在过去的十年中，一项非凡的论断吸引了宇宙学家的注意：我们周围所见的膨胀宇宙并非唯一；还有数十亿个其他宇宙存在。不是只有一个宇宙，而是存在一个多元宇宙。在《大众科学》的文章和书籍（如布莱恩·格林的最新著作《隐藏的现实》）中，顶尖科学家谈到了一场超级哥白尼革命。在这种观点中，不仅我们的星球是众多星球之一，甚至我们的整个宇宙在宇宙尺度上也微不足道。它只是无数宇宙中的一个，每个宇宙都按照自己的方式运行。
“多元宇宙”这个词有不同的含义。天文学家能够看到大约420亿光年的距离，这是我们的宇宙视觉范围。我们没有理由怀疑宇宙止步于此。在它之外可能存在许多——甚至无限多的——与我们所见的领域非常相似的领域。每个领域都有不同的物质初始分布，但相同的物理定律在所有领域都适用。如今，几乎所有宇宙学家（包括我）都接受这种类型的多元宇宙，马克斯·泰格马克称之为“1级”。然而，有些人走得更远。他们提出了完全不同种类的宇宙，具有不同的物理学、不同的历史，甚至可能不同的空间维度数量。大多数宇宙将是荒芜的，尽管有些宇宙将充满生命。“2级”多元宇宙的主要支持者是亚历山大·维连金，他描绘了一个引人入胜的画面，其中包含无限多的宇宙、无限多的星系、无限多的行星以及无限多的与你同名的人正在阅读这篇文章。
自古以来，许多文化都提出了类似的说法。新颖之处在于，多元宇宙被认为是一种科学理论，这意味着它在数学上是严谨的，并且可以通过实验进行检验。我对这一说法持怀疑态度。我不相信那些其他宇宙的存在已被证明——或者永远可以被证明。多元宇宙的支持者在极大地扩展我们对物理现实的概念的同时，也在隐含地重新定义“科学”的含义。
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地平线之外
那些认同广义多元宇宙概念的人对如此多的宇宙可能如何产生以及它们将位于何处提出了各种建议。正如艾伦·H·古斯、安德烈·林德和其他人的混沌暴胀模型所设想的那样，它们可能位于远远超出我们自身宇宙的空间区域[参见安德烈·林德的《自我繁殖的暴胀宇宙》；《大众科学》，1994年11月]。正如保罗·J·斯坦哈特和尼尔·图罗克的循环宇宙模型所提出的那样，它们可能存在于不同的时间时期[参见《时间起点的神话》，作者：加布里埃莱·韦内齐亚诺；《大众科学》，2004年5月]。正如戴维·多伊奇所倡导的那样，它们可能存在于我们所处的同一空间中，但在量子波函数的不同分支中[参见戴维·多伊奇和迈克尔·洛克伍德的《时间旅行的量子物理学》；《大众科学》，1994年3月]。正如泰格马克和丹尼斯·西亚玛所建议的那样，它们可能没有位置，与我们的时空完全脱节[参见马克斯·泰格马克的《平行宇宙》；《大众科学》，2003年5月]。
在这些选项中，最被广泛接受的是混沌暴胀，我将重点关注它；然而，我的大部分评论也适用于所有其他提议。其想法是，广阔的空间是一个永恒膨胀的虚空，其中量子效应不断地产生新的宇宙，就像孩子吹泡泡一样。暴胀的概念可以追溯到1980年代，物理学家们基于他们最全面的自然理论——弦理论——对其进行了详细阐述。弦理论允许泡泡看起来彼此非常不同。实际上，每个宇宙的生命开始时不仅具有物质的随机分布，而且还具有随机类型的物质。我们的宇宙包含诸如电子和夸克之类的粒子，它们通过诸如电磁力之类的力相互作用；其他宇宙可能具有非常不同类型的粒子和力——也就是说，不同的局部物理定律。允许的局部定律的完整集合被称为景观。在弦理论的某些解释中，景观是巨大的，确保了宇宙的巨大多样性。
许多谈论多元宇宙的物理学家，特别是弦景观的倡导者，并不太关心平行宇宙本身。对他们来说，对多元宇宙作为概念的反对意见并不重要。他们的理论的生死取决于内部一致性，并且他们希望最终通过实验室测试。他们假设他们的理论存在多元宇宙背景，而不用担心它是如何产生的——这正是宇宙学家所关心的。
对于宇宙学家来说，所有多元宇宙提议的基本问题是宇宙视觉范围的存在。范围是我们能够看到的最远距离的限制，因为以光速（这是有限的）向我们传播的信号自宇宙开始以来没有时间从更远的地方到达我们。所有平行宇宙都位于我们的范围之外，并且仍然超出我们看到的能力，现在或将来都是如此，无论技术如何发展。事实上，它们距离太远，以至于对我们的宇宙没有任何影响。这就是为什么多元宇宙爱好者提出的所有主张都无法直接证实的原因。
支持者告诉我们，我们可以大致说明在离我们的宇宙范围 1,000 倍、10100 倍、101,000,000 倍、甚至无限远的地方会发生什么——所有这些都来自我们在范围之内获得的数据。这是一种非同寻常的推断。也许宇宙在一个非常大的尺度上是闭合的，并且那里没有无限远。也许宇宙中的所有物质都在某个地方结束，然后永远是空旷的空间。也许空间和时间在界定宇宙的奇点处结束。我们只是不知道实际发生了什么，因为我们没有关于这些区域的信息，并且永远不会有。
七个值得怀疑的论点
大多数多元宇宙支持者都是谨慎的科学家，他们非常清楚这个问题，但认为我们仍然可以对那里发生的事情做出有根据的猜测。他们的论点大致分为七种类型，每种类型都遇到了麻烦。
空间没有尽头。 很少有人否认空间延伸超出我们的宇宙范围，并且许多其他领域位于我们所见之外。如果存在这种有限类型的多元宇宙，我们可以将我们所见的推断到范围之外的领域，但随着距离更远，不确定性也越来越大。然后很容易想象更精细的变化类型，包括我们看不到的地方发生的替代物理学。但是，从已知推断到未知类型的麻烦在于，没有人可以证明你是错的。科学家如何决定他们对时空不可观测区域的描绘是对我们所见事物的合理还是不合理的推断？其他宇宙可能具有不同的物质初始分布，或者它们可能也具有不同的基本物理常数值，例如那些设定核力强度的常数？你可能会得到任何一种，这取决于你的假设。
已知的物理学预测了其他领域。拟议的统一理论预测了诸如标量场之类的实体，这是一种假设的与磁场等其他空间填充场的相对物。这些场应该驱动宇宙暴胀并无限期地创造宇宙。这些理论在理论上 основаны хорошо，但假设场的性质未知，实验学家尚未证明它们的存在，更不用说测量它们假设的性质了。至关重要的是，物理学家尚未证实这些场的动力学会导致不同的物理定律在不同的泡泡宇宙中起作用。
预测无限宇宙的理论通过了一项关键的观测测试。宇宙微波背景辐射揭示了宇宙在其炎热的早期膨胀时代结束时的样子。其中的模式表明，我们的宇宙确实经历了一段暴胀时期。但并非所有类型的暴胀都会永远持续下去并创造出无限数量的泡泡宇宙。观测结果并未从其他类型中挑选出所需的暴胀类型。一些宇宙学家，如斯坦哈特，甚至认为永恒暴胀会导致与我们看到的背景辐射不同的模式[参见保罗·J·斯坦哈特的《暴胀辩论》；《大众科学》，四月]。林德和其他人不同意。谁是对的？这一切都取决于你对暴胀场物理学的假设。
基本常数被精细调整以适应生命。关于我们宇宙的一个显着事实是，物理常数具有恰到好处的值，足以容纳复杂结构，包括生物。史蒂文·温伯格、马丁·里斯、伦纳德·萨斯坎德等人认为，奇异的多元宇宙为这种明显的巧合提供了一个简洁的解释：如果所有可能的值都出现在足够大的宇宙集合中，那么一定会在某个地方找到适合生命生存的值。这种推理尤其适用于解释今天正在加速宇宙膨胀的暗能量密度。我同意多元宇宙是这种密度值的一种可能的有效解释；可以说，这是我们目前拥有的唯一基于科学的选择。但我们没有希望通过观测来检验它。此外，大多数对此问题的分析都假设物理学的基本方程在任何地方都是相同的，只有常数不同——但如果认真对待多元宇宙，情况就未必如此[参见亚历杭德罗·詹金斯和吉拉德·佩雷斯的《在多元宇宙中寻找生命》；《大众科学》，2010年1月]。
基本常数与多元宇宙预测相符。该论点通过暗示宇宙对于生命来说并非比严格意义上需要的更精细地调整，从而完善了前一个论点。支持者已经评估了各种暗能量密度值的概率。值越高，概率越高，但宇宙对生命越不友好。我们观察到的值应该恰好处于不适宜居住的边缘，而且它似乎确实如此[参见右图]。该论点站不住脚的地方在于，如果没有多元宇宙来应用概率概念，我们就无法应用概率论证。因此，这个论点在开始之前就假设了期望的结果；如果只有一个物理存在的宇宙，它根本不适用。概率是对多元宇宙提议一致性的探测，而不是对其存在的证明。
弦理论预测了宇宙的多样性。弦理论已经从解释一切的理论转变为几乎一切皆有可能的理论。就其目前的形式而言，它预测我们宇宙的许多基本属性纯粹是偶然发生的。如果宇宙是独一无二的，那么这些属性似乎是无法解释的。例如，我们如何理解物理学恰好具有那些高度受约束的、允许生命存在的属性这一事实？如果宇宙是众多宇宙之一，那么这些属性就完全有道理了。没有什么能使它们脱颖而出；它们只是在我们空间区域中出现的那些属性。如果我们生活在其他地方，我们会观察到不同的属性，如果我们真的可以在那里生存（在大多数地方，生命是不可能的）。但是弦理论不是一个经过尝试和测试的理论；它甚至不是一个完整的理论。如果我们有证据证明弦理论是正确的，那么它的理论预测可能成为支持多元宇宙的合法且基于实验的论据。我们没有这样的证据。
所有可能发生的事情都会发生。在寻求解释为什么自然界遵守某些定律而不是其他定律时，一些物理学家和哲学家推测，自然界从未做出过这样的选择：所有可以想象的定律都在某个地方适用。这个想法部分受到量子力学的启发，正如默里·盖尔曼令人难忘地指出的那样，量子力学认为，凡是未被禁止的都是强制性的。一个粒子采取所有可能的路径，而我们所看到的是所有这些可能性的加权平均值。也许整个宇宙也是如此，这意味着存在多元宇宙。但是天文学家丝毫没有机会观察到这种可能性的多样性。事实上，我们甚至无法知道可能性是什么。面对某些无法验证的组织原则或框架（例如，所有可能的数学结构都必须在某个物理领域中实现（正如泰格马克提出的））来决定什么是允许的，什么是不允许的，我们才能理解这个提议。但我们不知道这个原则会带来什么样的存在，除了它必然包含我们周围看到的世界之外。而且我们根本无法验证任何此类组织原则的存在或性质。在某些方面，这是一个有吸引力的命题，但其对现实的拟议应用纯粹是推测。
缺乏证据
尽管理论论证不足，但宇宙学家也提出了各种平行宇宙的经验测试。如果例如我们的宇宙曾经与另一个泡泡宇宙发生碰撞（就像混沌暴胀情景所暗示的那样），那么宇宙微波背景辐射可能会带有其他泡泡宇宙的一些痕迹。背景辐射也可能包含在永无止境的宇宙循环中，大爆炸之前存在的宇宙的残余物。这些确实是人们可能获得其他宇宙真实证据的方式。一些宇宙学家甚至声称已经看到了这样的残余物。然而，观测主张受到了强烈质疑，并且许多假设的多元宇宙不会导致这样的证据。因此，观测者只能以这种方式测试某些特定类别的多元宇宙模型。
第二个观测测试是寻找一个或多个基本常数的变化，这将证实物理定律并非完全不可变的假设。一些天文学家声称已经发现了这种变化[参见约翰·D·巴罗和约翰·K·韦伯的《不恒定的常数》；《大众科学》，2005年6月]。然而，大多数人认为证据是可疑的。
第三个测试是测量可观测宇宙的形状：它是球形的（正曲率）、双曲形的（负曲率）还是“平坦的”（无曲率）？多元宇宙情景通常预测宇宙不是球形的，因为球体自身闭合，只允许有限的体积。不幸的是，这个测试并不干净。我们范围之外的宇宙可能具有与观测部分不同的形状；更重要的是，并非所有多元宇宙理论都排除了球形几何形状。
一个更好的测试是宇宙的拓扑结构：它是否像甜甜圈或椒盐卷饼一样环绕？如果是这样，它的尺寸将是有限的，这将肯定会反驳大多数版本的暴胀，特别是基于混沌暴胀的多元宇宙情景。这种形状会在天空中产生重复的模式，例如宇宙微波背景辐射中的巨型圆圈[参见让-皮埃尔·卢米内、格伦·D·斯塔克曼和杰弗里·R·威克斯的《空间是有限的吗？》；《大众科学》，1999年4月]。观测者已经寻找过，但未能找到任何这样的模式。但是，这种无效结果不能被视为对多元宇宙有利的证据。
最后，物理学家可能希望证明或反驳一些预测多元宇宙的理论。他们可能会发现反对混沌暴胀版本的观测证据，或者发现迫使他们放弃弦理论景观的数学或经验不一致性。这种情况将削弱支持多元宇宙思想的大部分动机，尽管它不会完全排除这个概念。
太多的回旋余地
总而言之，支持多元宇宙的案例尚无定论。基本原因是该提议的极端灵活性：它更多的是一个概念，而不是一个定义明确的理论。大多数提议都涉及不同想法的大杂烩，而不是一个连贯的整体。永恒暴胀的基本机制本身并不会导致多元宇宙中每个领域的物理学都不同；为此，它需要与另一个推测性理论相结合。尽管它们可以组合在一起，但没有什么必然性。
证明多元宇宙合理性的关键步骤是从已知推断到未知，从可检验推断到不可检验。你得到的答案取决于你选择推断什么。由于涉及多元宇宙的理论几乎可以解释任何事情，因此任何观察都可以通过某些多元宇宙变体来容纳。实际上，各种“证明”都建议我们应该接受理论解释，而不是坚持观测测试。但是，到目前为止，这种测试一直是科学事业的核心要求，而我们放弃它将自食其果。如果我们削弱对可靠数据的要求，我们将削弱科学在过去几个世纪取得成功的核心原因。
现在，诚然，对一定范围现象的令人满意的统一解释比对同一现象的各种单独论证更重要。如果统一解释假设存在诸如平行宇宙之类的不可观测实体，我们可能很乐意接受这些实体。但是这里的关键问题是需要多少个不可验证的实体。具体而言，我们假设的实体数量是多于还是少于要解释的现象的数量？就多元宇宙而言，我们假设存在大量——甚至可能是无限多的——不可观测实体来解释仅有的一个现有宇宙。这几乎不符合14世纪英国哲学家威廉·奥卡姆的严格规定，即“实体不应超出必要性地增加”。
多元宇宙的支持者提出了最后一个论点：没有好的替代方案。尽管科学家可能对平行世界的激增感到厌恶，但如果它是最好的解释，我们将不得不接受它；相反，如果我们放弃多元宇宙，我们需要一个可行的替代方案。对替代方案的探索取决于我们准备接受哪种解释。物理学家一直希望自然规律是不可避免的——事物之所以如此，是因为它们不可能以其他方式存在——但我们一直无法证明这是真的。也存在其他选择。宇宙可能是纯粹的偶然事件——它只是碰巧变成那样。或者事物可能在某种意义上注定要如此——目的或意图在某种程度上是存在的根本原因。科学无法确定哪种情况是正确的，因为这些都是形而上学问题。
科学家提出多元宇宙是为了解决关于存在本质的深刻问题，但该提议使最终问题悬而未决。关于宇宙的所有相同问题再次在多元宇宙中出现。如果多元宇宙存在，它是通过必然性、偶然性还是目的而产生的？这是一个形而上学问题，任何物理理论都无法为宇宙或多元宇宙回答。
为了取得进展，我们需要坚持经验测试是科学核心的思想。我们需要与我们提出的任何实体进行某种因果接触；否则，就没有限制。链接可能有点间接。如果一个实体是不可观测的，但对于确实被验证的其他实体的属性绝对必要，则可以将其视为已验证。但随后，证明它对于解释网络绝对必要的责任就落在了肩上。我对多元宇宙支持者提出的挑战是：你能证明不可见的平行宇宙对于解释我们确实看到的世界至关重要吗？并且这种联系是必不可少的且不可避免的吗？
尽管我持怀疑态度，但我认为对多元宇宙的思考是反思科学本质和存在终极本质的绝佳机会：我们为什么在这里。它带来了新的和有趣的见解，因此是一个富有成效的研究计划。在看待这个概念时，我们需要保持开放的心态，但不要过于开放。这是一条微妙的道路。平行宇宙可能存在，也可能不存在；这个案例尚未得到证实。我们将不得不接受这种不确定性。科学的哲学推测没有什么问题，多元宇宙提议就是如此。但我们应该给它应有的名称。