编者注：在八月刊的大众科学中，宇宙学家乔治·埃利斯描述了他为什么对平行宇宙的概念持怀疑态度。在此，多重宇宙的支持者亚历山大·维伦金和马克斯·泰格马克提出了反驳，解释了为什么多重宇宙可以解释我们宇宙的如此多特征——以及如何对其进行测试。
欢迎来到多重宇宙
作者：Alexander Vilenkin
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我们所知的宇宙起源于一场大爆炸，我们称之为大爆炸。近一个世纪以来，宇宙学家一直在研究这场爆炸的余波：宇宙如何膨胀和冷却，以及星系如何逐渐被引力拉到一起。大爆炸本身的性质直到最近才成为焦点。它是暴胀理论的主题，该理论由艾伦·古思、安德烈·林德和其他人在 1980 年代初期提出，并导致了对宇宙的全新全球性看法。
暴胀是早期宇宙历史中超快速加速膨胀的时期。它速度非常快，以至于在不到一秒的时间内，一个亚原子大小的空间斑点被吹胀到远大于当前可观测区域的尺寸。在暴胀结束时，驱动膨胀的能量点燃了粒子和辐射的热火球。这就是我们所说的大爆炸。
暴胀的结束是由量子概率过程触发的，并且不会在所有地方同时发生。在我们的宇宙邻域中，暴胀在 137 亿年前结束，但它仍在宇宙的偏远地区继续，并且像我们这样的其他“正常”区域不断形成。新区域以微小的、微观的气泡形式出现，并立即开始生长。气泡不断无限增长；与此同时，它们被暴胀膨胀推开，为更多气泡的形成腾出空间。这个永无止境的过程被称为永恒暴胀。我们生活在其中一个气泡中，并且只能观察到它的一小部分。无论我们旅行多快，我们都无法赶上我们气泡不断扩张的边界，因此出于所有实际目的，我们都生活在一个自包含的气泡宇宙中。
暴胀理论解释了大爆炸的一些原本神秘的特征，而这些特征以前只能被假定。它还做出了许多可检验的预测，这些预测随后被观测结果惊人地证实。到目前为止，暴胀已成为领先的宇宙学范式。
新世界观的另一个关键方面源于弦理论，弦理论目前是我们对自然基本理论的最佳候选理论。弦理论允许存在大量解决方案，用于描述具有不同物理性质的气泡宇宙。我们称之为自然常量的量，例如基本粒子的质量、牛顿引力常数等等，在不同的气泡类型中取不同的值。现在将此与暴胀理论结合起来。每种气泡类型都有一定的概率在暴胀空间中形成。因此不可避免地，在永恒暴胀的过程中将形成无限数量的所有可能类型的气泡。
宇宙的这种图景，或者称为多重宇宙，解释了长期以来的谜团，即为什么自然常数似乎是为了生命的出现而微调的。原因是智慧观察者只存在于那些罕见的气泡中，在这些气泡中，纯粹出于偶然，常数恰好适合生命的进化。多重宇宙的其余部分仍然贫瘠，但没有人会在那里抱怨。
我的一些物理学家同事发现多重宇宙理论令人担忧。物理学中的任何理论的成败都取决于其预测是否与数据一致。但是我们如何验证其他气泡宇宙的存在呢？Paul Steinhardt 和乔治·埃利斯例如，他们认为多重宇宙理论是不科学的，因为它即使在原则上也无法检验。
令人惊讶的是，对多重宇宙图景的观测检验实际上是可能的。安东尼·阿吉雷、马特·约翰逊、马特·克莱班和其他人指出，我们不断膨胀的气泡与多重宇宙中另一个气泡的碰撞会在宇宙背景辐射中留下印记——一个辐射强度较高或较低的圆形斑点。探测到具有预测强度分布的这种斑点将为其他气泡宇宙的存在提供直接证据。搜索正在进行中，但不幸的是，无法保证气泡碰撞发生在我们的宇宙视界内。
还有另一种方法可以遵循。这个想法是使用我们的多重宇宙理论模型来预测我们期望在局部区域测量的自然常数。如果常数因气泡宇宙而异，则无法确定地预测其局部值，但我们仍然可以做出统计预测。我们可以从理论中推导出多重宇宙中典型观察者最有可能测量的常数值。假设我们是典型的——我称之为平庸原理的假设——那么我们可以预测我们气泡中常数的可能值。
这种策略已应用于真空的能量密度，也称为“暗能量”。史蒂文·温伯格指出，在暗能量大的区域，它会导致宇宙非常快速地膨胀，阻止物质聚集成星系和恒星。观察者不太可能在这些区域进化。计算表明，大多数星系（以及因此大多数观察者）都位于暗能量与星系形成时期物质密度大致相同的区域。因此预测应该在我们宇宙的一部分中观察到类似的值。
在很大程度上，物理学家并没有认真对待这些想法，但令他们惊讶的是，在 1990 年代后期的天文观测中，探测到了大致预期大小的暗能量。这可能是我们的第一个证据，证明确实存在一个巨大的多重宇宙。这改变了很多人的想法。
多重宇宙理论仍处于起步阶段，一些概念问题仍有待解决。但是，正如伦纳德·萨斯坎德所写，“我敢打赌，在 22 世纪之交，哲学家和物理学家会怀旧地回顾现在，并回忆起一个黄金时代，在这个时代，狭隘的 20 世纪宇宙概念让位于一个更大更好的[多重宇宙]……具有令人难以置信的规模。”
多重宇宙的反击
作者：Max Tegmark
你真的生活在多重宇宙中吗，还是这个概念超出了科学的范畴？
受到大众科学八月刊中对多重宇宙的有趣评论的启发，该评论由相对论先驱乔治·F·R·埃利斯撰写，让我给出我的看法。
多重宇宙的想法传统上受到权威机构的冷落：乔尔丹诺·布鲁诺和他的无限空间多重宇宙在 1600 年被烧死在火刑柱上，休·埃弗雷特和他的量子多重宇宙在 1957 年的物理学就业市场上被烧毁。我甚至亲身感受到了一些热度，资深同事暗示我与多重宇宙相关的出版物是胡说八道，会毁掉我的职业生涯。然而，近年来发生了巨大的变化。平行宇宙现在非常流行，在书籍、电影甚至笑话中都频频出现：“你在许多平行宇宙中通过了考试——但不是这个宇宙。”
这种思想的交流当然没有导致科学家达成共识，但它使多重宇宙的辩论更加细致入微，而且在我看来也更有趣，科学家们超越了互相叫喊口号，而是真正试图理解对立的观点。乔治·埃利斯的新文章就是一个很好的例子，如果你还没有读过，我强烈建议你读一下。
我们所说的宇宙，指的是自大爆炸以来的 137 亿年间光线有时间到达我们的球形空间区域。在谈论平行宇宙时，我发现区分四个不同的层次很有用：第一层（在遥远的空间中的其他此类区域，表观物理定律相同，但由于事物的开端不同，历史进程不同），第二层（空间区域，甚至表观物理定律也不同），第三层（所谓希尔伯特空间中其他地方的平行世界，量子现实在那里展开），以及第四层（由不同的数学方程控制的完全断开的现实）。
在他的评论中，乔治对许多支持这些多重宇宙层次的论点进行了分类，并认为它们都存在问题。以下是我对他主要的反多重宇宙论点的总结
1) 暴胀可能是错误的（或不是永恒的）
2) 量子力学可能是错误的（或不是幺正的）
3) 弦理论可能是错误的（或缺乏多种解决方案）
4) 多重宇宙可能是不可证伪的
5) 一些声称的多重宇宙证据是可疑的
6) 微调论点可能假设太多
7) 这是一个通往更大规模多重宇宙的滑坡
（乔治实际上并没有在文章中提到 (2)，但我在这里添加它是因为我认为如果编辑允许他超过六页，他就会提到。）
我对这种批评的看法是什么？有趣的是，我同意所有这七个陈述——尽管如此，我仍然很乐意用我的毕生积蓄来打赌多重宇宙的存在！
让我们从前四个开始。暴胀自然会产生第一层多重宇宙，如果你加入具有可能解决方案景观的弦理论，你也会得到第二层。数学上最简单的（“幺正”）形式的量子力学给你第三层。因此，如果这些理论被排除在外，那么支持这些多重宇宙的关键证据就会崩溃。
记住：平行宇宙不是一种理论——它们是某些理论的预测。
对我来说，关键点是，如果理论是科学的，那么即使它们涉及不可观察的实体，研究和讨论它们的所有后果也是合法的科学。为了使一个理论可证伪，我们不需要能够观察和检验其所有预测，而只需要至少一个预测即可。因此，我对 (4) 的回答是，科学上可检验的是我们的数学理论，而不一定是它们的含义，这完全没问题。例如，由于爱因斯坦的广义相对论已经成功预测了许多我们可以观察到的事物，因此我们也认真对待其对我们无法观察到的事物的预测，例如，黑洞内部发生的事情。
同样，如果我们对暴胀或量子力学迄今为止的成功预测印象深刻，那么我们也需要认真对待它们的其他预测，包括第一层和第三层多重宇宙。乔治甚至提到了永恒暴胀有一天可能会被排除在外的可能性——对我来说，这仅仅是永恒暴胀是一种科学理论的论据。
就将自己确立为可检验的科学理论而言，弦理论当然没有暴胀和量子力学那么先进。然而，我怀疑即使弦理论最终被证明是转移注意力的东西，我们仍然会被第二层多重宇宙所困扰。数学方程具有多种解是很常见的，只要描述我们现实的基本方程确实如此，那么永恒暴胀就会普遍产生物理上实现每个解决方案的巨大空间区域。例如，控制水分子的方程与弦理论无关，但允许对应于蒸汽、液态水和冰的三种解，如果空间本身也可以以不同的相存在，暴胀将倾向于实现所有这些相。
乔治列出了许多据称支持多重宇宙理论的观测结果，这些观测结果充其量是可疑的，例如某些自然常数实际上不是常数的证据，宇宙微波背景辐射中与其他宇宙碰撞或奇怪连接的空间的证据等等。我完全同意他对这些说法的怀疑。然而，在所有这些案例中，争议都围绕着数据分析，很像冷聚变惨败。对我来说，科学家们正在进行这些测量并争论数据细节这一事实进一步证明这属于科学范畴：这正是科学争议与非科学争议的区别所在！
我们的宇宙似乎令人惊讶地为生命进行了微调，因为如果你稍微调整一下我们的许多自然常数，我们所知的生命将是不可能的。为什么？如果存在第二层多重宇宙，其中这些“常数”取所有可能的值，那么我们发现自己处于罕见的适宜居住的宇宙之一中就不足为奇了，就像我们发现自己生活在地球而不是水星或海王星上一样不足为奇。乔治反对你需要假设一个多重宇宙理论才能得出这个结论，但这就是我们检验任何科学理论的方式：我们假设它是真的，推导出后果，并在预测未能与观测结果相匹配时放弃该理论。一些微调显得非常极端，令人尴尬——例如，我们需要将暗能量微调到大约 123 位小数才能使星系适宜居住。对我来说，无法解释的巧合可能表明我们的科学理解存在差距。通过说“我们只是幸运——现在停止寻找解释！”来驳斥它不仅令人不满意，而且也等同于忽略了一个潜在的关键线索。
乔治认为，如果我们认真对待任何可能发生的事情都会发生，我们就会陷入通往更大规模多重宇宙的滑坡，例如第四层多重宇宙。由于这是我最喜欢的多重宇宙层次，而且我是为数不多的支持者之一，因此我很乐意滑下这个斜坡！
乔治还提到，多重宇宙可能会因引入不必要的复杂性而违反奥卡姆剃刀原理。作为一名理论物理学家，我判断一个理论的优雅和简洁性不是通过其本体论，而是通过其数学方程的优雅和简洁性来判断——对我来说，令人惊讶的是，数学上最简单的理论往往会给我们带来多重宇宙。事实证明，很难写出一个理论，它恰好产生我们看到的宇宙，仅此而已。
最后，有一个反多重宇宙的论点，我赞扬乔治避免了它，但在我看来，对于大多数人来说，这是最令人信服的论点：平行宇宙似乎太奇怪了，不可能是真的。
在研究了反多重宇宙的论点之后，现在让我们更仔细地分析一下支持多重宇宙的案例。我将论证，如果我们接受外部现实假设：存在完全独立于我们人类的外部物理现实，那么所有有争议的问题都会消失。假设这个假设是正确的。那么，大多数对多重宇宙的批评都基于以下三个可疑假设的某种组合
1) 全视假设：物理现实必须如此，以至于至少一个观察者原则上可以观察到它的全部。
2) 教学现实假设：物理现实必须如此，以至于所有理性地知情的人类观察者都觉得他们直观地理解它。
3) 无复制假设：没有物理过程可以复制观察者或创建主观上无法区分的观察者。
(1) 和 (2) 似乎仅仅是由人类的傲慢自大所驱动。全视假设有效地重新定义了“存在”这个词，使其与我们人类可观察到的事物同义，类似于将头埋在沙子里的鸵鸟。那些坚持教学现实假设的人通常会拒绝令人欣慰的熟悉童年概念，如圣诞老人、局域实在论、牙仙和创造论——但他们真的足够努力地从更根深蒂固的令人欣慰的熟悉概念中解放出来了吗？我个人认为，我们作为科学家的工作是试图弄清楚世界是如何运作的，而不是根据我们的哲学先入之见来告诉世界如何运作。
如果全视假设是错误的，那么就存在不可观察的事物，并且我们生活在多重宇宙中。
如果教学现实假设是错误的，那么多重宇宙太奇怪的异议就没有逻辑意义。
如果无复制假设是错误的，那么就没有根本原因说明为什么在外部现实的其他地方不能有你的副本——事实上，永恒暴胀和幺正量子力学都提供了创建它们的机制。
我们人类有众所周知的自大倾向，傲慢地想象自己处于中心舞台，一切都围绕着我们旋转。我们逐渐了解到，实际上是我们围绕着太阳旋转，而太阳本身又围绕着无数星系中的一个星系旋转。由于物理学的突破，我们可能正在更深入地了解现实的本质。
我们必须付出的代价是变得更加谦虚——这可能会对我们有好处——但作为回报，我们可能会发现自己居住在一个比我们祖先在他们最狂野的梦想中梦想的还要宏伟的现实中。
延伸阅读
多重世界合一：寻找其他宇宙。亚历克斯·维伦金。希尔和王出版社，2006 年。
宇宙景观：弦理论和智能设计的幻觉。伦纳德·萨斯坎德。后湾图书出版社，2006 年。
隐藏的现实：平行宇宙和宇宙的隐藏定律。布莱恩·格林。克诺夫出版社，2011 年。