在过去的十年中，一项非凡的主张吸引了宇宙学家的目光：我们周围不断膨胀的宇宙并非唯一；还有数十亿个其他宇宙也存在于那里。不是只有一个宇宙——而是一个多元宇宙。在大众科学的文章和布莱恩·格林的《隐藏的现实》等书中，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是微不足道的。它只是无数宇宙之一，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视界。我们没有理由怀疑宇宙就止步于此。在它之外可能存在许多——甚至无限多的——与我们看到的非常相似的区域。每个区域都有不同的物质初始分布，但相同的物理定律在所有区域中都适用。今天几乎所有的宇宙学家（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。大多数宇宙将是荒芜的，尽管有些宇宙将充满生命。这种“2 级”多元宇宙的主要倡导者是亚历山大·维连金，他设想了一个包含无限数量星系的无限宇宙集合——以及无限多个与你同名的人正在阅读这篇文章。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事。
自古以来，许多文化都提出了类似的说法。新鲜的是，多元宇宙是一种科学理论的断言，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。我对这种说法持怀疑态度。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。多元宇宙的倡导者在极大地扩展我们对物理现实的理解的同时，也在含蓄地重新定义“科学”的含义。
超越视界
宇宙如何在多元宇宙中扩散，它们都位于哪里？倡导者提出了几种替代方案。宇宙可能位于远远超出我们自身宇宙的空间区域，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[参见安德烈·林德的文章“自我复制的暴胀宇宙”；大众科学，1994 年 11 月]。它们可能存在于不同的时间时期，正如保罗·J·斯坦哈特和尼尔·图罗克的循环宇宙模型中所提出的那样[参见加布里埃莱·韦内齐亚诺的文章“时间起点的神话”；大众科学：《时间问题》，2014 年 11 月]。它们可能与我们存在于同一空间中，但在量子波函数的不同分支中，正如大卫·多伊奇所倡导的那样[参见大卫·多伊奇和迈克尔·洛克伍德的文章“时间旅行的量子物理学”；大众科学，1994 年 3 月]。它们可能没有位置，与我们的时空完全脱节，正如泰格马克和丹尼斯·西阿玛所建议的那样[参见马克斯·泰格马克的文章“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。混沌暴胀背后的想法是，广阔的空间是一个永恒膨胀的虚空，量子效应在其中不断地像孩子吹泡泡一样产生新的宇宙。暴胀的概念可以追溯到 20 世纪 80 年代，物理学家根据他们最全面的自然理论：弦理论，对其进行了详细阐述。
弦理论允许泡泡在基本方面彼此不同。实际上，每个泡泡的生命开始不仅具有物质的随机分布，而且还具有随机种类的物质。我们的宇宙包含电子和夸克等粒子，它们通过电磁力等力相互作用；其他宇宙可能具有不同的粒子和力——因此，具有不同的局部物理定律。全套允许的局部定律被称为景观。在弦理论的一些解释中，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异议并不重要。他们的理论的存亡取决于内部一致性，以及人们希望的最终实验室测试。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——这才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视界的存在。视界是我们能够看到的最远距离的极限，因为以光速（有限的）向我们传播的信号自宇宙开始以来就没有时间从更远的地方到达我们这里。所有平行宇宙都位于我们的视界之外，并且仍然超出我们现在或将来看到的能力，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。
支持者告诉我们，人们可以用概括性的语言说明我们宇宙视界的 1000 倍远、10
100 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视界内获得的数据。这是一个非同寻常的推断。也许宇宙在一个非常大的尺度上是闭合的，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，之后是永远的空旷空间。也许空间和时间在一个奇点处结束，这个奇点界定了宇宙。我们只是不知道，因为我们没有关于这些区域的信息。而且我们永远不会知道。
七个值得怀疑的论点
大多数多元宇宙的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。他们的论点遵循七个广泛的主题，每个主题都遇到了麻烦。
空间没有尽头。 很少有人否认空间延伸到我们的宇宙视界之外，并且许多其他区域位于我们所看到的范围之外。如果这种有限类型的多元宇宙存在，那么我们可以将我们所看到的推断到视界之外的区域，我们的不确定性随着距离的增加而增加。更容易想象出更精细的变化，包括我们在看不到的地方出现的另类物理学。这种从已知到未知的推断的问题在于，没有人可以证明你是错的。
科学家如何决定他们对不可观察区域的描述是对我们所见事物的合理还是不合理的推断？如果其他宇宙具有不同的物质初始分布，那么它们也可能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？不同的假设意味着两者中的一个或两个。
已知的物理学预测了其他区域。 拟议的统一理论预测了标量场等实体，标量场是一种假设的与其他空间填充场（如磁场）相关的场。这些场应该驱动宇宙暴胀并无限地创造宇宙。这些理论在理论上是站得住脚的，但假设场的性质是未知的，实验主义者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将导致不同的物理定律在不同的泡泡宇宙中运行。
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炽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继续产生无限数量的泡泡宇宙。观测结果并没有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产生与我们所见的背景辐射不同的模式[“暴胀辩论”，作者：保罗·J·斯坦哈特；大众科学：《宇宙的秘密》，2014 年 8 月]。林德等人不同意。谁是对的？这一切都取决于你对暴胀场物理学的假设。
基本常数是为生命精细调整的。 关于我们宇宙的一个显著事实是，物理常数具有恰到好处的值，以允许复杂结构，包括生物的存在。史蒂文·温伯格、马丁·里斯、伦纳德·萨斯坎德和其他人认为，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：如果在足够大的宇宙集合中发生所有可能的值，那么允许生命存在的宇宙是不可避免的。这种推理也被用来解释暗能量的密度，暗能量正在加速当今宇宙的膨胀。
我同意多元宇宙是这种密度值的一种可能的解释；它甚至可能是我们目前拥有的最佳选择。但我们没有希望通过观测来检验它。而且，对这个问题的绝大多数分析都假设物理学的基本方程在所有地方都是相同的——只有常数不同。但是，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·佩雷斯的文章“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的预测相符。 这个论点通过提出宇宙的精细调整程度不会超过其严格需要的程度来改进前一个论点。支持者评估了暗能量密度的各种值的概率。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。
然而，如果没有多元宇宙，我们就不能应用概率论证；如果只有一个宇宙物理存在，统计学根本不适用。因此，这个论点在开始之前就假定了期望的结果。概率可以探测多元宇宙提议的一致性，但不能证明它的存在。
弦理论预测了宇宙的多样性。 在当前的弦理论中，几乎一切皆有可能。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具有精确的、高度受限的属性，从而允许生命存在这一事实？如果宇宙是众多宇宙之一，那么这些属性就完全有道理了。没有什么特别选择它们；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，我们就会观察到不同的属性，如果我们真的能够在那里存在的话。（生命在大多数地方是不可能的。）
不幸的是，弦理论尚未经过尝试和测试；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以成为支持多元宇宙的合理、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。 一些物理学家和哲学家推测，自然界从未选择遵守某些定律而不遵守其他定律；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，量子力学认为一切没有被禁止的都是强制性的。一个粒子采取所有可能的路径；我们看到所有这些可能性的加权平均值。宇宙整体情况可能也是如此，这意味着存在多元宇宙。
但是天文学家没有机会观察到这种可能性的多样性。我们甚至无法知道这些可能性是什么。这个提议需要一些无法验证的组织原则来决定什么是允许的，什么是不允许的——例如，所有可能的数学结构都必须在某个物理领域中实现（正如泰格马克所提出的）。然而，我们不知道这个原则会带来什么样的存在，除了它必须包括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，但它对现实的拟议应用纯粹是推测。
缺乏证据
宇宙学家还提出了各种针对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（如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循环中先于大爆炸的宇宙的迹象。这些确实是人们可能获得其他宇宙真实证据的方法。一些宇宙学家甚至声称已经看到了此类迹象。然而，观测主张存在很大争议，而且许多假设可能的多元宇宙不会导致此类证据。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实际上发生变化的证据，这将证实物理定律并非如此不可变的假设。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·韦伯的文章“不恒定的常数”；大众科学：《时间问题》，2014 年 11 月]。但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”（非曲率）？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。我们视界之外的宇宙可能具有与观测到的部分不同的形状。此外，并非所有多元宇宙理论都排除了球形几何形状。
宇宙的拓扑结构提供了更好的测试：它是像甜甜圈或椒盐卷饼一样环绕的吗？环绕的宇宙是有限的，因此绝对与混沌暴胀情景不一致。闭合形状会在天空中产生重复的模式，例如背景辐射中的巨大圆圈。观测者未能找到任何此类模式。但这种无效结果只是排除了特定类型的单个宇宙——它并不需要多元宇宙。
最后，物理学家可能希望证明或证伪一些预测多元宇宙的理论。他们可能会找到反对混沌暴胀版本的观测证据。例如，普朗克空间天文台最近对宇宙微波背景辐射方向不均匀性的观测倾向于质疑这些模型。或者他们可能会发现数学或经验上的不一致性，迫使他们放弃弦理论的景观。任何一种情况都会削弱支持多元宇宙思想的许多动机，尽管这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。根本问题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拼凑，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区域的物理学都不同；为此，它需要与另一个投机理论相结合。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，从可测试推断到不可测试。根据你选择推断的内容，你会得到不同的答案。由于涉及多元宇宙的理论几乎可以解释任何事情，因此某些多元宇宙变体可以适应任何观测结果。各种“证明”实际上是要求我们接受理论解释，而不是坚持观测测试。但到目前为止，这种测试一直是科学努力的核心要求，我们放弃它将危及自身。如果我们削弱对可靠数据的要求，我们就会削弱科学在过去几个世纪取得成功的最核心原因。
现在，对一定范围现象的统一解释确实比针对相同现象的各种论点的杂乱拼凑更有分量。如果统一解释必然假定存在不可观察的实体（如平行宇宙），我们可能会感到不得不接受这些实体。
但这里的关键问题是需要多少个无法验证的实体。具体来说，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？在多元宇宙的情况下，我们假设存在大量——甚至可能是无限多的——无法观察到的实体来解释仅仅一个现有的宇宙。这几乎不符合 14 世纪英国哲学家奥卡姆的威廉的严格规定，即“实体不应超出必要性而增加”。
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扩散感到厌恶，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。物理学家的希望一直是自然定律是不可避免的——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——它只是碰巧变成了那样。或者事物在某种意义上可能是注定的——目的或意图以某种方式构成了存在的基础。科学无法确定哪种情况属实，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。与宇宙相关的所有相同问题在多元宇宙中再次出现。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。这种联系可能有点间接。如果一个实体是不可观察的，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，举证责任转移到证明它对于解释网络绝对必要。我对多元宇宙支持者提出的挑战是：你能证明看不见的平行宇宙对于解释我们确实看到的世界至关重要吗？而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的本质和存在的终极本质（我们为什么在这里）的绝佳机会。它带来了新的和有趣的见解，因此是一项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——但不要太开放。这是一条需要谨慎行走的道路。
平行宇宙可能存在也可能不存在；这个案例尚未证实。我们将不得不忍受这种不确定性。基于科学的哲学推测并没有错，多元宇宙提议就是如此。但我们应该按照它的本来面目来称呼它。