宇宙是唯一存在的嗎?

時間2017-07-28 熱度 作者蝶動探秘

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蝶動探秘指出:嚴格地說,“宇宙是否唯一”這個問題是一種語言的誤用,因爲如果說宇宙並不唯一,我們總可以把所有不同宇宙的總和稱之爲宇宙,那就唯一了。不過,語言和哲學上的過度潔癖也可能會抑制思維的活力,因此,這裏不細究這些概念的詳細定義,而先看看多重宇宙究竟是指什麽。

可觀測宇宙

由于光速是因果影響(信號)傳播的最大速度,當我們觀看遠距離外的物體時,看到的並非是它現在的影像,而是之前某一時刻的。宇宙大爆炸發生在138億年前,因此我們現在所能看到的最遠處來的光就是那時發出的。由于光傳播的這段時間裏宇宙膨脹造成的距離改變,發出這些光的地方與我們現在的距離不是138億光年,而是大約469億光年。這就是我們此刻所能觀測到的宇宙範圍,稱之爲“粒子視界”。當然,未來的觀測者將能夠看到來自更遙遠的地方傳來的光波。

我們未來可觀測的範圍還受到宇宙膨脹速度的影響。由于宇宙膨脹,宇宙間相距遙遠的兩點在相互遠離,遠離的速度正比于它們之間的距離,這就是哈勃定律。因此只要足夠遠,遠離的速度將超過光速。這與相對論中光速是物體或信號傳播最大速度並不矛盾,因爲這是空間膨脹引起的,其速度是相對于遙遠的物體而不是本地的物體。如果宇宙膨脹減慢,光最終還是會傳過來。但是現在人們發現宇宙膨脹在加速,這種情況下一定距離之外的光將永遠無法抵達我們這裏,這個界限稱爲“事件視界”。

通常我們把信號所能傳播範圍以內的時空稱爲“可觀測宇宙”,有時就幹脆簡稱其爲“宇宙”。由于上述粒子視界和事件視界的存在,可觀測宇宙是有限的,但是在可觀測宇宙之外時空還是可以存在的。如果空間是無限的,時空中將存在大量甚至無窮多彼此互相沒有直接因果聯系的部分,有些學者把這些也稱爲不同的宇宙。不過,在傳統的宇宙大爆炸理論中,這些時空區域都有相同的膨脹曆史。因此,稱它們爲同一宇宙的不同部分更合適一些。

暴脹與多重宇宙

在廣義相對論中,時間空間並不是先驗地均勻各向同性,而是受物質影響並可以發生動力演化的,其演化中相互影響的傳播同樣不超過光速。這樣,就有一個讓人疑惑的問題:既然在大爆炸宇宙中存在粒子視界,那麽超出粒子視界之外的時空區域爲什麽具有均勻各項同性的性質?這種“神同步” 是怎麽實現的呢?

1980年,古思提出了暴脹理論,認爲在宇宙極早期(宇宙時標約10-32秒),宇宙曾發生了一種非常快速的加速膨脹,線性標度膨脹了至少1025倍,稱爲暴脹。按照這一理論,比我們原來估算的粒子視界大得多的區域在宇宙極早期其實都曾經同處在一塊非常小的、有因果聯系的時空範圍內,只是此後的暴脹使其變得非常大,看上去好像超出了粒子視界。這樣,這些區域的高度均勻一致就不奇怪了。

林德進而提出了混沌暴脹理論,在這一理論中,暴脹的倍數取決于開始時暴脹場的勢能,勢能越大,倍數越高。我們可以想象,如果一開始暴脹場的分布是不完全均勻的,那麽宇宙中各不同點所經曆的暴脹持續時間和暴脹的倍數可以有很大的不同,比如相差幾十個數量級甚至更多。由于暴脹過程中空間急劇的增長,那些暴脹持續時間長一些的地方在暴脹結束時其體積就會遠遠超過持續時間稍短的地方,這樣暴脹的宇宙將形成一種複雜的分形結構,由許多尺度遠大于可觀測宇宙的“泡泡”構成,在每個泡泡內時空是均勻各向同性的,但在更大的尺度上卻是不均勻的,每個泡泡的宇宙膨脹曆史也會有相當大的不同。因此一些宇宙學家把它們稱之爲“多重宇宙”(multiverse),以與傳統的“宇宙”(universe)的區別。

物理規律與人擇原理

除了宇宙膨脹的曆史不同外,這些不同區域中所表現的物理規律也有可能是不同的。當然,我們仍假定有某種普適的基本物理規律支配著所有時空和物質。但是,在一定的能量範圍內,我們所觀察到的物理規律並不一定是最基本的規律。例如,在不同的溫度和壓力下,我們所熟悉的水可以表現爲固體-冰、氣體-水蒸氣,或者液體水,因而展現不同的物理規律。現在已知的最基本相互作用,即粒子物理標准模型,很可能也是某種更基本的但還不爲我們所知的理論在較低能量下有效理論,而低能有效理論可能並不是唯一的,因此不同的“多重宇宙”的所表現的物理規律也可能有所不同。

與此密切相關的一個問題是“人擇原理”。傳統的物理學研究綱領認爲物理規律是固定,我們只能尋找、發現這些規律。但是,另一種考慮這些問題的方式是,具有不同物理規律的宇宙有很大的不同,也許只有在某些規律的宇宙中才能産生智慧生命,也才會有人去問這樣的問題!比如,如果其他條件都不變,而宇宙學常數可以取不同的值,那麽宇宙學常數過大的宇宙會在大爆炸結束後很快進入加速膨脹,而沒有足夠的時間形成恒星、星系等結構,當然也就更無法産生生命。因此,我們所觀測到的宇宙學常數的取值必定是要使得生命能夠産生。這可能是回答我們看到的宇宙學常數相對于普朗克密度這麽小的原因。

人擇原理要起作用,需要存在大量的“多重宇宙”,並在其中實現各種不同的物理規律。在暴脹結束後形成的泡泡有可能形成大量不同的宇宙,可以爲人擇原理的應用提供條件。

量子力學中的多世界诠釋

另一種多重宇宙的概念起源于量子力學的多世界诠釋。量子力學中,一個孤立系統的狀態由波函數描述,而波函數的動力學演化則由薛定谔方程決定,這本身是一個決定論過程。但是,人們早已知道,在一般情況下無法完全准確地預言一個量子測量實驗的結果,而只能預言所可能出現的不同測量結果以及相應的幾率。例如,已知一個電子的自旋狀態爲沿著z軸方向+1/2,這已給出了對該電子自旋態的完全描述,並且沿著z-軸的測量可以得到確定結果。但是如果我們現在沿著垂直于z軸的x-軸進行測量,則不能得到確定的結果,只能預測可能出現的結果是+1/2或-1/2,且兩種可能性各爲一半。

如何理解這種幾率性的結果呢?哥本哈根诠釋是最常見的量子力學標准诠釋。按照這種诠釋,對量子自旋的測量瞬間改變了其自旋態,即波包塌縮,這一過程不像薛定谔方程那樣是確定的,而是並幾率性的。這一诠釋有許多讓人感到困惑之處, 如EPR佯謬、薛定谔貓佯謬、維格納朋友佯謬等。

例如在EPR佯謬中, 如果兩個粒子曾發生相互作用而形成相互關聯的量子態,即所謂糾纏態,那麽對其中一個粒子的測量不僅導致該粒子的波包塌縮,也會導致另一個粒子的波包瞬間塌縮,無論二者相距多遠。乍看起來,這似乎違反了相對論中信息傳播速度不能超過光速的原理。不過,就實驗而言,盡管對兩個相互遠離的粒子測量總是能得到一致的結果,但由于這種測量結果是隨機且無法控制的,因此這種測量並不能用于超光速傳遞信息。怎樣理解這種奇怪的瞬時塌縮呢?按照哥本哈根诠釋,波函數並不是實體,而僅僅是觀測者對系統的描述,因此不能把這種波包塌縮理解爲物理信號的傳遞。

一種與哥本哈根诠釋完全不同的量子力學诠釋是多世界诠釋,由埃弗裏特(Hugh Everett)提出。埃弗裏特主張待測系統和儀器的整體狀態可由一個普適的量子力學波函數描述, 量子測量就是待測系統和儀器之間的相互作用,這種相互作用過程由整個系統的薛定谔方程決定,導致二者形成一種關聯的(糾纏的)狀態,埃弗裏特將這種關系稱爲相對態。在這一理論中波函數是實體,而且並沒有所謂的波包塌縮,一切演化都由薛定谔方程描述,在測量過程結束後,系統並沒有發生波包塌縮,但是相互作用使普適波函數分裂爲不同的項,或者叫不停分支,在每一個分支中觀測者都只能看到與自己的觀測結果一致的世界,而無法看到不同測量結果的世界。根據該诠釋,宇宙中無時不在發生的各種相互作用都相當于量子測量,這使世界迅速分裂成難以想象的巨大數量的各種可能分支,每一分支中發生的情況各不相同。例如,在這一世界中,此刻筆者正在撰寫這篇文章,在另一個可能世界裏,筆者可能並未打算撰寫這一文章,在更多的其它可能世界裏,也許根本沒有筆者這個人,甚至根本沒有人類乃至地球。這聽上去極爲瘋狂,但邏輯上是完全自洽的。

埃弗裏特曾與玻爾等人進行討論,但他們在量子力學上的立場早已固化,完全不接受他的觀點。埃弗裏特畢業後離開學術界轉入國防研究,其理論在一段時間內幾乎不爲人知。後來,德維特(Bryce de Witt)撰文介紹了這一理論並將其稱之爲量子力學的多世界诠釋。多世界诠釋現在已是量子力學的主流诠釋之一,但很多人還是覺得這種诠釋太古怪而無法接受。不過,埃弗裏特最初提出的一些觀點後來得到了廣泛的認同,並也被其它诠釋所使用。例如,在後來出現的相容曆史诠釋中,用退相幹理論,通過待測系統與周邊環境的相互作用解釋從量子態到經典態的轉變(即波包塌縮),這樣就解決了哥本哈根诠釋中原來存在的主要問題,Omnes等學者認爲沒有必要把多個世界當做真實存在的。另一方面,對于那些願意接受多世界诠釋的人來說,也存在如何理解所謂的“多個世界”的問題。如果有人要問,這些平行宇宙是否“真的存在”?那我們要指出,“存在”一詞本身就有很多不同的意義。這種“存在”的本體論意義是什麽?這恐怕是物理學留給哲學的一個問題。

總結

對于“多重宇宙”這個概念是有許多質疑和爭議的。有些學者認爲,暴脹中産生的“多重宇宙”仍然是同一個時空中的不同部分,它們的整體才是宇宙, 沒有必要引入“多重宇宙”這樣的概念。但是目前看來,這一概念已被大多數學者和公衆所接受和使用。實際上,只要理解其中的意義,叫什麽名字並不是太重要。

另一些學者則質疑多重宇宙研究的意義。科學之所以能不斷取得進步,其關鍵在于理論預言能夠用實驗或觀測加以檢驗,是否具有可證僞性甚至被一些人認爲是判斷一個理論是屬于科學的標准。多重宇宙沒有辦法直接用實驗方法加以檢驗,Paul Steinhardt等人認爲,按照多重宇宙和人擇原理的邏輯,幾乎任何現象都是理論所允許的,這樣的理論無法證僞,因此幾乎不能算是科學。不過,對特定的多重宇宙模型,在引入某些特殊假定情況下,也可以給出一些間接的檢驗。另外,主張多重宇宙的研究者們往往並未把其作爲理論的出發點,而是在理論的推論中出現多重宇宙,因此如果這些理論預言能得到部分實驗的證實,也可以給出多重宇宙的間接證據。