關於平行宇宙的爭議

喬治·埃利斯是南非開普敦大學的宇宙學家和名譽教授。他是研究愛因斯坦廣義相對論的世界頂尖專家之一。他1975年與霍金一起,合著了有巨大影響的《時空的大尺度結構》一書。他就是眾多質疑平行宇宙猜想中最著名的一位。我們來聽聽他的質疑。

關於平行宇宙的爭議

首先,對於第一個層次。平行宇宙的支持者主要是用了一種叫做“外推”的論證方式。因為我們只能看到大約460億光年半徑的宇宙區域,再加上我們已觀測的某些結果,我們就外推描述真實的宇宙大小可能是可觀測宇宙的無窮多倍。這是一種不合理的外推。也許,宇宙在一個非常大的尺度上是閉合的,並非無窮大;也許,宇宙中的所有物質會在某個地方終止,在這之外就是永恆的真空;也許,空間和時間會在一個奇點處走向盡頭,這個奇點又形成新的宇宙。我們不知道究竟發生了什麼,因為我們沒有來自這些區域的信息,而且永遠都不會有。像這樣從有限的已知外推未知情況的最關鍵問題是,沒有人能證明你是錯的。所有的一切都是基於假設,作為科學家來說,如果沿著這條道路往前走,很可能會丟掉我們數百年來辛辛苦苦建立起來的科學範式,這是很危險的。

再來看第二個層次,暴脹理論是這個層次平行宇宙的核心論據。支持者們的基本邏輯是這樣的,因為我們這個宇宙的各種物理常數似乎都令人不可思議地恰到好處,否則就不會產生允許生命存在的宇宙。令人印象最深刻的就是暗能量,這個也被稱為宇宙學常數,也就是單位空間能夠產生的暗能量的大小,它必須被精確地調教到小數點後面123位,你沒有聽錯,就是小數點後面123位,才能恰好允許星系的形成,否則我們身處的銀河系乃至太陽系早就四分五裂了。這顯然是一個無比幸運的巧合,多重宇宙泡泡的假說可以提供一個合理的解釋,也就是如果泡泡足夠多的話,那總有一個是可以滿足這種苛刻的條件的,而我們生活在其中就不足為怪了。我同意這是一個合理的解釋。但是,它的問題在於,如果不存在多重宇宙讓你應用概率的話,我們就無法使用這一概率證據。因此,該說法一開始就假設了想要得到的結果,但如果在物理學上只存在一個宇宙,它根本就不適用。概率只是討論多重宇宙能否自洽的由頭,而不是多重宇宙存在的證據。另外一個重量級的理論物理學家,美國科學院院士,普林斯頓理論科學研究中心的主任,因在暴脹理論上的貢獻獲得過狄拉克獎的斯坦哈特教授,也認為目前的永恆暴脹理論面臨著一個基礎假設上的尷尬,按照該理論,不可避免地必然形成無窮多個宇宙泡泡,擁有無窮多種不同的宇宙性質。那麼任何可能發生的事情都會發生,而且是發生無窮多次。那等於就是說,這個理論預言任何事情都會發生,不論我們能想到的還是我們想不到的,這個宇宙中沒有不可能發生的事情。那這樣一個理論跟什麼都預言不了其實等價。

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我們繼續討論第三個層次,多世界詮釋的根基是量子力學。但量子力學可能是錯的,眾所周知,量子力學並不是一個優美的理論,而且與廣義相對論還不相容。而弦理論更是一個沒有經受過考驗的理論,甚至不是一個完整的理論。如果我們有證據可以證明弦理論是正確的,那麼這套理論所作的預言將會成為多重宇宙合理的、有實驗依據的論據。但我們沒有這樣的證據。

至於第四個層次的平行宇宙,泰格馬克提出所有可能的數學結構都對應於一個實際的物理區域。這是一個很有吸引力的提議,但是,我們不知道這種說法會牽涉到什麼樣的原則或者框架,而且我們也沒有任何方法來檢驗這些原則的存在或者屬性,雖然很有創見,但是,對不起,把它應用到現實則純粹是猜想。

總之,埃利斯認為,目前所有平行宇宙的理論更像是一個概念,而不是一個定義明確的理論,它們只是一些不同想法的拼湊體,而不是一個連貫的整體。如果我們對一個理論降低了可檢驗性和證據的要求,那麼這就弱化了過去幾個世紀中,科學取得成功的根本。

關於平行宇宙的爭議

面對喬治·埃利斯的質疑,平行宇宙理論的捍衛者泰克馬克也給出了回應。我們聽聽他是如何回應的。

請記住,平行宇宙不是一個理論,它們是一些理論的預測。我認為關鍵之處在於,如果某個理論是科學的,哪怕它的有些結論無法直接觀測、證實,但研究並討論這一理論的所有結論是完全合情合理的。如果一個學說能夠被證偽,我們不需要觀察、檢驗它的所有預測,只需要保證至少一個即可。因此,科學上能夠被驗證的是數學化的理論,而不一定是理論的預測。舉個例子,因為愛因斯坦的廣義相對論成功地做出了我們可以觀察的預測,所以我們也會認真對待它做出的那些無法觀察的預測,就比如黑洞裡發生的事情。類似地,如果我們認為暴脹學說和量子力學迄今為止做出的成功預測令人讚歎,那我們就同樣需要認真看待它們的其他預測,包括平行宇宙。

目前來看,在可檢驗性方面,弦論顯然還不能跟暴脹學說和量子力學相提並論。然而我懷疑,即使弦論最終證明是錯的,第二層多重宇宙仍然有可能存在。數學方程擁有多個解的現象很常見。只要描述現實世界的基本方程存在多個解,那麼永恆暴脹形成巨大的空間區域,就能夠實現每一種解。例如,描述水分子運動的方程式(與弦論毫無干係)可以給出三種不同的解,分別對應水蒸氣、液態水和固態冰。類似地,如果空間本身也存在不同的相態,那麼暴脹將傾向於實現所有的相態。

另外一位資深宇宙學家,波士頓塔夫茨大學的教授亞歷山大·維連金對埃利斯的質疑也給出了這樣的回應:實際上,多重宇宙圖景有可能被觀測實驗驗證。假如我們這個宇宙與其他泡泡宇宙發生碰撞的話,就會在宇宙微波背景輻射上留下痕跡,也就是一個輻射密度或高或低的圓形斑點。如果能探測到與預測密度相符的斑點,就可以作為泡泡宇宙存在的直接證據。相關研究已經開始,但是,沒有人能保證這種碰撞在我們的宇宙視界內發生過。

此外,還有第二種方法,就是利用多重宇宙的理論模型來預測我們這個宇宙其他區域的物理常數。這些常數的數值在各個泡泡宇宙中都各不相同,我們難以做出準確的預測,但仍可以從統計學入手,預測物理常數的哪些取值最有可能被多重宇宙中的典型觀察者觀測到。而我們就是典型觀察者,這也是宇宙學第一原理,即平庸原理的基本假定。我們就能預測我們所在的泡泡宇宙中物理常數的可能取值。這套方法曾被用來預測暗能量密度的取值,而觀測證據與預測值非常接近,這改變了很多人的觀念。

在質疑平行宇宙理論的陣營中,還有一個最為廣泛的質疑聲,那就是這套理論與奧卡姆剃刀原理相悖,為了解釋我們已知的宇宙為什麼會這樣而引入了太多的假設,把事情變得極為複雜,為了解釋一個雙縫干涉實驗,不惜分裂出無數個宇宙,這動靜鬧的也太大了吧。

面對這個有力的質疑,泰格馬克教授給出了一個無比優美的回答,至少在我看來是這樣,我找到了久違的滿足感。

請問,一個所有自然數的集合,究竟是整個集合簡單呢,還是其中的某個數字簡單?你多半會以為單個數字要簡單。錯了,整個集合可以用一個極簡單的電腦程序產生,只需定義數字1和加法運算,整個集合就出來了。然而,定義單個數字所需要的空間卻可能長得驚人。

同樣,愛因斯坦場方程的所有解的集合比某一特定解要簡單。因為前者只用幾個方程描述,而後者卻需要規定有關某一超曲面的大量初始數據。所以,當我們把某一集合的所有組成部分作為一個整體考慮時,這樣的整體往往具有內在的對稱性和簡單性,但當我們把注意力放到集合的某一特定元素時,對稱性和簡單性便會消失,複雜度反而增加了。

在這個意義上,層次越高的多重宇宙其實越簡單。從我們的宇宙走到第一層多重宇宙,就省去了規定初始條件這一步,升級到第二層時,又省去了規定物理常數的需要,到了第四層,乾脆就什麼都用不著規定了。從上帝視角來看,多重宇宙是簡單得不能再簡單了。

當我們再次深入思考四個層次的平行宇宙,我們就會發現,那些最簡單、最優美的理論,天生就包含了平行宇宙概念。而要否定那些宇宙的存在,我們反而要作出很多假定,例如有限空間、波函數坍縮以及本體上的不對稱等等,理論其實是在被複雜化。我想再次請問,是讓這些平行宇宙存在更優美,還是我們用一大堆複雜的理論剔除它們更優美呢?

關於平行宇宙的爭議

我不得不承認,泰格馬克教授的這個回答實在漂亮!

但是,不管怎麼講,平行宇宙理論現在依然處在起步階段,還有許多概念性的問題等待解決。另一位國際知名的物理學家,斯坦福大學的倫納德·薩斯坎德教授說:我敢打賭,在下個世紀之交,哲學家和物理學家將懷念今日。他們會興致勃勃地回憶起這樣一個黃金時代:20世紀傳統而又狹隘的宇宙觀讓位於更為宏大、美好的多重宇宙觀。

在科學誕生之前,人類的宇宙觀一次一次地被偉大的哲學家們刷新著。但是科學誕生以後,刷新人類宇宙觀的使命就轉移到了物理學家們身上。我們曾經以為自己是宇宙的中心,但是哥白尼讓我們知道了地球只是太陽系的一員、哈勃讓我們知道了銀河系只是宇宙總星系群中的一員、愛因斯坦讓我們知道了宇宙的時空結構,人類的被自己的發現一次又一次地震撼著,現在我們又發現很可能存在無窮無盡的平行宇宙,到了這一步,人類這點可憐的想象力已經不夠用了。面對宇宙,我們會變得更加謙卑。作為回報,人類會生活在一個更加宏偉的世界,一個超越祖先最狂野想象的世界。


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