状态。

     维格纳朋友佯谬：维格纳指出，待测的量子系统与观测者的划分并不是唯一的。在上一例中，我们可以把放射源作为待测量子系统，猫作为观测者；或者把放射源+猫作为待测量子系统，把负责照看实验的朋友作为观测者；或者把放射源+猫+朋友作为待测系统，自己作为观测者，在这几种情况下，发生“测量”和相应的波包塌缩时刻各不相同。这表明，在哥本哈根诠释中波函数不是实体，而且并不仅仅与待测的系统有关，而是也与观测者有关。

     EPR佯谬：如果两个粒子曾发生相互作用而形成相互关联的量子态，即所谓纠缠态，那么对其中一个粒子的测量不仅导致该粒子的波包塌缩，也会导致另一个的波包瞬间塌缩，无论二者相距多远。乍看起来，这似乎违反了相对论中信息传播速度不能超过光速的原理。不过，按照哥本哈根诠释，波函数并不是实体，而也许应该被视为是观测者对系统的描述，因此不能把这种波包塌缩理解为物理信号的传递。就实验而言，对两个相互远离的纠缠系统进行测量，事后比较总是能得到一致的结果，但由于这种测量结果是随机且无法控制的，因此无法用这种测量结果传递信息。

     在这些悖论中，哥本哈根解释虽能自圆其说，但是其付出的代价是，波函数不再是完全客观的存在，而是变成一种依赖于观测者的东西。美国物理学家莫珉（David Mermin）曾这样形容这一古怪情况：在没有人看月亮时（量子测量进行之前），月亮并不存在！

     另外，从理论完备性的角度看，哥本哈根诠释的一个缺点是它需要预先假设由经典力学描述的物体（测量仪器或观测者）的存在，而不能完全从量子力学本身出发导出其一切结果，这导致其难以应用于量子宇宙学这样原则上没有“观测者”或任何经典物体的情形。




二、量子力学的多世界诠释

     正是由于哥本哈根解释中存在的这些问题，埃弗里特提出了一种与哥本哈根诠释完全不同的量子力学诠释，即多世界诠释。

     埃弗里特是惠勒（J. A. Wheeler）在普林斯顿大学的学生。惠勒一直主张从物理理论（例如量子力学的薛定谔方程）本身导出其诠释，而不附加人为的假设（例如测量导致的波包塌缩）。1954年，玻尔到普林斯顿大学演讲量子力学，引起埃弗里特的思考。他提出了一种新的量子力学诠释，主张不预先假定存在具有特殊地位（服从经典力学）的观测者或测量仪器，待测系统和仪器的整体状态可由一个普适波函数（universal wave function）描述, 量子测量就是待测系统和仪器之间的相互作用，由整个系统的薛定谔方程决定，相互作用导致二者形成一种关联的（纠缠的）状态，埃弗里特将这种关系称为相对态（relative state）。




埃弗里特(图片来源：维基百科）

     在这一理论中，波函数是实体，并没有哥本哈根诠释中的波包塌缩,一切演化都是由薛定谔方程决定的。在测量过程结束后，系统仍处在不同态的线性叠加态上，当然也就没有波包塌缩。那么，如何理解我们在一次实验中只能随机地看到某一个值的测量结果呢？

     以薛定谔猫实验为例，波函数可以分解为两项之和：粒子衰变※猫死+粒子未衰变※猫活。埃弗里特主张，相互作用后这两项分裂为不同的分支（branch），在每一个分支中观测者都只能看到与自己的观测结果一致的世界，而无法看到不同测量结果的世界。也就是说，在一次量子相互作用后，宇宙就会分裂为不同的平行宇宙。在薛定谔猫实验中，真正的波函数确有活猫与死猫的叠加，只不过看到粒子衰变的观测者也看到死猫，看到粒子未衰变的观测者也看到活猫，而都不会看到与自己的测量不一致的状态。

     惠勒于1956年访问哥本哈根期间，曾试图向玻尔等人解释埃弗里特的新理论，但未能取得成功。他不愿意与玻尔发生冲突，因此坚持要埃弗里特把论文写得比较简洁和抽象，因此这一理论最初并未引起人们的注意。埃弗里特毕业后转入国防研究，但几年后他也访问了哥本哈根，并当面与玻尔进行了讨论，不过玻尔等人在量子力学上的立场早已固化，听不进埃弗里特的话，并认为埃弗里特不懂量子力学，因此未能深入讨论。

     实际上，惠勒的另一弟子费曼（Richard Feynman）也曾有过类似的经历：他提出了量子力学的路径积分（path integral)形式。经典力学中粒子运动路径是唯一的，它使作用量取极值。而费曼提出，在量子力学中粒子的运动会通过无限多种不同的可能路径，每一路径都有一个相应的几率振幅，其相位由沿该路径的作用量给出。由于不同路径产生的作用量各不相同，这导致几率振幅的相位因子快速变化，最后大部分路径上相邻路径对几率振幅的贡献几乎抵消，但在经典路径处，由于其作用量取极值，几率幅相位变化不大，可以相干地叠加在一起，从而得到较大的几率，因此系统就好像按经典力学的规律运动，这为描述从量子到经典的过渡提供了一种表述。但是，当费曼试图向玻尔解释这一想法时，玻尔一听就反驳说，在量子力学中没有“粒子路径”这种概念。

     总之，在一段时间里埃弗里特的理论几乎无人了解。直到几年之后，惠勒学派另一位学者、研究量子宇宙学理论的德维特（Bryce Seligman De Witt）认为多世界理论非常重要而却默默无闻，感叹“这是世界上保守最好的秘密”。他撰文介绍了埃弗里特的论文，将该理论称之为量子力学的多世界诠释，并编写了包括埃弗里特论文在内的《量子力学多世界诠释》一书。渐渐地，多世界理论终于变得广为人知，最后成为许多科幻小说和电影的题材。

     根据该诠释，宇宙中无时不在发生的各种相互作用都相当于量子测量，这使世界迅速分裂成难以想象的巨大数量的各种可能分支，每一分支中发生的情况各不相同。例如，在这一世界中，此刻笔者正在撰写此文，而在另一个可能世界里，笔者并未撰写此文。在更多的其它可能世界里，也许根本没有笔者这个人，甚至根本没有人类乃至地球。这听上去极为疯狂，但逻辑上是完全自洽的。

     细心的读者也许会问，在经典力学的世界里，比方说当我们抛一下硬币时，有一半可能硬币朝上，一半可能硬币朝下，那么世界是否就此分裂为两个平行的宇宙呢？

     我们可以说，这两种情况是两种可能的宇宙。不过，在经典世界里分裂并不会发生，因为经典力学世界是决定论的，概率仅仅表明我们无法预知哪种情况会发生--即使在经典力学世界里，由于我们不能精确地测量初始条件、不能精确地计算，或者由于系统处在对初始条件极其敏感的混沌态，我们有时无法给出准确预言，但理论上其演化仍然是确定的。当我们抛出硬币时，宇宙总会选择其中一个可能性。然而，按照埃弗里特理论，在量子力学中，却是每一种可能性都被选上了。

三、问题与讨论

     不过，对于量子实验中看到的几率现象在多世界理论中如何解释，还是存在疑问和争议——既然每种可能性都实现了，又如何谈到几率？这个几率来自我们究竟是众多可能世界中的哪一个，这是随机的。

     通常，我们用量子力学可以计算在实验中各种结果发生的几率，这由波函数绝对值的平方给出，这就是所谓玻恩规则。埃弗里特试图从量子力学的数学形式本身导出或者证明通常量子力学中作为基本假定的玻恩规则，也就是说，考虑重复的实验，其不同的实验结果在所有多世界中的分布，埃弗里特发现如果加上一些假设，可以得到玻恩规则。但德维特和他的学生Neil Graham对这一证明并不满意。他们给出了自己的证明，而之后也不断有人试图改进或者提出新的证明，但这些证明一直存在争议，也有疑难之处。

     多世界诠释现在已是量子力学的主流诠释之一。不过，很多人还是觉得这种诠释难以接受。在多世界诠释中，每一次微小的相互作用都会产生数量巨大、相差无几的平行宇宙，这不免令人觉得古怪。

     不过，埃弗里特最初提出的一些观点后来得到了广泛的认同，例如，应该尽可能从量子力学数学形式自身导出其诠释，测量仪器和测量过程应该完全可以用量子力学描述而无需专门引入服从经典力学的测量仪器，等等。后来Zurek等人发展的退相干（decoherence）理论通过系统与环境的相互作用解释从量子态到经典态的转变，这样至少部分地可以用量子力学的幺正演化解释“波包塌缩”。

     上世纪80年代，盖尔曼（Gell-Mann）、哈特尔（Hartle）、Griffith、Omnes等人发展了相容历史（consistent history)诠释以描述量子测量过程。在Omnes看来，相容历史诠释已经汲取了埃弗里特思想的精华，用退相干理论重新解释波包塌缩，这样就解决了哥本哈根诠释中原来存在的主要问题——薛定谔猫问题，没有必要再把平行宇宙当作真实的存在。

     另一方面，对于那些愿意接受多世界诠释的人来说，也存在如何理解所谓的“多个世界”的问题。在多世界诠释中，对应每个不同的测量结果都存在一个相应的分支。由于退相干，这些不同的分支的因果演化几乎是独立的，也正是在这个意义上，这些分支被称为平行的世界或宇宙。

     但如果有人要问，这些平行宇宙是否“真的存在”？那我们要指出，“存在”一词本身就有很多不同的意义。比如，我们可以说，“柏拉图这个人是存在的”，也可以说，“平方值等于2的数是存在的”，但显然，这两种“存在”的意义各不相同。

     如果我们自己在某一个宇宙中，平常所说的一切“存在"都是在这一宇宙中的存在，那么我们是否可以说多世界是“实际存在”的呢？这种“存在”的本体论意义是什么？物理学家选择把这样的问题留给哲学家去考虑。





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平行宇宙假说可解释量子力学的奇异现象

腾讯科学2014年11月20日07:51

[摘要]德克萨斯州理工大学比尔·普瓦里埃教授提出了一个理论，不仅假定了平行宇宙的存在，同时也发现它们之间还存在相互作用。




腾讯科学讯 据国外媒体报道，平行宇宙是个非常奇特的理论，认为我们的宇宙可能由无数个可能性时空构成，无数个宇宙中每个宇宙彼此互为平行宇宙，这些世界几乎没有交集，每个事件都可能产生出无数个可能性结果，它们分别对应着每个平行宇宙，因此关于平行宇宙的研究也处于进展之中。近日，德克萨斯州理工大学比尔·普瓦里埃教授提出了一个理论，不仅假定了平行宇宙的存在，同时也发现它们之间还存在相互作用，这一现象能够解释量子力学中的一些“怪事”。

比尔·普瓦里埃教授在四年前就已经提出过类似的想法，但其他物理学家在最近才开始构思这个框架，计算结果表明其在数学上是可行的，因此这篇论文发表在10月24日的《物理评论X》期刊上。量子力学是物理学中最为神奇的学科，从微观尺度上解释了宇宙的运行情况，科学家也通过量子理论来解释亚原子粒子所表现出的波粒二象性，并通过波函数对微观粒子的行为进行描述。

物理学家认为一旦我们对一个粒子进行测量行为，我们就无法同时获得精确的位置与速度信息，而休·埃弗雷特是第一个提出多元宇宙解释的物理学家，他在20世纪50年代公布了多世界理论，用于解释量子力学的怪异现象，但该理论在学术界并不受欢迎。现在，许多物理学家投身于研究多元宇宙和平行宇宙理论，提出了许多可能性的理论来解释量子力学。有趣的是，量子力学已经存在一个多世纪了，直到今天仍然存在争议。

爱因斯坦是一位伟大的科学家，但他并不是量子力学的粉丝，在爱因斯坦眼中，一个粒子的不确定位置源于概率，其实并没有太大的意义，他也说过一句名言：上帝不掷骰子。从爱因斯坦的角度出发，波函数没有存在的必要。现在研究平行宇宙的物理学家正试图证明我们生活的宇宙是无数个宇宙中的一个，这就要从平行宇宙的相互作用入手寻找，这条路仍非常漫长。（罗辑/编译）返回腾讯网首页>>

[责任编辑：quarkqiao]

[ 本帖最后由 druid169 于 2017-6-30 11:46 编辑 ]

为什么我们生活在一个多重宇宙中？  .





Shea 科学松鼠会成员，天文学博士      

2016-07-18 23:05


Shea　编译

我们的宇宙有没有可能仅仅是众多宇宙中的一个？有越来越多的证据正在支持这个观点……

你是否曾经畅想过，假如你做出了不同的决定，现在的生活会是什么样子？如果你向右走，而不是向左走呢？你也许永远也不会知道这些可能性，但不可思议的是，所有这些“假如”的情况会在其他地方上演。这是因为在过去的几年中，“多重宇宙”的想法得到了越来越多的支持，它认为我们的宇宙只不过是无数宇宙中的一个而已。那么，多重宇宙是如何产生呢？其中的宇宙之间又有着怎么样的相似性或者差异呢？

对于很多人来说，“多重宇宙”这个词让你构想出许多相互平行的现实，其中一些和我们的只有着细微的差别。而事实上，量子力学的“多重世界”解释确实预言了这种类型的多重宇宙。量子力学虽然很“奇特”，但它却是迄今描述微观世界的最成功理论。在多重世界中，每一个可能的量子态都会分叉发育成一个新的宇宙。换句话说，物理上每一个可能的动作、每一种可以采取的选择，都可以并且会在其他地方发生。



这样的平行宇宙也许存在，可能有一天真的会发现能佐证量子力学这一“多重世界”解释的证据。然而，这些平行宇宙是永远也无法被观测到的，它们以一种我们几乎无法理解的方式独立于我们的宇宙。宇宙学家们所感兴趣的则是更为具体的多重宇宙——虽然超出了我们所在宇宙的现实，但仍然是可知的。

我们的宇宙拥有一个视界，它类似于地球上的地平线。如果你身处大海中的一个小岛之上，当你爬到它的最高点时，你所有看到的最远距离是有限的，你无法直接看到远在地平线之外的东西。但是，你仍有可能获得有关这些东西的信息，例如漂来的漂流瓶。你可以了解发生在地平线之外的事情，因为来自它的各种信号可以抵达你所在的小岛。

在我们的宇宙中，它的“地平线”——被称为视界——要比地球上的远的多。实际上，它在每个方向上到我们的距离都达到了约465亿光年。光速有限——299 792 458米/秒——和宇宙自大爆炸创生以来一直在膨胀是形成这一“边界”的两大原因。根据目前最好的测量结果，宇宙大爆炸发生于138亿年前，因此我们所能看到的物体其所发出的光必须要在这个时间之内抵达我们。

事实上，由于极早期宇宙的密度极高，大爆炸之后会形成的一个极其明亮但不透明的火球，经过大约40万年的冷却之后它才变得透明。随着宇宙空间的膨胀，从这个火球所发出的光被拉伸成了不可见的微波辐射，形成了我们可以直接观测到的最遥远物体，被称为宇宙微波背景辐射。它在寻找多重宇宙的证据中发挥了关键的作用。据估计，微波背景辐射的确切距离为465亿光年。尽管最遥远的光已传播了138亿年，但在光传播的过程中，空间也在一直膨胀。

我们不知道视界之外是什么，但我们可以从可见的东西进行外推。在这些大尺度上，宇宙是非常均匀且各向同性的，意味着在我们可见的每个方向上、在我们可见的每个地方，宇宙都是完全一样的。因此，绝对存在一个比我们所能看到的更为广阔的宇宙，但它也许和我们的并没有什么不同。这正是现代宇宙学的一个基本假设，即宇宙学原理。

这些遥远的时空究竟能延伸出去多远是一个饶有兴趣的问题，它取决于时空本身的形状。不同的估计认为，宇宙的真正大小可以从可观测宇宙的约250倍大（假设宇宙是闭合的）到无穷大（假设宇宙空间是平直或开放的）不等。然而，延伸出去的空间属于一个更为广阔的宇宙，而这个宇宙和我们的在本质上是相似的。事实上，如果宇宙真的是无穷的，或接近无穷的，我们可以预期，在宇宙中必定存在一个极其遥远的地方，那里会和我们的可观测宇宙完全一模一样。

这些“复本”宇宙——以及生活在其中你我的复本——距离我们有多远呢？我们的可观测宇宙有着465亿光年的半径，包含有10^118个粒子。试着想像一下这些粒子在可观测宇宙中所有可能的排列组合，粗略地计算可以得到有10的10后面加118个零次方的可能性。虽然这个数字看上去很大，但如果宇宙真是无穷大的，那么它就会有足够的空间来使得其中的粒子一次又一次地重复我们宇宙的特定组成。

如果还有另一种类型的多重宇宙又会怎么样呢？在这些多重宇宙中有一个和我们的宇宙截然不同。这正是令许多宇宙学家所着迷的，在它背后有一个核心概念，被称为“永恒暴胀”。

不同类型的多重宇宙

从不可见的时空区域到复杂的结构，多重宇宙有4个不同的级别

第1级：在那里存在一个完全一样的地球

最简单的多重宇宙是肯定存在的。宇宙起源的大爆炸模型预言，宇宙中的每一个点都被一个“哈勃”体积所包围。它的大小由宇宙膨胀的速率和自138亿年以来光线传播的距离所决定。在实践中，这意味着我们的哈勃体积是一个直径930亿光年的球体，但在超出我们可见的范围之外还存在着更为广阔的宇宙空间。如果宇宙几何形状是闭合的，由于空间会弯曲回来，因此哈勃体积是一个有限的数字。如果宇宙（似乎最有可能）是开放的，则可能存在着无穷多个哈勃体积，它们每一个都包含有一个宇宙。这意味着在外面的某个地方，存在着一颗几乎和地球完全一样的行星。

第2级：我们不可及的膨胀宇宙

弦理论是一个旨在解释粒子物理学基本规律的潜在的大统一理论。它认为时空至少有10维，在我们的宇宙中我们只能感知到其中的4维：3维空间和1维时间。其他的维度则彼此紧紧地蜷缩在一起，使得我们无法探测到它们。但是，我们的维度结构或相仅仅是许多种可能性中的一个。给予适当的条件，新的相就能从一个已经存在的相中创生出来，然后以光速膨胀，这意味着它们是完全不可及的。永恒暴胀理论为形成无穷多个有着不同维度和物理学定律的宇宙泡提供了可能。

第3级：在那里存在你的未来

根据量子力学的“多重世界”解释，即使是在最小的微观尺度上，在可能的结果之间，每一个决策点都会使得宇宙分叉成2个相互之间不可见的现实。这个构建多重宇宙的惊人想法并非来自弦理论，而是建立在无限维希尔伯特空间之上。虽然你可能会想象多重世界解释能够形成比宇宙泡模型更多样的多重宇宙，但现实的情况是，由于所有的多重宇宙都是无限的，在不同类型的多重宇宙中都会出现同一变体。此外，一些物理学家甚至认为，如果量子力学能以某种方式奏效，那么多重宇宙的多重世界版本在形式上可以等同于更简单的版本。

第4级：最奇怪的宇宙

假如多重宇宙是对我们自己所在宇宙的扩展，包含有一系列相互关联的宇宙泡，或者是无穷维的分支结构，那么所有这些“低级别”的多重宇宙仅仅是更广阔的“终极集合”的一部分。它把所有可能的多重宇宙——无论它们叫什么——都囊括进了一个纯数学的描述中，因此包含所有低级别的多重宇宙，外加仍有待发现的任何其他类型。然而，这仅仅是半哲学论证的一部分，整个多重宇宙是一个数学结构，在其中有意识的实体可以感知物理上的“真实”世界。



在日常生活中，我们熟知物质的物态，或者称为“相”。例如，水分子可以是液态的水、固态的冰或气态的水蒸汽。但在基本物理学中，不单单物质具有相，我们周围的一切——包括时空本身——都具有相。诸如弦理论这样的高能物理学理论预言存在大量的相，当然这些相之间的差异要远远的超过水与冰之间的差别。不同的相可以拥有不同的物理学规律。例如，在某些相中会不含有构成我们宇宙的基本粒子，比如电子和夸克；在另一些相中，电子和夸克则可能具有不同的形式和性质，比如电荷和质量。这些相是目前最前卫宇宙学理论的共有特征。

不同相之间可以具有不同的性质，其中之一便是“真空能”的强度，它弥漫于整个空间中。在过去的几十年中，天文学家已经发现了强有力的证据表明，在我们的宇宙中存在少量的真空能，被称为“暗能量”。正是它在驱动宇宙加速膨胀，否则宇宙的膨胀速率会不断地减慢。在其他的相中，真空能可以不存在，或者强得多，又或者甚至具有负值。这是在多重宇宙中创造出新宇宙的关键。如果所有这些不同相都可以存在，那么它们之间就可以转换，就像有冰、水和蒸汽之间的变化。

在某个初始时刻，宇宙中每个地方都可以有一个相。具有不同相的区域就像香槟中的气泡，或多或少是呈随机分布的。这就像抛硬币，对于一个给定的相，它的真空能要么为正，要么为负，但其中总有一些会是正的。如果真空能足够大，那么这个宇宙泡就会指数式地膨胀，在几分之一秒的时间里大小就会翻番，再翻番，并依此类推下去。因此，在这些区域中空间会发生爆炸。如果这些相本身是不稳定的，那么宇宙泡就会在它们之中形成。这就是宇宙学家所说的永恒暴胀。这是一个相当令人兴奋的概念。

如果它是正确的，那么我们可能就位于这些宇宙泡中的一个。在这个宇宙泡之外，则有可能存在非常奇特的东西，例如极高速的暴胀、存在着不同的物理学定律，甚至还可能有着不同的维度。一旦你越过了我们所在宇宙泡的边界，多重宇宙绝对不会是平淡无奇且各向同性。永恒暴胀可以解释有关我们宇宙的最大谜团之一。



我们宇宙的特性似乎是为生命而精确调校过的。例如，如果引力常数稍稍增强一点，或者电子的电荷稍稍减小一点，又或者把粒子束缚在一起的力稍稍减弱一点，那么恒星和行星就将无法形成，我们也就不会在这里了。一切都刚刚好，增之一分则太长，减之一分则太短，至今还没有人能解释这是为什么。但是，如果存在着无穷多个宇宙泡，它们有着不同的特性，那么其中就必然会有一个宇宙——我们自己所在的宇宙，那里的各种特性都恰到好处，由此可以解释我们为什么能存在。

当然，最大问题的之一是，我们是否能望能找到支持这一理论的证据，或者在最坏的情况下能否定它——这是检验一个理论是否真的是科学的关键，在技术上被称为“可证否性”。对于多重宇宙理论的普遍批评就在于其既不能被证实、也不能被证否。

多重宇宙其实也具有可观测的效应。如果其他的宇宙泡和我们的靠得足够近，那么它就会和我们的宇宙泡发生碰撞。以现有的技术来探测这一现象绝对还有很长的路要走，但并非不可能。事实上，你可以计算出这一现象看上去会是什么样的，于是也就知道了要寻找什么。因此，多重宇宙具有可检验的预言，而这也使得它是可证否的。它预言我们宇宙泡的空间几何是开放的。如果对宇宙几何形状的测量显示它是封闭的，就能否定这个理论。

那么，与另一个宇宙泡的碰撞会在我们的宇宙中留下什么样的痕迹呢？如你所料，两个宇宙间的碰撞无疑是非常剧烈的事件。

宇宙泡的外壁是非常“坚硬”的，运动的速度则非常接近光速，因为有作用力在驱动它们膨胀。这些宇宙泡会自然而然地膨胀，“吃掉”它周围的真空能。这些能量会被转换成外壁的动能，因此它们会不断加速，运动得越来越快，直至发生相撞。其结果是大量的能量注入到我们自己的宇宙泡中，它们会传播到我们宇宙的每一个角落，被称为“宇宙余迹”。我们宇宙中的所有东西都会受到影响，但受影响最严重的是宇宙微波背景辐射。这正是科学家们想要寻找的，因为它是最古老且最遥远的辐射，所以受这一事件影响的时间也最长。

大多数的计算机模拟结果显示，宇宙泡间的碰撞会在或多或少呈随机分布的宇宙微波背景辐射中留下一个温度稍高的环形结构和一个偏振图案——和在随机平面内振荡的微波不同，那里的振荡都指向特定的方向。

多重宇宙中的生命

确认多重宇宙的存在可能会提出一些关于生命起源和我们在宇宙中位置的有趣问题。据我们目前的认识，我们宇宙的物理学定律精妙得让人起疑——物理常数中的任何一个若出现微小的变化就会使得液态水变得非常罕见，导致复杂的有机化学反应变得无法进行，或使得物质无法聚集到一起。对这个问题的通常科学解释被称为“弱人择原理”。简单地说，如果宇宙定律不具有我们所观测到的特有行为，那么我们就不会存在进而观测到它们，因此也就不会如此惊讶了。与此同时，各种“强人择原理”则更进了一步假设，出于某种原因，宇宙必然会演化出对生命有利的参数特性。借用一个量子理论的想法，这甚至可能是因为，存在有自我意识的观测者是宇宙存在的一个前提。

如果我们所在的这个宇宙仅仅是无穷多个多重宇宙——尤其是“永恒暴胀”或“多重世界”下的多重宇宙——中的一个，就可以显著地改变这场辩论中的论据。一个宇宙拥有和我们相同的参数的概率从极不可能到确定无疑不等，而与此同时其他出现任何其他参数组合的概率也是如此。那么，在这些其他的宇宙中也存在生命吗？一些科学家认为，其可能性也许远比此前认为得还要更高。采用计算机模拟来研究有着不同基本常数的宇宙的演化，结果发现稳定的物质形式和碳化学反应在许多极端的情况下仍能出现。


到目前为止，天文学家还没有发现任何有关这一碰撞的有力证据，但在宇宙微波背景辐射中确实存在一些异常现象，似乎和宇宙泡间的碰撞有关。当然，很少有人会真把这些异常当成是证据。然而，想象一下，兴许真的有某些东西其实就在我们可探测的边缘。它们会在测量阈值附近产生一些异常现象，一开始没人会把它当回事，但你也不能排除这种可能性。眼下，科学家们正在等待由普朗克卫星所测量的全天宇宙微波背景偏振图。它有别于宇宙微波背景辐射的温度分布图，特定类型的宇宙泡碰撞会在偏振图中留下截然不同的信号。



如果我们的宇宙真的是多重宇宙中无穷多个宇宙里的一个，这对宇宙学的影响将是极其巨大的。届时，138亿年前创生出时间和空间的那一刻，其实仅仅是某一个特定的相出现并开始膨胀的时刻。这时探究大爆炸之前是什么也变得具有了意义。但是，在这个过程中，我们的将不得不面对另一个问题，多重宇宙也应该具有一个起源。如果确实如此，它应该位于不可知的遥远过去。

不过，对潜在的多重宇宙的研究仍然处于非常初步的阶段。科学家们现在专注于特定类型的宇宙泡碰撞，因为它们似乎是可以被探测到的最佳机会，然后除此之外可能还有其他一些值得探讨的东西。另一种可能是，探测多重宇宙需要现如今我们还无法企及的完全不同类型的观测，或者我们压根还没想出正确的办法。重要的是，探测多重宇宙是有可能的，一旦某件事情是可能的，我们就能发现一个聪明的办法来做到这一点。对此，我们真的还处于起步阶段。