关于支持科学新闻报道
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,您将帮助确保未来能够继续产出关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的报道。
多重宇宙是物理学中最具争议的话题之一,而且争议性愈演愈烈。上周宣布的关于原始时空涟漪的证据,增强了一种称为暴胀的宇宙学理论,随之而来的是,有些人认为,我们的宇宙只是众多宇宙之一,像香槟酒杯中的气泡一样漂浮。多重宇宙假说的批评者声称,这个想法是无法检验的——几乎算不上科学。但随着暴胀理论的证据不断积累,关于多重宇宙的辩论正达到高潮。
上周的大新闻来自位于南极的宇宙本底辐射成像实验二期(BICEP2)实验,该实验在宇宙微波背景辐射中——来自大爆炸后不久的宇宙中最古老的光——看到了印记,这些印记似乎是由早期宇宙时空结构中传播的引力波引起的。这一发现被誉为一项巨大的突破,尽管物理学家表示,还需要其他实验的证实来佐证这些结果。
如果得到验证,这些引力波将直接证明暴胀理论,该理论认为宇宙在诞生后的最初一纳秒内呈指数级膨胀。如果暴胀发生过,它将解释我们宇宙的许多特征,例如宇宙看起来相当平滑,物质在所有方向均匀分布(早期的暴胀会拉平宇宙中的任何不规则性)。
暴胀也可能意味着我们所认为的宇宙——我们可以用最完美的望远镜看到的一切范围——只是空间的一小部分角落,一个暴胀停止并允许物质凝聚、星系和恒星形成以及生命演化的区域。在可观测宇宙之外的其他地方,时空可能仍在暴胀,每当暴胀在一个位置停止时,就会形成其他“气泡”宇宙。
这种图景被称为永恒暴胀。“大多数暴胀模型,几乎所有模型,都预测暴胀应该变成永恒的,”麻省理工学院(MIT)的理论物理学家艾伦·古斯说,他于1980年首次预测了暴胀。
如果BICEP2的结果最终证明暴胀确实发生过,那么多重宇宙可能是其中的一部分。“我认为多重宇宙是暴胀思想的自然结果,”同样在麻省理工学院的理论物理学家弗兰克·维尔切克说。“如果你可以从一个非常小的种子开始形成一个宇宙,那么其他宇宙也可以从小种子生长。我们称之为大爆炸的事件似乎没有什么特别之处。这是一个可重复的事件,可能会一次又一次地发生。”
如果这是真的,它可以帮助解释为什么我们的宇宙看起来如此特别。例如,电子的质量似乎是完全随机的——这个值无法通过任何已知的物理学预测。然而,如果电子比现在更重或更轻,原子就无法形成,星系将不可能存在,生命也将不存在。许多其他的自然常数也是如此,特别是宇宙学常数——理论上存在但尚未证实的所谓暗能量的来源,暗能量正在推动宇宙加速膨胀。如果宇宙学常数不同,暗能量更强或更弱,宇宙将会发生巨大改变,我们所知的生命将不可能存在。
如果我们的宇宙是唯一存在的宇宙,那么我们需要一些解释来说明为什么它看起来如此精细地为我们的存在而调整。然而,如果它只是众多宇宙之一,那么也许每个宇宙都有不同的参数、不同的常数,而其中一个宇宙恰好达到了使生命成为可能的值。
“我们生活在宇宙的这个部分,是因为我们可以在那里生存,而不是因为整个宇宙是为我们利益而建造的,”斯坦福大学物理学家安德烈·林德说,他是暴胀理论和多重宇宙假说的主要作者之一。这个被称为人择原理的思想,让一些人感到满意,也让另一些人感到恼火。
“这个故事给出了一个非常简洁且自洽的图景,”古斯说。但许多人觉得人择原理和多重宇宙令人反感。“多重宇宙在这里充当了一种通用的借口,用来解释无法解释关于粒子物理学的任何事情,”哥伦比亚大学数学家彼得·沃伊特在一篇博客文章中回应BICEP2的反应时写道。“我认为这种观点是‘放弃’寻找真正的科学解释,”普林斯顿大学理论物理学家保罗·斯坦哈特说。
除了将多重宇宙思想——以及它所支持的人择原理——视为一种逃避责任的方式外,怀疑论者还指责它是无法检验的,因为理论预测其他的气泡宇宙将永远遥不可及且无法观测。“从字面上看,任何事情都可能发生,并且会无限次地发生,”斯坦哈特说。“这使得该理论完全无法预测,或者等同于不可证伪。”
一个无法检验的思想在定义上是非科学的,因为科学依赖于通过实验验证预测。然而,多重宇宙思想的支持者表示,它与包括暴胀在内的一些理论密不可分,以至于对其中一个的证据就是对另一个的证据。
“一旦我们有了宇宙学常数是真实存在的实验证据,并且我们有了暴胀宇宙学的实验证据,那么突然之间我们就有了我坚信是支持多重宇宙的实验证据的东西,”林德说。“那些说多重宇宙理论没有任何实验证实的人没有给予足够的关注。”
BICEP2的结果是否代表了这种证实的一部分,是赞成和反对多重宇宙阵营之间争论的焦点。“BICEP2的发现应该让多重宇宙怀疑论者感到沮丧——至少在这个特定的宇宙中是这样,”麻省理工学院物理学家马克斯·泰格马克在为大众科学撰写的客座博客中写道。
当然,怀疑者强烈反对。“也许在多重宇宙的某个部分,#BICEP2的结果为多重宇宙提供了证据,但我认为我们不生活在那里,”英国苏塞克斯大学的理论宇宙学家彼得·科尔斯在Twitter上写道。
许多物理学家对于BICEP2的结果是否对多重宇宙有任何说明持不可知论态度。“多重宇宙是关于暴胀时期如何产生我们宇宙的一种想法,”约翰·霍普金斯大学物理学和天文学教授马克·卡米昂科夫斯基说。“这项特定的测量并没有直接揭示任何关于它的信息。”
最终,辩论的任何一方都不太可能在短期内承认失败。但至少有一个阵营正在从上周的新闻中宣称取得了小小的胜利。“我们越是朝着这个方向前进,我们就越应该认真对待永恒暴胀和多重宇宙的可能性,”林德说,“以及我们的宇宙不仅仅是一个宇宙气球,而是一个不断产生新气球、不断产生新气球的碎形气球的想法。”