宇宙在不斷分裂?它可能只是量子多重宇宙的一支!

博科園：本文為宇宙學類

多重宇宙理論認為，我們的宇宙只是無數「氣泡宇宙」中的一個。但無限個宇宙意味著無限種可能，因此該理論無法做出有意義的預言。為了解決這個問題，研究者求助於量子力學，他們推測，「氣泡宇宙」並非共存於真實空間中，而是以不同的概率疊加在一起的，就像微觀粒子處於量子態一樣。

現在，許多宇宙學家都接受了一個奇特的理論：我們這個看上去獨一無二的宇宙，其實只是一個名為多重宇宙的更大結構中的滄海一粟。在這個理論描繪的圖景中，同時存在著眾多宇宙，而我們奉為基本自然規律的物理定律在每個宇宙中都是不同的，例如，不同宇宙中基本粒子的種類和性質都是各不相同的。

多重宇宙的想法源於一個認為極早期宇宙經歷過指數式膨脹的理論。在這個所謂「暴脹」（inflation）過程中，空間中的某些區域也許會比其他區域更早結束這種快速膨脹，形成我們所說的氣泡宇宙（bubble universe），因為它們看上去就像是一鍋沸水中的氣泡一樣。我們的宇宙也許只是眾多氣泡宇宙中的一個，在它之外還有無數個宇宙。

我們的宇宙只是某個更大結構的一部分，這種想法本身並不驚世駭俗。回顧歷史，科學家曾不止一次發現當時可見的世界遠非宇宙的全部。但多重宇宙觀念，以及這個理論所描述的無窮無盡的氣泡宇宙，卻給我們帶來一個嚴重的理論問題：它似乎抹煞了暴脹理論的預言能力，而這是我們對一個有效理論的基本要求。暴脹理論的創立者之一、麻省理工學院的阿蘭·古思（Alan Guth）點出了其中的困境：「在一個永恆暴脹的宇宙中，任何可能發生的事都將發生，實際上，它會發生無數次。」

哈勃空間望遠鏡超深空場照片拍下了最遠達130億光年的星系。比這還要遠很多的天體將永遠無法觀測到，因為空間膨脹的速度導致它們遠離我們的速度超越了光速。這個宇宙視界對於多重宇宙理論來說意義重大。

在一個事件只會發生有限多次的單一宇宙中，科學家可以通過比較不同事件發生的次數來計算一個事件發生的相對概率。但是在一個任何事件都會發生無限多次的多重宇宙中，這樣的計算就無法進行了。諸事平等，無一特殊，可以隨心所欲預言某事，它必將在某個宇宙中變成現實，但這種預言與我們所處的這個宇宙毫無干係。

這種預言能力的匱乏一直困擾著物理學家。但包括本文作者在內的一些研究者已經認識到，量子理論也許為我們指明了一條出路。這或許有些出人意料，因為量子理論與多重宇宙理論剛好相反，只關心那些最微小的粒子。具體而言，宇宙學中的永恆暴脹多重宇宙圖景，在數學上也許等價於量子力學中的「多世界」詮釋，後者試圖解釋粒子是怎樣同時存在於多個位置的。正如我將在下文詳述的，這種理論上的聯繫不僅可以解決暴脹理論的預言問題，而且還可能揭示出有關時間和空間的驚人真相。

量子多世界

本文作者是在重新審視量子力學多世界詮釋的基本原則時，想到它和多重宇宙理論之間的對應關係的。多世界概念的提出，原本是為了澄清量子物理的一些奇怪特性。在量子世界這個與人直覺相悖的地方，原因與結果的作用方式與我們熟悉的宏觀世界不同，任何過程的結果都是以概率方式呈現的。按照宏觀世界的經驗，我們拋出一個球，可以根據球的初始位置、速度及其他因素確定球的落點，但如果這個球是一個量子粒子，我們就只能說出它落在這裡或那裡的概率有多大。即使我們更準確地對小球進行測量，知道諸如氣流情況這樣的細節，也無法根除這種本質上的概率性，它是量子世界的內稟屬性。同樣的小球以同樣的初始狀態扔出，它有時會落在A點，有時會落在B點。這個結論貌似荒唐，但量子力學經受了無數實驗的檢驗，它真實地描述了自然界在亞原子尺度之下的運作方式。

在量子世界中，球在拋出之後，在我們觀測它的落點之前，處於落在A點和落在B點的所謂疊加態上。也就是說，它既不在A點也不在B點，而是處於既包含A點也包含B點（以及其他所有可能位置）的概率迷霧之中。不過，一旦我們進行觀測，發現球落在了一個確定的位置，比如說A點，那其他任何人來檢查這個球都會確認它落在A點，換句話說，一個量子系統在測量之前，其結果是不確定的，但只要進行測量，所有測量的結果都會與第一次測量保持一致。

按照哥本哈根詮釋（Copenhagen interpretation）對量子力學的理解，物理學家將上述由不確定到確定的轉變解釋為，第一次測量將系統的狀態從疊加態變成了A態。儘管哥本哈根詮釋可以作出與實驗一致的預測，但它會導致一系列概念層面上的疑難。究竟什麼是「測量」？為何它會把系統從疊加態變成一個確定態？如果是一條狗或是一隻蒼蠅來觀察也會引起這種狀態的改變嗎？如果空氣中的一個分子與系統發生相互作用又會如何呢？這種情況每時每刻都在發生，但我們通常卻不把它視為一種可以影響系統結果的測量。抑或是人對系統狀態有意識的觀察具備什麼特殊的物理意義？

「在一個永恆暴脹的宇宙中，任何可能發生的事都將發生，實際上，它會發生無數次。」

1957年，還在普林斯頓大學讀研究生的休·艾弗雷特（Hugh Everett）提出了量子力學的多世界詮釋（many-worlds interpretation），漂亮地解決了這些難題，儘管這種詮釋當時備受嘲弄，甚至直到今天也不如哥本哈根詮釋受人青睞。艾弗雷特的關鍵認識在於，量子系統實際上反映的是整個宇宙的狀態，因此要想完整描述測量，必須把觀測者也包括進來。也就是說，我們不能孤立地考慮球、氣流和扔球的手等因素，必須在根本層次上把觀察球落地的觀測者，乃至那個時刻宇宙中的萬事萬物都囊括進來。

在這幅圖景中，測量之後的量子狀態仍然處於疊加態，但不是兩個落點的疊加態，而是兩個完整宇宙的疊加態！在第一個宇宙中，觀測者發現系統變成了A，所以該宇宙中所有後繼觀測者都會得到A結果。但是在測量的同時，另一個宇宙就分裂出來，在那個宇宙中，所有觀測者都會發現球落到了B處。這進一步解釋了為何觀測者（假定觀測者為一個人類）會認為他的測量改變了系統的狀態，實際發生的是，在他進行測量時（與系統發生相互作用），他自己分裂成了生活在兩個不同的平行世界中的兩個不同的個體，這兩個世界分別對應結果A和結果B。

按照上述觀點，人類所做的觀測並無任何特殊之處。整個世界的狀態無時無刻不在分裂成多個疊加共存的可能平行世界。一個人類觀測者，作為這個世界的一部分，也無法超然其外，他也會不停分裂成生活在這些可能平行世界中的不同觀測者，每一個都是同等「真實」的。該圖景暗含著一個明顯亦很重要的結論，即自然界中所有事物，無論大小，都服從量子力學原理。

這種量子力學詮釋與我們之前討論的多重宇宙有何關係呢？畢竟後者看上去存在於連續的真實空間之中，而非什麼平行世界。2011年，本文作者提出，永恆暴脹宇宙和艾弗雷特的量子力學多世界詮釋在某種意義上是同一個概念。按照這種理解，與永恆暴脹相聯繫的無限大空間只是一種「幻象」，暴脹產生的眾多泡泡宇宙並非同時存在於單一的真實空間之中，而是代表著概率樹上不同的可能分支。差不多就在我提出這種假設的同時，加利福尼亞大學伯克利分校的拉斐爾·布索（Raphael Bousso）和史丹福大學的倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）也產生了類似想法。如果這種多重宇宙的多世界詮釋是對的，就意味著量子力學原理不僅適用於微觀世界，而且在最大尺度上對決定多重宇宙的整體結構也起著至關重要的作用。

黑洞困境

為了更好地解釋量子力學的多世界詮釋為何可以用來描述暴脹多重宇宙，我們不得不離題一會兒來談談黑洞。黑洞是時空扭曲的極致，其引力強大到任何進入其中的物體都無法逃脫。正因為如此，黑洞成為了那些同時涉及強量子效應和強引力效應的物理學理論的理想實驗場地。通過一個與黑洞有關的特殊思想實驗，我們能夠認清傳統的多重宇宙理論究竟是在何處脫離了正軌，導致無法作出預言。

本文作者，加利福尼亞大學伯克利分校的野村泰紀假設我們向黑洞裡扔一本書，然後從黑洞外觀察事情的進展。儘管書本身永遠無法逃離黑洞，但理論預測它攜帶的信息並不會泯滅。書會被黑洞引力撕碎，之後黑洞本身又會通過向外發射微弱的輻射而慢慢蒸發（該現象被稱為霍金輻射，由史蒂芬·霍金首先發現），最終外部觀測者可以通過仔細測量黑洞的輻射還原出這本書所攜帶的完整信息。即便黑洞還沒有蒸發殆盡，這本書的信息就已經在通過霍金輻射慢慢向外洩漏了。

但如果我們站在某個隨書一起落入黑洞的觀測者的角度來審視上述過程，就會發現令人迷惑之處。在該觀測者看來，跟他一起下落的書只不過是穿越了黑洞邊界並且一直處於黑洞內部而已，所以書上攜帶的信息也一樣永遠被囚禁在黑洞之內。但是上面我們已經討論過，從一個遙遠觀測者的角度來看，這些信息最終將現身黑洞之外，究竟孰是孰非？你也許認為信息只是被複製了：一份留在黑洞之內，另一份洩漏到黑洞之外，但這是不可能的，在量子力學中，有一條「不可複製定理」禁止了對信息的完美複製，因此，內外兩個觀測者的看法貌似是難以調和的。

針對上述問題，荷蘭烏德勒支大學的物理學家赫拉德·特霍夫特（Gerard’t Hooft）與薩斯坎德及其他合作者提出了如下解決方案：這兩個看法都對，但不是同時成立。在外部觀測者看來，信息在黑洞之外，你不需要描述黑洞內部的情況，因為原則上你永遠無法接觸黑洞內部，實際上，為了避免信息複製，黑洞內部的時空對你而言是不存在的。另一方面，如果你是落入黑洞的觀測者，內部就是你能看到的一切，它包含著那本書及其所有信息。不過，這種看法只有忽略霍金輻射才能成立，但這樣的無視是允許的，因為你已經穿越了黑洞邊界並被困於其中，完全與邊界上向外發出的輻射無緣了。這兩種觀點本身並無矛盾，矛盾來自你對這兩種觀點的人為 「拼接」，而這種「拼接」就物理而言原本就不可能（因為你無法同時身為一個外部觀測者又是一個下落的觀測者），因此才出現了信息複製這種問題。

宇宙視界

看上去，量子力學多世界詮釋和多重宇宙理論的內在聯繫，似乎與這個黑洞疑難沒什麼關係，但其實黑洞邊界在某些重要方面與所謂的宇宙視界很相似——所謂宇宙視界是指一個時空區域的邊界，我們只能接收到來自這個區域之內的信號。因為宇宙空間在指數式膨脹，所以存在一個這樣的邊界，此邊界之外的物體遠離我們的速度會超過光速，因此來自它們的信息永遠不可能抵達我們這裡。這情景非常類似一個遙遠觀測者眼中的黑洞。不僅如此，正如量子力學要求黑洞邊界一側的觀測者忽略邊界另一側的時空一樣，宇宙視界內的觀測者也必須忽略邊界外部的時空。這個問題實際上暗示了，任何多重宇宙的量子力學描述都只適用於視界內（及視界上），更具體地說，任何一種對宇宙完整自洽的描述都不可能包含無限空間。

如果量子狀態反映的只是視界內的區域，那多重宇宙又在何處？按我們原來的設想，那些宇宙應該存在於永恆暴脹的無限空間內。答案是，與量子力學中的其他過程一樣，這些泡沫宇宙是以概率形式出現的。正如一次量子測量會產生許多不同的結果，這些結果有著各自不同的出現概率，暴脹也能產生許多不同的宇宙，每個宇宙出現的概率各不相同。換句話說，代表永恆暴脹空間的量子態實際上是一個由代表不同宇宙的世界，或者說概率分支構成的疊加態，每一個概率分支都只包括自己視界內的那部分空間。

由於疊加態中的每個宇宙都是有限的，我們就能避免由於無限大空間中包含所有可能結果而導致的預測失效問題。按照這種理論，多重宇宙並非同時存在於真實空間之中，它們只是共存於「概率空間」之中，也就是每個宇宙中生活的居民可能觀測到的結果。因此，每個宇宙，或者說每種可能的結果，都有特定的出現概率。

上述圖景統一了宇宙學中的永恆暴脹多重宇宙觀和艾弗雷特的多世界詮釋。在該圖景中，宇宙歷史是這樣展開的：多重宇宙從某個初始狀態中出現，並演化成眾多氣泡宇宙的疊加，隨著時間流逝，代表每個氣泡宇宙的量子態又進一步分裂成更多狀態的疊加，每個狀態都對應著該宇宙中某個「實驗」（此處的實驗非特指科學實驗，而是指任何可能的物理過程）的各種可能結果，最終代表整個多重宇宙的量子態會演化出極為繁多的分支，每個分支都代表著初始狀態的一個可能演化結果。

因此，量子概率不僅決定著微觀過程，還決定了宇宙的命運。多重宇宙和量子力學中的多世界實際上殊途同歸，都指向同一個現象：態的疊加，只不過是在不同尺度的舞臺上表現出來而已。在這幅嶄新的圖景中，我們的世界僅僅是眾多可能世界中的一個，這些世界由量子物理的基本原理決定，同時存在於概率空間之中。

世界之外

要知道上述猜想是否正確，我們需要訴諸實驗，但這類實驗可行嗎？實際上我們發現，只要能發現一個特定現象，這個新理論就能夠得到支持。多重宇宙的存在會導致我們的宇宙空間有一個很小的負曲率，這意味著，即使沒有任何引力效應，物體在空間中運動的軌跡也不像在平直空間中那樣是一條直線，而是一條曲線。之所以存在這種負曲率，是因為儘管從整個多重宇宙的角度來看氣泡宇宙是有限的，但氣泡宇宙中的觀測者卻認為自己所處的宇宙是無限大的，這會讓空間看起來是彎曲的，且曲率為負（負曲率的例子之一就是馬鞍的表面，而球面則是正曲率的）。因此如果我們生活在這樣的氣泡宇宙中，應該能通過觀測發現空間是彎曲的。

目前所有的觀測證據都表明，我們的宇宙是平直的。但未來數十年內，通過觀測遙遠天體發出的光線在穿越宇宙時彎曲的程度，我們對宇宙空間曲率的測量精度還能提高兩個數量級。如果這類實驗發現了任何程度的負曲率，都將是對多重宇宙理論的支持，因為儘管單一宇宙在理論上也可能具有負曲率，但可能性極低。實際上，任何發現本身都是對上述量子多重宇宙圖景的有力支持，因為該理論可以很自然地產生足以被探測到的空間曲率，而傳統的暴脹多重宇宙理論所給出的負曲率要比我們預期的探測能力小很多個數量級。

負曲率的馬鞍形表面，其中的幾何規律不同於曲率為0的平面。有趣的是，萬一測量出空間曲率是正的，多重宇宙理論就將徹底失敗，因為根據暴脹理論，氣泡宇宙只能產生負曲率。相反，如果我們足夠幸運的話，甚至還可能看到多重宇宙的戲劇性證據：例如氣泡宇宙之間「碰撞」的殘跡，在量子多重宇宙圖景中，這種痕跡能在單獨的一個分支中產生。不過，對於是否能探測到這種信號，科學家目前仍毫無把握。我和其他物理學家一樣，目前還只是在理論層面上對量子多重宇宙這個想法進行探索。我們可以問一些基本問題，比方說，怎樣才能確定整個多重宇宙的量子態？

在這樣的圖景中，時間是什麼？它又是如何產生的？量子多重宇宙圖景雖然不能立刻回答這些問題，但它確實提供了一個討論這些問題的框架。例如，不久之前，我發現由於在數學上我們的理論必須包含嚴格定義的概率，由此帶來的一些約束條件使得我們能準確確定整個多重宇宙的量子態。這些約束條件還表明，即使一個物理上的觀測者（本身也是多重宇宙量子態的一部分）會不斷看到新的氣泡宇宙產生，但整個多重宇宙的量子態仍保持不變。這意味著我們對宇宙的感知會隨著時間而變化，但時間概念本身，卻是一個幻象。在這樣的圖景中，時間是一個「湧現概念」，源自更為基本的物理實在，似乎只存在於多重宇宙的局域分支中。

我們在上面討論的很多想法目前仍停留在猜測階段，但憑藉理論之力，物理學家得以直面如此宏大且深邃的問題，這本身就足以讓人心醉神迷。又有誰知道這些探索最終會將我們帶往何處？有一點毋庸置疑，那就是我們生活在一個激動人心的時代，科學探索的觸角已經超越了我們曾經以為是整個物理世界的宇宙，進入一個存在無限可能的疆域。

博科園-科學科普｜撰文：野村泰紀（Yasunori Nomura），加利福尼亞大學伯克利分校伯克利理論物理研究中心主任轉自: 環球科學/huanqiukexue博科園-傳遞宇宙科學之美

博科園-請看更多精彩內容：

我相信外星人存在，可外星人都去哪兒了？

宇宙輻射盾牌！星系團揭示地球宇宙粒子加速器的內部工作原理！

星系形狀都不同？暗物質有特殊的速度？