平行宇宙真的存在嗎？

前言

2003年《科學美國人》雜誌中，有一篇由美國宇宙學家馬克斯·鐵馬克寫的平行宇宙專文，文中他將平行宇宙分成四類：

第一類：這類的宇宙和我們宇宙的物理常數相同，但是粒子的排列法不同，同時這類的宇宙也可視為存在於已知的宇宙（可觀測宇宙）之外的地方；

第二類：這類的宇宙的物理定律大致和我們宇宙相同，但是基本物理常數不同

第三類（艾弗雷特的多世界詮釋）：根據量子理論，一件事件發生之後可以產生不同的後果，而所有可能的後果都會形成一個宇宙，而此類宇宙可歸屬於第一類或第二類的平行宇宙，因為這類宇宙所遵守的基本物理定律依然和我們所認知的宇宙相同（上述「一顆球落入時光隧道，回到了過去撞上了自己因而使得自己無法進入時光隧道」詭論的平行宇宙解決辦法屬於此種）；

第四類：這類的宇宙最基礎的物理定律不同於我們宇宙，而基本上到第四類為止，就可以解釋所有可能存在（也就是可想像得到的）的宇宙，一般而言這些宇宙的物理定律可以用M理論構造出來。(來源：維基百科)

作一個類比，假設存在一種記憶力很好變形蟲，隨著時間的推移，變態蟲不斷分裂，每次產生的新變形蟲與其父母擁有相同的記憶。久而久之，變形蟲的生命並不再是一條筆直向前的道路，而是一顆不斷分叉的生命之樹。

——休·埃弗里特

物體處於確定的狀態，通過測量你可以知道和它的相關物理量。很多人將此作為我們了解宇宙的基礎。然而，當量子力學誕生后，這個觀點被徹底顛覆了。從根本層面上來說，宇宙是不確定的。一種關於平行宇宙的說法是: 根據量子理論，一件事件發生之後可以產生不同的結果，而所有可能的結果都會形成一個宇宙，但是我們在自身宇宙中只看到了一種結果。如果有適當的條件，也許平行宇宙是存在的。

電子通過雙狹縫屏之後干涉，在觀察屏上可以看到干涉圖案。但是如果監測每個電子的行為（即電子是穿過哪個狹縫的），那麼就不會出現干涉圖案。來源：Wikimedia Commons user inductiveload.

量子力學中描述的測不準原理是宇宙中事物所遵循的規律，但是不同學派對它有不同的解釋。發射一個電子，希望它可以通過雙縫屏中的其中一個狹縫（具體通過哪一個你說了算），這並不符合物理規律。實際上，電子具有波動性，一束電子通過雙狹縫屏之後會發生干涉。我們可以通過數學方法計算出電子在觀察屏上的概率分佈，但是每個電子在到達觀察屏之後只能落在一個確定的點。如果有很多電子通過雙縫屏打在觀察屏上，那麼我們就能獲得干涉圖案。

電子通過兩個狹縫之後得到的圖案。如果測量電子通過「哪個狹縫」，則會破壞此處顯示的干涉圖案。

這種方式有許多固有的不確定過程。有些情況是離散的：粒子和反粒子碰撞產生兩個在自旋方向相反的光子，但是你只有50%的概率猜中其中一個的自旋方向。其他過程是連續的：粒子和反粒子碰撞產生兩個在自旋方向相反的光子，相對於粒子或者反粒子的質心繫，我們怎麼確定自旋的具體方向呢？東南西北上下？產生的光子的自旋方向是隨機的。

正反粒子湮滅將產生兩個能量相等自旋方向相反的光子，方向是隨機的。來源：Andrew Deniszczyc, 2017.

宇宙中任意兩個粒子間的相互作用都具有這種不確定性，從某種程度來說，這是它們的內在性質。我們無法同時確定粒子的位置及其動量，這種不確定性也會影響粒子相互作用之後的位置和動量。有很多學派的理論嘗試解釋這種不確定性，而且似乎都說得通。

平行宇宙的想法應用在薛定諤的貓上。來源：Christian Schirm.

關於量子力學中的不確定性，有很多種不同的理論解釋，時至今日也不知哪種理論是正確的，包括波函數塌縮（量子力學體系與外界發生某些作用后波函數發生突變，此時結果已經確定，即此時的觀察結果），所有結果都是可能出現的（當測量行為發生時，宇宙中只呈現一種結果），我們觀察到的結果發生在自身所處的宇宙，其他可能的結果發生在其他宇宙。（譯者註：這個只是作者的猜想，而且波函數坍縮的真實性並沒有被完全地確定，它是哥本哈根學派的理論。）

可能存在著無限個平行宇宙，每個宇宙不盡相同。來源：Lee Davy of flickr.

如果真的是這樣，那麼後果是十分驚人的：平行宇宙必然存在，而且隨著時間的推移，數量將接近無窮。自宇宙大爆炸以來，我們觀測到的粒子數約為1090個，每個粒子在這段時間內經歷了無數次的相互作用，所以可能產生的結果也是不計其數的（肯定大於1090）。雖然這樣的想法很荒謬，但也不能說明平行宇宙不存在。事實上，平行宇宙是可能存在的。

從我們的角度來看，可觀測的宇宙可能是四百六十億光年，但是，除此之外，我們可能還有更多的，不可觀測的宇宙，甚至是無限的宇宙。來源：Frédéric MICHEL and Andrew Z. Colvin, annotated by E. Siegel.

1）宇宙是無限大的，我們只能觀察到一小部分。無論我們的宇宙中有多少粒子，無論這些粒子的初始狀態是怎樣的，也無論這些粒子間經歷過多少次相互作用，粒子數、它們的初始狀態、相互作用的次數都是有限的。但宇宙自誕生之日起就可能是無限大的，除了我們可以看到的行星，星系，物質和能量之外，我們有充分的理由相信宇宙的某些其他部分和我們身處的這一部分宇宙一樣，而且我們根本看不到它，因為光的速度和宇宙的年齡（自大爆炸以來）都是有限的。我們認識的這一部分可以被稱作「宇宙」，那些沒被認識的部分，其中的任意一塊也可以被稱作「宇宙」。如果有這樣一個無限大的宇宙，那麼可能有很多個與我們所認知的宇宙類似的「其他宇宙」，而且「我們的宇宙」中所發生的事也可能發生在「其他宇宙」。

宇宙演化過程。我們對宇宙膨脹的了解微乎其微。來源：Bock etal. (2006, astro-ph/0604101); modifications by E. Siegel.

2）宇宙是有限大的，但是這樣的宇宙自誕生以來就有無限個。宇宙大爆炸並不是所有事物的開端，而僅僅是我們所處的宇宙的開端。宇宙在過去有限的時間之前曾經處於一個密度和溫度都無限高的狀態，這一狀態被稱為奇點。在大爆炸發生的幾分鐘后，宇宙的溫度降低到大約十億開爾文的量級，密度降低到大約海平面附近空氣密度的水平。大爆炸發生在約138億年前，在這之前就有宇宙膨脹。宇宙膨脹導致時空的指數增長，如果膨脹的時間已經是無限長的，那麼可能已經產生了無限個有限大小的宇宙，其中一個就是我們認知的宇宙。

儘管膨脹可能在某些地方停止（圖中紅色的「X」），但是膨脹一直在進行著，而且不同宇宙之間不會碰撞在一起。來源：E. Siegel.

3） 宇宙是有限大的，而且只有有限個宇宙。這可能是最棘手的情況，因為沒有一種增長模型，使得宇宙的數量與量子結果的多樣性保持一致。但足夠大、可能性豐富的多元宇宙是可以創造出具有相同初始條件的宇宙的，在這些宇宙里可能發生著類似的事。由於宇宙的數量是有限的，而粒子間的相互作用永不停歇，所以如果有足夠多的時間，隨著粒子間相互作用和量子系統的演化，我們看到的結果將是非常豐富的，甚至超過宇宙的數量。

可能存在於「其他口袋」中的平行宇宙。來源：Publicdomain.

也許，在某個地方，希拉里·柯林頓當選了美國總統; 在某個地方，人類已經滅絕; 在某個地方，我們已經實現了世界的和平。但是，在我們的認知里有且僅有一個宇宙，我們只能觀測到我們所能觀測到的東西，對於我們做不到的，我們無能為力。上述三個條件如果有一個滿足了，那麼平行宇宙就可能存在。如果我們沒有足夠發達的科技，那麼真相將永遠無法大白於天下，平行宇宙的存在與否也無法被證實或證偽。

原文鏈接：

本文轉載自《中科院物理所》微信公眾號

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