在过去的十年里，一项非凡的声明吸引了宇宙学家的注意：我们周围不断膨胀的宇宙并非唯一；还有数十亿个其他的宇宙也存在。不是只有一个宇宙——而是存在一个多重宇宙。在《大众科学》的文章和诸如布莱恩·格林的《隐藏的现实》等书籍中，顶尖科学家们谈到了一场超级哥白尼革命。在这种观点中，不仅我们的星球只是众多星球中的一个，甚至我们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，每个宇宙都在做着自己的事情。“多重宇宙”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止步于此。在它之外可能存在许多——甚至无限多的——与我们所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重宇宙，马克斯·泰格马克称之为“level 1”。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。大多数将是贫瘠的，尽管有些将充满生命。这种“level 2”多重宇宙的主要倡导者是亚历山大·维连金，他描绘了一个引人入胜的画面，其中包含一个无限的宇宙集合，拥有无限数量的星系、无限数量的行星以及无限数量的与你同名的人正在阅读这篇文章。
自古以来，许多文化都提出过类似的说法。新的是，多重宇宙被断言为一种科学理论，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。我对这种说法持怀疑态度。我不相信那些其他宇宙的存在已经被证明——或者永远可能被证明。多重宇宙的支持者在极大地扩展我们对物理现实概念的同时，也在隐含地重新定义“科学”的含义。
地平线之外
那些认同广义多重宇宙概念的人对如此大量的宇宙可能如何产生以及它们都位于何处提出了各种建议。正如艾伦·H·古思、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空间区域的空间区域 [参见 “自我复制的暴胀宇宙”，作者：安德烈·林德；《大众科学》1994 年 11 月刊]。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纪元 [参见 “时间起源的神话”，作者：加布里埃莱·韦内齐亚诺；《大众科学》2004 年 5 月刊]。正如大卫·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 “时间旅行的量子物理学”，作者：大卫·多伊奇和迈克尔·洛克伍德；《大众科学》1994 年 3 月刊]。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 “平行宇宙”，作者：马克斯·泰格马克；《大众科学》2003 年 5 月刊]。
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，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
在这些选项中，最广为接受的是混沌暴胀，我将重点关注它；然而，我的大多数评论也适用于所有其他提案。其思想是，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孕育出新的宇宙。暴胀的概念可以追溯到 20 世纪 80 年代，物理学家们根据他们最全面的自然理论——弦理论，对其进行了详细阐述。弦理论允许泡泡看起来彼此非常不同。实际上，每个泡泡开始时不仅具有物质的随机分布，而且还具有物质的随机类型。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。整套允许的局部定律被称为景观。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。
许多谈论多重宇宙的物理学家，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，反对多重宇宙作为一个概念并不重要。他们的理论的成败取决于内部一致性，并且他们希望最终能通过实验室测试。他们假设其理论存在多重宇宙背景，而无需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，所有多重宇宙提案的基本问题是宇宙视觉视界的存在。视界是我们可以看到的最远距离的限制，因为以光速（有限的）向我们传播的信号自宇宙开始以来还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视界之外，并且现在或将来，无论技术如何发展，都超出我们看到的能力。事实上，它们离我们太远了，以至于对我们的宇宙没有任何影响。这就是为什么多重宇宙爱好者提出的任何主张都无法直接证实。
支持者告诉我们，我们可以大致说明在我们宇宙视界 1000 倍远的地方，10
100 倍，101,000,000 倍，甚至无限远处发生的事情——所有这些都来自我们在视界内获得的数据。这是一种非同寻常的推断。也许宇宙在非常大的尺度上闭合，外面根本没有无限。也许宇宙中的所有物质都在某个地方结束，之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，并且永远也不会有。
七个值得怀疑的论点
大多数多重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外面正在发生的事情做出有根据的猜测。他们的论点分为七大类，每一类都遇到了麻烦。
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重宇宙存在，我们可以将我们所看到的推断到视界之外的区域，并且随着距离更远区域的推移，不确定性会越来越大。然后很容易想象更精细的变异类型，包括在我们看不到的地方发生的替代物理学。但是，从已知到未知，这种类型的推断的问题在于，没有人能够证明你是错的。科学家如何决定他们对不可观测的时空区域的描绘是否是对我们所见所闻的合理或不合理的推断？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？你可以得到任何一个，这取决于你的假设。
已知的物理学预测了其他区域。 拟议的统一理论预测了诸如标量场之类的实体，标量场是一种假设的类似于其他空间填充场（如磁场）的场。这些场应该驱动宇宙暴胀并无限期地创造宇宙。这些理论在理论上是有充分根据的，但假设场的性质是未知的，实验人员尚未证明它们的存在，更不用说测量它们假定的性质了。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热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个暴胀时期。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。观测结果并没有从其他类型中挑选出所需的暴胀类型。斯坦哈特等一些宇宙学家甚至认为，永恒暴胀会导致背景辐射中出现与我们所看到的不同的模式 [参见“暴胀辩论”，作者：保罗·J·斯坦哈特；《大众科学》2011 年 4 月刊]。林德等人不同意。谁是对的？这完全取决于你对暴胀场物理学的假设。
基本常数针对生命进行了精细调整。 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，足以允许复杂结构的出现，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，奇异的多重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出现所有可能的值，那么肯定会在某个地方找到适合生命生存的宇宙。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的密度。我同意多重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，对此问题的大多数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——但是，如果认真对待多重宇宙，情况就未必如此 [参见 “在多重宇宙中寻找生命”，作者：亚历杭德罗·詹金斯和吉拉德·佩雷斯；《大众科学》2010 年 1 月刊]。
基本常数与多重宇宙预测相符。 这个论点改进了前一个论点，它表明宇宙对生命的精细调整程度并不比严格意义上需要的程度更高。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刚好处于不适宜居住的边缘，而且它似乎确实如此。该论点站不住脚的地方在于，如果没有多重宇宙来应用概率的概念，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。概率是对多重宇宙提案一致性的探测，而不是对其存在的证明。
弦理论预测了宇宙的多样性。 弦理论已经从一个解释一切的理论转变为一个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具有精确的、高度受约束的特性，从而使生命能够存在这一事实？如果宇宙是众多宇宙之一，那么这些属性就完全有意义了。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，我们将观察到不同的属性，如果我们真的可以在那里生存（生命在大多数地方是不可能的）。但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重宇宙的合理且基于实验的论据。我们没有这样的证据。
所有可能发生的事情都会发生。 在试图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，一切未被禁止的都是强制性的。粒子采取所有可能的路径，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，这意味着存在多重宇宙。但是天文学家根本没有机会观察到这种可能性的多样性。事实上，我们甚至无法知道这些可能性是什么。面对一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些物理领域中实现（如泰格马克所提出的））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，但其拟议的应用于现实纯粹是猜测。
缺乏证据
尽管理论论证不足，但宇宙学家也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混沌暴胀情景所暗示的泡泡碰撞过，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。背景辐射可能还包含在宇宙无尽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法。一些宇宙学家甚至声称看到了这样的残余物。然而，观测主张受到强烈质疑，并且许多假设可能的多重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重宇宙模型。
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 “不恒定的常数”，作者：约翰·D·巴罗和约翰·K·韦伯；《大众科学》2005 年 6 月刊]。然而，大多数人认为该证据值得怀疑。
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）？多重宇宙情景通常预测宇宙不是球形的，因为球体会自身闭合，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部分不同的形状；更重要的是，并非所有多重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，它的大小将是有限的，这将肯定会反驳基于混沌暴胀的多重宇宙情景。这种形状会在天空中产生重复的图案，例如宇宙微波背景辐射中的巨型圆圈。观测者已经寻找过但未能找到任何此类图案。但这种零结果不能被视为对多重宇宙有利的论据。这仅仅意味着特定类型的单一宇宙被排除在外。
最后，物理学家可能希望证明或反驳一些预测多重宇宙的理论。他们可能会找到反对混沌暴胀版本的观测证据，或者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。这种情况将削弱支持多重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，支持多重宇宙的案例尚无定论。基本原因是该提案的极端灵活性：它更像是一个概念，而不是一个定义明确的理论。大多数提案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重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耦合。尽管它们可以组合在一起，但没有什么必然性。
证明多重宇宙合理性的关键步骤是从已知到未知，从可检验到不可检验的推断。根据你选择推断的内容，你会得到不同的答案。由于涉及多重宇宙的理论几乎可以解释任何事物，因此任何观测都可以通过某种多重宇宙变体来适应。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。但到目前为止，这种测试一直是科学努力的核心要求，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，我们就会削弱科学在过去几个世纪取得成功的核心原因。
现在，诚然，对一定范围现象的统一解释比对同一现象的各种独立论证更具分量。如果统一解释必然假设存在不可观测的实体（例如平行宇宙），我们可能会感到被迫接受这些实体。但这里的关键问题是需要多少个不可验证的实体。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数量？在多重宇宙的情况下，我们假设存在大量——甚至无限多——不可观测的实体来解释仅存在的一个宇宙。这很难符合 14 世纪英国哲学家威廉·奥卡姆的戒律，即“实体不应超出必要性而增加”。
多重宇宙的支持者提出了最后一个论点：没有好的替代方案。尽管科学家可能会觉得平行世界的激增令人厌恶，但如果它是最好的解释，我们将被迫接受它；反之，如果我们放弃多重宇宙，我们需要一个可行的替代方案。这种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事件——它只是变成了那样。或者事物可能在某种意义上注定要成为现在的样子——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是正确的，因为这些是形而上学问题。
科学家提出多重宇宙是为了解决关于存在本质的深刻问题，但该提案使最终问题悬而未决。与宇宙相关的所有相同问题在与多重宇宙相关的方面再次出现。如果多重宇宙存在，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，物理理论无法回答宇宙或多重宇宙的问题。
为了取得进展，我们需要坚持实证检验是科学核心的思想。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测的，但对于其他确实被验证的实体的属性来说是绝对必要的，那么它可以被认为是经过验证的。但随后举证责任转移到证明它对于解释网络来说是绝对必要的。我对多重宇宙支持者提出的挑战是：你能否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？并且这种联系是必不可少的和不可避免的吗？
尽管我持怀疑态度，但我认为对多重宇宙的思考是反思科学本质和存在终极本质的绝佳机会：我们为什么会在这里。它带来了新的有趣的见解，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；该案例尚未证实。我们将不得不接受这种不确定性。基于科学的哲学推测（即多重宇宙提案）没有任何问题。但我们应该将其命名为它本来的样子。