量子力学能否拯救宇宙多重宇宙？

许多宇宙学家现在接受了一个非凡的观点，即看起来是整个宇宙的东西实际上可能只是一个更大结构（称为多重宇宙）的一小部分。在这个图景中，存在多个宇宙，而我们曾经认为的基本自然法则在每个宇宙中都呈现出不同的形式；例如，基本粒子的类型和性质可能因宇宙而异。多重宇宙的概念源于一个理论，该理论表明极早期宇宙呈指数级膨胀。在“暴胀”时期，一些区域会比其他区域更早地停止快速膨胀，形成所谓的泡泡宇宙，很像沸水中的气泡。我们的宇宙将只是这些泡泡中的一个，而在它之外将存在无限多个泡泡。

我们的整个宇宙只是一个更大结构的一部分，这个想法本身并不像听起来那么古怪。纵观历史，科学家们一次又一次地了解到，可见世界远非全部。然而，多重宇宙的概念，及其无限数量的泡泡宇宙，确实提出了一个主要的理论问题：它似乎抹杀了该理论做出预测的能力——这是任何有用理论的核心要求。用暴胀理论的创始人之一，麻省理工学院的艾伦·古思的话来说，“在一个永恒暴胀的宇宙中，任何可能发生的事情都会发生；事实上，它会发生无数次。”

在事件发生次数有限的单个宇宙中，科学家可以通过比较这些事件发生的次数来计算一个事件相对于另一个事件发生的相对概率。然而，在一切都发生无数次的多重宇宙中，这种计数是不可能的，没有什么比其他任何事情更有可能发生。人们可以做出任何想要的预测，它肯定会在某个宇宙中成真，但这并不能告诉你任何关于我们特定世界将会发生什么的信息。

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这种明显的预测能力丧失长期以来一直困扰着物理学家。包括我在内的一些研究人员现在意识到，与多重宇宙概念形成对比的是，量子理论——它关注的是现存的最小粒子——可能具有讽刺意味地为解决问题指明了方向。具体而言，永恒暴胀多重宇宙的宇宙学图景可能在数学上等同于量子力学的“多世界”诠释，后者试图解释粒子如何似乎同时存在于多个位置。正如我们将看到的，理论之间的这种联系不仅解决了预测问题；它还可能揭示关于空间和时间的惊人真相。

量子多世界

在我重新审视量子力学的多世界诠释的宗旨后，我产生了这两个理论之间存在对应关系的想法。这个概念的出现是为了理解量子物理学的一些更奇怪的方面。在量子世界——一个违反直觉的地方——因果关系与宏观世界不同，任何过程的结果总是概率性的。在我们的宏观经验中，我们可以根据球的起点、速度和其他因素来预测球被抛出后会落在哪里，但如果那个球是量子粒子，我们只能说它有一定的机会最终落在这里，还有一定的机会最终落在那里。这种概率性质无法通过了解更多关于球、气流或此类细节来避免；它是量子领域固有的属性。在完全相同的条件下抛出的完全相同的球有时会落在 A 点，有时会落在 B 点。这个结论可能看起来很奇怪，但量子力学定律已经通过无数实验得到证实，并且真实地描述了自然界在亚原子粒子和力的尺度上的运作方式。

在量子世界中，我们说在球被抛出之后，但在我们寻找它的落点之前，它处于结果 A 和 B 的所谓叠加态——也就是说，它既不在 A 点也不在 B 点，而是位于 A 点和 B 点（以及许多其他位置）的概率性迷雾中。然而，一旦我们观察并发现球在某个位置——比如 A 点——那么任何其他检查球的人也会确认它位于 A 点。换句话说，在任何量子系统被测量之前，其结果是不确定的，但在那之后，所有后续测量都将发现与第一次相同的结果。

在量子力学的传统理解中，即哥本哈根诠释，科学家们通过说第一次测量将系统的状态从叠加态变为状态 A 来解释这种转变。但是，尽管哥本哈根诠释确实预测了实验室实验的结果，但它在概念层面上导致了严重的困难。“测量”到底意味着什么，为什么它会将系统的状态从多种可能性的叠加变为单一的确定性？当狗甚至苍蝇观察系统时，状态的变化会发生吗？当空气中的分子与系统相互作用时会怎样，我们期望这种情况一直发生，但我们通常不将其视为会干扰结果的测量？还是说人类有意识地了解系统的状态具有某种特殊的物理意义？

1957 年，当时还是普林斯顿大学研究生的休·艾弗雷特提出了量子力学的多世界诠释，它完美地解决了这个问题——尽管当时许多人对此嗤之以鼻，而且这个想法仍然不如哥本哈根诠释受欢迎。艾弗雷特的关键洞察力在于，量子系统的状态反映了周围整个宇宙的状态，因此我们必须将观察者纳入测量的完整描述中。换句话说，我们不能孤立地考虑球、风和抛球的手——我们还必须将随后检查其落点的人，以及当时宇宙中的一切都纳入基本描述中。在这个图景中，测量后的量子态仍然是叠加态——不仅是两个落点的叠加，而是两个完整世界的叠加！在第一个世界中，观察者发现系统的状态已变为 A，因此这个特定世界中的任何观察者都将在所有后续测量中获得结果 A。但是，当进行测量时，另一个宇宙从第一个宇宙中分裂出来，在这个宇宙中，观察者发现，并且一直发现，球落在了 B 点。这个特征解释了为什么观察者——假设他是一个人——认为他的测量改变了系统的状态；实际上发生的是，当他进行测量（与系统相互作用）时，他自己分裂成两个不同的人，他们生活在对应于两个不同结果 A 和 B 的两个不同的平行世界中。

根据这个图景，进行测量的人类没有特殊的意义。整个世界的状态不断分支成许多可能的平行世界，这些平行世界以叠加态共存。人类观察者作为自然的一部分，无法逃脱这个循环——观察者不断分裂成许多生活在许多可能的平行世界中的观察者，而且所有世界都是同样“真实”的。这个图景的一个显而易见但重要的含义是，自然界中的一切都遵守量子力学定律，无论大小。

这种量子力学诠释与前面讨论的多重宇宙有什么关系呢？多重宇宙似乎存在于连续的真实空间中，而不是作为平行现实而存在。2011 年，我提出永恒暴胀多重宇宙和量子力学多世界（à la Everett）在某种特定意义上是相同的概念。在这种理解中，与永恒暴胀相关的无限大空间是一种“幻觉”——暴胀的许多泡泡宇宙并非都存在于单一的真实空间中，而是代表概率树上的可能不同分支。在我提出这个提议的同时，加州大学伯克利分校的拉斐尔·布索和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德也提出了一个类似的想法。如果这是真的，多重宇宙的多世界诠释将意味着量子力学定律不仅在微观领域运作——它们还在决定多重宇宙的全局结构中发挥着至关重要的作用，即使在最大的距离尺度上也是如此。

黑洞难题

为了更好地解释量子力学的多世界诠释如何描述暴胀多重宇宙，我必须稍微跑题谈谈黑洞。黑洞是时空中极端的扭曲，其强大的引力阻止了落入其中的物体逃脱。因此，它们为涉及强量子和引力效应的物理学提供了一个理想的试验场。关于这些实体的一个特殊的思想实验揭示了传统的多重宇宙思维方式在哪里走偏，从而使预测成为不可能。

假设我们将一本书扔进黑洞，并从外部观察会发生什么。虽然书本身永远无法逃脱黑洞，但理论预测书中的信息不会丢失。在书被黑洞的引力撕碎之后，并且在黑洞本身通过发射微弱的辐射（一种称为霍金辐射的现象，由剑桥大学的物理学家史蒂芬·霍金发现）逐渐蒸发之后，外部观察者可以通过仔细检查释放的辐射来重建初始书中包含的所有信息。甚至在黑洞完全蒸发之前，书的信息就开始通过每片霍金辐射缓慢泄漏出来。

然而，如果我们从一个与书一起坠入黑洞的人的角度来思考相同的情况，就会发生一件令人困惑的事情。在这种情况下，这本书似乎只是穿过黑洞的边界并留在里面。因此，对于这位内部观察者来说，书中的信息也永远包含在黑洞内部。另一方面，我们刚刚论证过，从遥远观察者的角度来看，信息将在外部。哪个是正确的？你可能会认为信息只是被复制了：一份在内部，另一份在外部。然而，这种解决方案是不可能的。在量子力学中，所谓的不可克隆定理禁止对信息进行忠实、完整的复制。因此，由两位观察者看到的两个图景似乎不可能同时为真。

荷兰乌得勒支大学的物理学家杰拉德·特·胡夫特、萨斯坎德及其合作者提出了以下解决方案：这两个图景可以同时有效，但不能同时。如果你是一个遥远的观察者，那么信息就在外部。你不需要描述黑洞的内部，因为你即使在原则上也永远无法访问它；事实上，为了避免克隆信息，你必须认为内部时空是不存在的。相反，如果你是一个坠入洞中的观察者，那么内部就是你拥有的一切，它包含书及其信息。然而，这种观点只有以忽略黑洞正在发射的霍金辐射为代价才是可能的——但这种自负是被允许的，因为你自己已经越过了黑洞边界，因此被困在内部，与从边界发射的辐射隔绝。这两种观点中的任何一种都没有不一致之处；只有当你人为地“拼接”这两者时——鉴于你不可能同时是遥远的观察者和坠落的观察者，你永远无法物理地做到这一点——才会发生明显的信息克隆不一致。

宇宙学视界

这个黑洞难题可能看起来与量子力学的多世界概念和多重宇宙如何联系起来的问题无关，但事实证明，黑洞的边界在重要方面类似于所谓的宇宙学视界——我们可以在其中接收来自深空信号的时空区域的边界。视界的存在是因为空间呈指数级膨胀，并且比此截止点更远的物体后退的速度超过光速，因此来自它们的任何信息都永远无法到达我们。因此，这种情况类似于遥远观察者看到的黑洞。而且，与黑洞的情况一样，量子力学要求视界内部的观察者将边界另一侧的时空——在这种情况下是宇宙学视界外部——视为不存在。如果我们考虑除了可以稍后从视界检索到的信息（类似于黑洞情况下的霍金辐射）之外的这种时空，那么我们就高估了信息。这个问题意味着对宇宙量子态的任何描述都应该只包括视界内部（和视界上）的区域——特别地，在任何单一、一致的宇宙描述中都不可能存在无限空间。

如果量子态只反映视界内的区域，那么我们认为存在于永恒暴胀无限空间中的多重宇宙在哪里呢？答案是，泡泡宇宙的产生是概率性的，就像量子力学中的任何其他过程一样。正如量子测量可以产生许多不同的结果，这些结果以其发生的概率来区分一样，暴胀可以产生许多不同的宇宙，每个宇宙都有不同的诞生概率。换句话说，代表永恒暴胀空间的量子态是代表不同宇宙的世界或分支的叠加，其中每个分支仅包括其自身视界内的区域。

由于这些宇宙中的每一个都是有限的，我们避免了由包含所有可能结果的无限大空间的前景引发的可预测性问题。在这种情况下，多个宇宙并非都同时存在于真实空间中——它们仅在“概率空间”中共同存在，也就是说，作为居住在每个世界中的人们进行的观察的可能结果。因此，每个宇宙——每个可能的结果——都保留了特定的诞生概率。

这个图景统一了宇宙学的永恒暴胀多重宇宙和埃弗雷特的多世界。宇宙历史因此像这样展开：多重宇宙从某个初始状态开始，演变成许多泡泡宇宙的叠加。随着时间的推移，代表这些泡泡中每一个的状态进一步分支成更多状态的叠加，这些状态代表在这些宇宙中进行的“实验”的各种可能结果（这些不需要是科学实验——它们可以是任何物理过程）。最终，代表整个多重宇宙的状态将因此包含大量分支，每个分支都代表一个可能从初始状态产生的世界。因此，量子力学概率决定了宇宙学和微观过程中的结果。多重宇宙和量子多世界实际上是同一件事；它们只是指发生在截然不同尺度上的相同现象——叠加。

在这个新图景中，我们的世界只是量子物理学基本原理允许的所有可能世界之一，并且这些世界同时存在于概率空间中。

超越领域

为了知道这个想法是否正确，我们希望通过实验来检验它。但这可行吗？事实证明，一种特定现象的发现将为新思维提供支持。多重宇宙可能导致我们宇宙中少量负空间曲率——换句话说，即使在没有引力的情况下，物体在空间中传播也不会像在扁平宇宙中那样沿直线传播，而是沿曲线传播。这种曲率可能会发生，因为即使从整个多重宇宙的角度来看，泡泡宇宙是有限的，但泡泡内部的观察者也会认为他们的宇宙是无限大的，这将使空间看起来是负弯曲的（负曲率的一个例子是马鞍的表面，而球体的表面是正曲率的）。如果我们在一个这样的泡泡内部，空间同样应该在我们看来是弯曲的。

到目前为止的证据表明宇宙是扁平的，但是研究遥远光线在宇宙中传播时如何弯曲的实验可能会在未来几十年内将我们宇宙曲率的测量精度提高约两个数量级。如果这些实验发现任何数量的负曲率，它们将支持多重宇宙的概念，因为尽管这种曲率在单个宇宙中在技术上是可能的，但在那里是不合理的。具体而言，一项发现支持此处描述的量子多重宇宙图景，因为它自然会导致足够大以至于可以被检测到的曲率，而传统的多重宇宙暴胀图景往往会产生比我们希望测量的负曲率小几个数量级。

有趣的是，正曲率的发现将证伪此处提出的多重宇宙概念，因为暴胀理论表明泡泡宇宙只能产生负曲率。另一方面，如果我们幸运的话，我们甚至可能会看到多重宇宙的戏剧性迹象——例如天空中泡泡宇宙“碰撞”的残余物，这可能在量子多重宇宙的单个分支中形成。然而，科学家们远不能确定我们是否会检测到此类信号。

我和其他物理学家也在理论层面上进一步研究量子多重宇宙的想法。我们可以提出基本问题，例如：我们如何确定整个多重宇宙的量子态？什么是时间，它又是如何出现的？量子多重宇宙图景并没有立即回答这些问题，但它确实提供了一个解决这些问题的框架。例如，最近，我发现数学要求我们的理论必须包含严格定义的概率所施加的约束可能使我们能够确定整个多重宇宙的独特量子态。这些约束也表明，即使作为多重宇宙状态一部分的物理观察者会看到新的泡泡不断形成，整体量子态也保持不变。这意味着我们对宇宙随时间变化的感知，以及时间概念本身可能是一种幻觉。根据这种观点，时间是一个“涌现概念”，它源于更基本的现实，并且似乎仅存在于多重宇宙的局部分支中。

我讨论的许多想法仍然相当具有推测性，但物理学家能够根据理论进展来谈论如此宏大而深刻的问题，这令人兴奋。谁知道这些探索最终会把我们引向何方？但似乎很清楚的是，我们生活在一个激动人心的时代，在这个时代，我们的科学探索超越了我们认为是整个物理世界——我们的宇宙——进入了一个可能无限的领域。