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探索｜宇宙｜奧秘
作者｜羅輯
「科普作家」
三體科幻 當前的宇宙理論建立在蘇聯宇宙學家亞歷山大•弗裡德曼提出的膨脹宇宙模型之上，在1922年，弗裡德曼發現了愛因斯坦場方程中的一個重要解使得膨脹宇宙模型逐漸明朗，此後哈勃發現了宇宙膨脹的現象，在宇宙微波背景輻射發現之後，科學界對建立在弗裡德曼宇宙模型基礎上的宇宙時空有了不同深度的認識。宇宙學建立在兩大假設上：第一，假設宇宙介質的分布是均勻的、各向同性的；第二，宇宙動力學行為服從廣義相對論。
宇宙學模型的提出需要觀測來證實，當弗裡德曼提出宇宙膨脹模型時幾乎得不到科學界認可，甚至在哈勃發現紅移宇宙膨脹現象後也被認為是「偽科學」，這是因為宇宙學需要觀測來證實結論。1965年，美國貝爾實驗室的工程師彭齊亞斯和威爾遜發現了宇宙微波背景輻射，這是一個各向同性的信號，與太陽系行星系統公轉和自轉完全沒有關係，有力支持了弗裡德曼的膨脹宇宙模型，是大爆炸理論的證據。到了1989年，宇宙微波背景輻射衛星（COBE）觀測證實微波背景輻射譜符合2.726±0.010K黑體輻射曲線，極大支持了宇宙在大尺度方向上的各向同性特點。
在弗裡德曼提出宇宙膨脹模型之前，宇宙有限論獲得了兩大佯謬的支持：第一，德國天文學家奧伯斯在1823年提出「夜黑佯謬」，他質疑為什麼我們會看見黑夜，如果宇宙無限大的話，那麼各個方向上恆星亮度的累計可以照亮整個夜空，地球將不會出現黑夜，因此宇宙是有限的；第二，西利格佯謬認為如果宇宙是無限大，那麼宇宙中的物質分布應該是均勻的，這樣各個方向上可以產生相同的作用力，我們就無法稱量一個物體的重量，因此宇宙是有限的。
除了有限宇宙論外，愛因斯坦也提出了自己的宇宙觀，他在1916年發表的廣義相對論中認為一個物體的質量可以導致其周圍的時空發生彎曲，看起來像是一個物體通過萬有引力施加的影響實際上是空間彎曲引起的運動，而時空彎曲的事實可以得出我們的宇宙是有限無邊的，屬於靜態宇宙範疇，愛因斯坦將這樣的宇宙描述為在三維球體上的二維空間。
通過一個世紀的發展，宇宙學的初級架構已經建立起來，作為現代宇宙學基本出發點的弗裡德曼宇宙膨脹模型認為在宇宙膨脹前，必然有一個時刻的宇宙半徑是0，這樣可初步得出宇宙年齡在200億年左右，現代宇宙學的發現表面，宇宙年齡為137.7億年。宇宙學發展過程中出現一次較大的突破，科學家將其稱為「平行宇宙」論，雖然該理論尚未被證實，但該理論擁有極強的生命力，使得宇宙學研究讓人耳目一新，在弦論、M理論發展之後，多重宇宙論也逐漸被人們接受，目前的問題並非在於是否存在多重宇宙，而是它們會以何種形式出現。
2003年，美國賓夕法尼亞大學物理與天文學教授Max Tegmark在《科學美國人》期刊上發表了《平行宇宙》一文，是目前平行宇宙論較為完整的論述文章，他將平行宇宙分為四類，或者四個層次，論證了宇宙是「平行」的結論，這是宇宙學研究從單一宇宙論發展到平行的多宇宙論，根據MaxTegmark的描述，平行宇宙分為四類：
第一類平行宇宙為最簡單的平行宇宙，處於我們可觀測宇宙之外，其物理常數與我們的宇宙相同，但是物質的初始條件不同，這意味著我們的宇宙之外還有很多平行宇宙時空。普朗克望遠鏡最新的觀測數據表明，我們的宇宙可能是10億個宇宙中的一個，這個發現也是第一次有證據顯示平行宇宙的存在。而可觀測的宇宙半徑為420億至460億光年左右，這是大爆炸以來光前進的最遠距離，由於宇宙膨脹的拉伸，這個距離大約137億光年。
第二類宇宙與第一類宇宙有著較大的不同，時空維度、基本粒子以及很多物理常數都是不同的；第三類宇宙為美國量子物理學家休•艾弗雷特提出的多世界宇宙，屬於量子多重世界範疇，在量子力學框架下，每一個宇宙都對應著不同的狀態，量子宇宙會隨機「分裂」成更多狀態的宇宙；第四類宇宙的物理定律不同於我們的宇宙，而且物理性質和量子態都不同，幾乎不可能用真實可見的圖像來解釋這個宇宙，Max Tegmark認為一種數學結構可對應一個平行宇宙，它們不屬於時間和空間的範疇。
顯然四種平行宇宙的層次劃分是從複雜到簡單，第一類宇宙規定了許多物理常數和初始條件，到了第四層平行宇宙時幾乎難以想像，無法用三維空間的圖像加以描述，平行宇宙模型已經暗示了不同類型宇宙之間出現變換的可能性。
作為平行宇宙的第四類，建立在M理論基礎之上的宇宙完全與我們處於的宇宙不同，其物理性質和量子態都不一樣，甚至我們無法用直觀的圖像來表述這樣的宇宙。M理論是弦理論的延伸，而超弦理論則發展自弦理論。弦理論與傳統的基本粒子論不同之處在於不把一個基本粒子看成一個點粒子，而認為其是一根一維的弦，顯然這種思維完全「顛覆」了以往所有的宇宙學理論，弦理論中著名的威尼採亞諾公式可以理解為弦與弦的散射振幅，在此基礎上建立平行宇宙擁有難以想像的開放程度。
量子力學中波和粒子被認為是同一現象的兩個不同表現，弦理論認為每一種振動模式都對應著一種粒子，特定弦的振動頻率決定了粒子的能量和質量，一根弦的不同振動模式可以形成我們現在所熟知的基本粒子。比如，根據弦理論，粒子被看作是長度為普朗克尺度一維弦，在引入費米子的坐標後，科學家提出了超弦理論。超弦理論暗示的平行宇宙時空必須擁有十個維度，時空中也存在超對稱現象，但沒有真空穩定態的問題，超弦理論的形成意味著此類平行宇宙並非由粒子和場構成的時空，宇宙不僅是四維時空，而是多維的。
10維超弦理論避免了量子力學與廣義相對論合併時遇到的重整化問題，還在一定程度上連接了強力、弱力、電磁力以及引力四種基本力。我們所處的時空是4維的，三維時空加上一維的時間，需要指出的是，我們熟知的牛頓力學、廣義相對論、電動力學還有量子場論等都可以存在於高維時空，不但可以在四維時空中進行完好地表達，也滿足四維以上的時空，沒有跡象表示這些理論不適合高維時空。
上個世紀90年代中期，南加州大學超弦會議上，物理學家威頓等公布了有關超弦的研究成果，涉及對偶性與不同超對稱理論，科學家發現可以用不同的維數膜來研究對偶性，超弦理論下的10維時空通過強耦合極限可以形成11維的時空，由此誕生了M理論，10維時空中一根弦圍繞在第11維度的膜上，由此M理論擁有了一個強大的膜空間，統一了五種超弦理論和11維超引力理論。M理論的發展成熟意味著我們的宇宙建立高維時空中，完全顛覆了我們對宇宙是四維時空的概念，同時由M理論構造出的平行宇宙存在於一個膜的世界中。
科學家發現時空是10維的，減去我們看見的3維時空還有7個維度，這些額外的空間必須進行緊緻化處理，將其捲曲成普朗克尺度，因此我們看不到這樣的維度，加上1維的時間，正是我們現在看到的時空。M理論向我們展示了一個神奇的膜宇宙，不僅時空的多維的，膜結構也可以是多維的，我們的宇宙很可能是由多層膜構成的高維超空間，通過無數次的捲曲形成3-膜空間，看似非常遙遠的系外行星，在多層空間中可能僅距離我們數毫米。M理論為平行宇宙理論的發展提供了潛在機會，該理論的提出不僅使得我們所處的宇宙呈現鬼魅般神秘，由此構造出的平行宇宙可能也擁有類似的時空。
美國量子物理學家休•埃弗雷特提出的多世界詮釋被認為屬於第三類平行宇宙，從量子力學的角度看，此類平行宇宙發生的每一個事件都會產生無數個可能性事件的宇宙，在埃弗雷特看來，在測量過程中，初始狀態波函數所存在的宇宙「分裂」成許多個相互不可觀測的，卻又同樣真實的宇宙分支，每一次測量只會產生一個結果，各個分支宇宙中的結果顯然是不同的。由埃弗雷特首次的EWG詮釋就是在尋求量子力學體系的內在解釋，觀察者是孤立系統的內在組分，也是波函數的描述對象。
2001年，美國賓夕法尼亞大學教授MaxTegmark在紀念量子發現一百周年時發表了一篇文章，他認為根據退相干理論以及最新的實驗表明多世界詮釋可以取代正統的哥本哈根解釋，是量子力學的最新詮釋。多世界詮釋一共經歷了三個發展階段：第一，1957年埃弗雷特發表了《量子力學的相關態解釋》；第二，1973年《量子力學多世界解釋》和1999年《心與世界的量子力學》；第三，2007年在牛津大學舉行的埃弗雷特50年之量子力學解釋會議。
由埃弗雷特首創的量子力學多世界解釋（EWG理論）需要在數學體系的指導下形成詮釋，這就要求EWG理論要消除經典觀察者，對此，埃弗雷特導入了兩個基礎假設，第一個是複雜性假設，該理論認為世界是足夠複雜的，可以分解成單一的系統；第二個是純波動力學，可提供數學模型給予支持。在多世界理論中，觀測者被認為是孤立系統與其他子系統之間相互作用「連接系統」，而無數個「可能性」世界並非抽象的，而是與我們所處世界擁有相同的真實性和客觀性，德威特曾經評價過「世界分裂」的觀點，他認為由於無數系統之間的相互作用導致了宇宙正在不斷地分裂出令人驚訝的「分支」，每一個分支都對應著一個與我們宇宙極為相似的時空。
從宇宙學的角度上看，多世界解釋闡釋了量子測量過程中形成的波包坍縮，對此，埃弗雷特重新給出了量子力學的相關態的表述，並認為所有的孤立系統演化都遵循著薛丁格方程，而波函數是不發生坍縮的。在複合系統疊加態中，每一個觀察者都可以感知到一個確定的結果，波函數的坍縮看似是在一個主觀水平上發生，但是觀測者只感知到一個確定的結果。1970年，海德伯格大學科學家首次闡述了退相干理論，該理論解釋了系統波函數之間各分支相干性破壞，當測量儀器與觀測者相互作用之後，就會出現退相干過程。
多世界解釋中提到「分裂」一詞，這個說法被逐漸用平行並完全的世界來取代，這些無數衍生出來的平行宇宙在相同的時間和空間中並存，按照多世界理論的解釋，實驗觀測可以形成無數平行宇宙，比如其中一個平行宇宙中的實驗對象依然存活，另一個平行宇宙中的實驗對象已經死亡，此類最著名的案例為薛丁格的貓實驗，這個思想實驗揭示了量子力學世界中的神奇一面，薛丁格將輻射原子的可能衰變與一隻貓的命運聯繫起來，由於輻射原子可能衰變也可能不衰變，因此這隻貓就處於即死又活的狀態中。
埃弗雷特認為宇宙間的相互疊加在波函數確定之前就存在無數種可能性，它們之間是相互平行的，觀察者的出現並不是讓發生的概率出現變化，而是從無數種可能性空間中選擇了一種，就如同無數波函數疊加態一樣，由此形成的平行宇宙數量是非常可觀的，估計的數字為10的100次方個。針對薛丁格的貓思想實驗，科學家進行多種驗證，1996年，美國國家標準與技術學院科學家成功實現了單原子（鈹）級相干實驗，設定兩個相干態的波包模擬處於即死又活的貓。2000年，紐約州立大學石溪分校研究小組運用一個無耗散效應的超導環成功模擬「死貓」和「活貓」的疊加態。
薛丁格的貓作為一個微觀與宏觀的糾纏態，將微觀原子的衰變與不衰變狀態與宏觀貓的死活狀態相聯繫，其對於理解量子力學中量子態的非定域性十分重要，此外，對於理解量子測量中瞬間波包坍縮也是非常有幫助的。在現實生活中，退相干效應的存在，在量子與經典物理介質過渡的領域，量子物理學則還原為經典物理。
在2007年，埃弗雷特50年量子力學解釋的國際會議上，科學家認為多世界解釋並不違背哥本哈根解釋，只是從一個不同於哥本哈根解釋的角度與完善量子宇宙。2007年，科學家在研究宇宙微波背景輻射（CMB）信號時發現了巨大的宇宙冷斑，暗示了我們的宇宙之外還存在平行宇宙，根據最新計算結果，平行宇宙或處於其他維度的時空中，彼此相距為1毫米。
羅輯
2013.10.15