物理学家能证明多重宇宙是真实的吗？

天文学家们正在争论，他们是否可以相信这个未经检验且可能不稳定的想法

莎拉·斯科尔斯

2016年4月19日

可能宇宙的假设集合

这是一组假设的可能宇宙。Detlev Van Ravenswaay/科学图片库/Corbis

宇宙从大爆炸开始，几乎立即开始以超过光速的速度膨胀，这就是所谓的“膨胀”。这种突然的拉伸使宇宙变得平滑，像汉堡面包上的番茄酱和芥末一样均匀地涂抹着物质和辐射。

仅仅一秒钟后，扩张就停止了。但根据一个被称为“膨胀多元宇宙”的想法，它只是在我们可以看到它的宇宙中没有继续存在。而且，它确实产生了其他宇宙。甚至当它停在这些空间时，它还在其他空间继续。这种“永恒的膨胀”会创造出无限多的其他宇宙。

这些宇宙岛屿共同构成了科学家们所称的“多元宇宙”。在每个岛屿上，宇宙的物理基础，如电子和质子的电荷和质量，以及空间膨胀的方式都可能不同。

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宇宙学家主要研究多元宇宙的这种膨胀版本，但奇怪的场景也可以采取其他形式。例如，想象宇宙是无限的。那么，我们所能看到的可见宇宙只是无数其他大小相同的宇宙中的一个，这些宇宙加在一起构成了一个多元宇宙。另一个版本，称为“多世界解释”，来自量子力学。在这里，每当一个物理粒子，比如一个电子，有多个选项时，它都会把它们放在一个不同的新诞生的宇宙中。

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卡夫利发明通货膨胀奖获得者卡夫利奖

但所有这些其他宇宙可能都超出了我们的科学范围。根据定义，宇宙包含了任何人都能看到、探测到或探测到的所有东西。由于多重宇宙在物理和哲学上都是不可触及的，天文学家可能无法确定它是否存在。

然而，确定我们是否生活在众多岛屿中的一个，不仅仅是对宇宙本质的纯粹了解。如果多元宇宙存在，那么我们特定宇宙的生命托管能力就不是一个谜：无限数量的不那么友好的宇宙也存在。那么，我们的组成将是一个愉快的巧合。但直到科学家们能够验证多元宇宙，我们才知道这一点。而他们将如何做到这一点，以及是否有可能做到，仍然是一个悬而未决的问题。

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这种不确定性带来了一个问题。在科学中，研究人员试图用他们正式称之为假说的预测来解释自然是如何运作的。通俗地说，他们和公众有时都把这些想法称为“理论”。当他们的想法涉及一系列广泛的环境或解释物理运作的基本原理时，科学家们特别倾向于这种用法。还有什么比多元宇宙更广泛、更基础的呢？

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然而，为了让一个想法从技术上从假设转变为理论，科学家们必须测试他们的预测，然后分析结果，看看他们最初的猜测是否得到了数据的支持或反驳。如果这个想法得到了足够一致的支持，并且准确可靠地描述了自然，它就会被提升为官方理论。

随着物理学家深入到现实的核心，他们的假设，比如多元宇宙，变得越来越难验证，甚至不可能验证。如果没有能力证明或反驳他们的想法，科学家就无法知道一个理论实际上代表了现实。这就像在网上遇到一个潜在的约会对象：虽然他们在数码纸上看起来很不错，但在你亲自见面之前，你无法知道他们的个人资料是否代表了真实的自己。如果你从未见过面，他们可能会钓你。多元宇宙也是如此。

物理学家们现在正在争论这个问题是否会把多元宇宙这样的思想从物理学转移到形而上学，从科学世界转移到哲学世界。

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一些理论物理学家表示，他们的领域需要更多冰冷、确凿的证据，并担心缺乏证据会导致什么后果。法国鲁米尼理论物理中心的卡洛·罗韦利说：“写理论很容易。”。在这里，Rovelli用这个词口语化，来谈论宇宙如何运作的假设性解释。他继续说道：“很难写出能够经受住现实证明的理论。”。“很少有人能幸存下来。通过这个过滤器，我们能够发展现代科学、技术社会、治愈疾病、养活数十亿人。所有这些都得益于一个简单的想法：不要相信自己的幻想。只保留那些能让人信服的想法。”科学家可以简单地沿着他们的智力道路继续前进，而不知道他们的行走是否完全是随机的。埃利斯和西尔克在2014年12月《自然》杂志的一篇社论中指出：“理论物理学有可能成为数学、物理和哲学之间的无人区，无法真正满足任何人的要求。”。

这并不是物理学家不想测试他们最疯狂的想法。Rovelli说，他的许多同事认为，随着技术的飞速发展和大量时间坐在房间里，他们现在就可以验证它们了。罗韦利说：“我认为，许多物理学家并没有像他们所希望的那样找到证明他们理论的方法，因此他们正在喘气。”。

“物理学以两种方式发展，”他说。要么物理学家看到了他们不理解的东西，并开发了一个新的假设来解释它，要么他们扩展了现有的工作状态良好的假设。罗韦利说：“今天，许多物理学家都在浪费时间遵循第三种方法：试图任意猜测。”。“这在过去从未奏效，现在也行不通。”

多元宇宙可能是那些武断的猜测之一。Rovelli并不反对这个想法本身，而是反对它纯粹的画板存在。罗韦利说：“我看不出有什么理由拒绝先验的观点，即自然界中存在着比我们所看到的时空部分更多的东西。”。“但到目前为止，我还没有看到任何令人信服的证据。”

“证据”需要发展

其他科学家表示，“证据”和“证据”的定义需要升级。慕尼黑数学哲学中心的理查德·道维德认为，科学家可以支持他们的假设，比如多元宇宙，而不需要实际的物理支持。他在一本名为《弦理论和科学方法》的书中阐述了自己的想法。里面有一种被称为“非经验理论评估”的准则，它就像是专业物理学家的科学公平评判表。如果一个理论满足三个标准，那么它很可能是正确的。

首先，如果科学家们试图提出一种能够很好地解释一种现象的替代理论，但却失败了，那么这就是支持原始理论的证据。第二，如果你越研究一个理论，它就越像一个更好的想法，那就是另一个加一。如果一条思路产生了一个后来得到证据支持的理论，那么它很可能会再次出现。

同样来自慕尼黑数学哲学中心的拉丁·达达什蒂（Radin Dardashti）认为，道维德正在跨越正确的轨道。他说：“支撑这一切的最基本的想法是，如果我们有一个看起来可行的理论，而我们没有找到更好的理论，那么我们的想法很可能是正确的。”。

但是，从历史上看，这种基础往往已经崩溃，科学家们还没能看到教条主义思想的明显替代方案。例如，太阳在升起和落下时，似乎绕着地球转。因此，人们早就认为我们的恒星绕地球运行。

达达什蒂警告说，科学家们不应该随意地应用道维德的想法，这需要更多的发展。但这可能是“测试”多元宇宙和其他太难（如果不是不可能）测试的想法的最好主意。不过，他指出，物理学家的宝贵时间最好花在想出找到真正证据的方法上。

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不过，并非所有人都如此乐观。斯德哥尔摩北欧理论物理研究所的Sabine Hossenfelder认为“后经验”和“科学”永远不能共存。“物理学不是寻找真正的真理。物理学是描述世界，”她在博客Backreaction上回应采访时写道，在采访中，道维德阐述了自己的想法。如果一个想法（她也通俗地称之为理论）没有经验和物质支持，那么它就不属于。她总结道：“如果不接触观察，一个理论对于描述自然世界，而不是自然科学的一部分，也不是物理学都是无用的。”。

多重宇宙

Multiverse斯坦福大学

真相就在那里

一些多元宇宙的支持者声称，他们已经找到了多元宇宙的真实物理证据。加州大学圣巴巴拉分校的约瑟夫·波尔钦斯基（Joseph Polchinski）和斯坦福大学的安德烈·林德（Andrei Linde）是一些理论物理学家，他们提出了当前的通货膨胀模型，以及它如何导致岛屿宇宙。他们说，证据是在我们的宇宙中编码的。

这个宇宙是巨大的、光滑的、平坦的，就像通货膨胀所说的那样。林德在12月发表在arXiv.org上的一篇论文中写道：“我们花了一段时间才习惯于宇宙的大尺寸、平坦性、各向同性和均匀性不应被视为生命的琐碎事实。”。“相反，它们应该被视为需要解释的实验数据，这是本发明提供的类似地，我们的宇宙似乎被微调为有利于生命，它的金发女孩膨胀速度不太快也不太慢，一个不太大的电子，一个电荷完全相反但质量与中子相同的质子，以及一个我们可以生活的四维空间。例如，如果电子或质子大百分之一，那么生物就不可能了。所有这些特性结合起来，为生物的形成和进化创造一块美好的地产的可能性有多大？

在一个事实上是唯一宇宙的宇宙中，机会微乎其微。但在一个不断膨胀的多元宇宙中，可以肯定的是，其中一个宇宙会变成我们的宇宙。每个岛屿宇宙都有不同的物理规律和基本原理。给定无限的突变，一个可以诞生人类的宇宙将会诞生。多元宇宙实际上解释了我们为什么在这里。因此，我们的存在有助于解释为什么多元宇宙是合理的。

这些间接的证据，加上统计数据，使得波尔钦斯基说他有94%的把握相信多元宇宙的存在。但他知道，这比科学家们所需要的99.999999%的确定度低5.999999%。

婴儿宇宙

这张由WMAP九年数据绘制的婴儿宇宙的详细全天空照片。这张图像揭示了137.7亿年前的温度波动（显示为颜色差异），这些变化对应于成长为星系的种子。NASA/WMAP科学团队

最终，科学家们可能能够发现多元宇宙的更直接的证据。他们正在寻找膨胀会在宇宙微波背景上留下的痕迹，即大爆炸留下的光。这些印记可以告诉科学家是否发生了通货膨胀，并帮助他们发现通货膨胀是否仍在发生，这与我们的看法相去甚远。如果我们的宇宙在过去撞到了其他人，那辆挡泥板也会在宇宙微波背景中留下印记。科学家们将能够识别出这两起车祸。如果有两辆车，那么肯定会有更多。

或者，在50年后，物理学家可能会不好意思地提出证据，证明21世纪早期的最受欢迎的宇宙学理论是错误的。

波尔钦斯基建议其他物理学家：“我们正在研究一个非常困难的问题，因此我们应该在很长的时间范围内考虑这个问题。”。这在物理学中并不罕见。例如，一百年前，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。但科学家们最近只能用一种名为LIGO的价值数十亿美元的仪器——激光干涉仪引力波天文台来验证它们。

到目前为止，所有的科学都依赖于可测试性。它使科学成为科学而不是白日梦。它严格的证据规则将人类从潮湿、黑暗的城堡转移到太空。但这些测试需要时间，大多数理论家都希望等待它。他们还没有准备好搁置一个像多元宇宙这样根本的想法，因为多元宇宙实际上可能是生命、宇宙和一切的答案，除非他们能够证明自己它不存在。那一天可能永远不会到来。