作者｜罗辑

「科普作家」

三体科幻 当前的宇宙理论建立在苏联宇宙学家亚历山大•弗里德曼提出的膨胀宇宙模型之上，在1922年，弗里德曼发现了爱因斯坦场方程中的一个重要解使得膨胀宇宙模型逐渐明朗，此后哈勃发现了宇宙膨胀的现象，在宇宙微波背景辐射发现之后，科学界对建立在弗里德曼宇宙模型基础上的宇宙时空有了不同深度的认识。宇宙学建立在两大假设上：第一，假设宇宙介质的分布是均匀的、各向同性的；第二，宇宙动力学行为服从广义相对论。

宇宙学模型的提出需要观测来证实，当弗里德曼提出宇宙膨胀模型时几乎得不到科学界认可，甚至在哈勃发现红移宇宙膨胀现象后也被认为是“伪科学”，这是因为宇宙学需要观测来证实结论。1965年，美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景辐射，这是一个各向同性的信号，与太阳系行星系统公转和自转完全没有关系，有力支持了弗里德曼的膨胀宇宙模型，是大爆炸理论的证据。到了1989年，宇宙微波背景辐射卫星（COBE）观测证实微波背景辐射谱符合2.726±0.010K黑体辐射曲线，极大支持了宇宙在大尺度方向上的各向同性特点。

在弗里德曼提出宇宙膨胀模型之前，宇宙有限论获得了两大佯谬的支持：第一，德国天文学家奧伯斯在1823年提出“夜黑佯谬”，他质疑为什么我们会看见黑夜，如果宇宙无限大的话，那么各个方向上恒星亮度的累计可以照亮整个夜空，地球将不会出现黑夜，因此宇宙是有限的；第二，西利格佯谬认为如果宇宙是无限大，那么宇宙中的物质分布应该是均匀的，这样各个方向上可以产生相同的作用力，我们就无法称量一个物体的重量，因此宇宙是有限的。

除了有限宇宙论外，爱因斯坦也提出了自己的宇宙观，他在1916年发表的广义相对论中认为一个物体的质量可以导致其周围的时空发生弯曲，看起来像是一个物体通过万有引力施加的影响实际上是空间弯曲引起的运动，而时空弯曲的事实可以得出我们的宇宙是有限无边的，属于静态宇宙范畴，爱因斯坦将这样的宇宙描述为在三维球体上的二维空间。

通过一个世纪的发展，宇宙学的初级架构已经建立起来，作为现代宇宙学基本出发点的弗里德曼宇宙膨胀模型认为在宇宙膨胀前，必然有一个时刻的宇宙半径是0，这样可初步得出宇宙年龄在200亿年左右，现代宇宙学的发现表面，宇宙年龄为137.7亿年。宇宙学发展过程中出现一次较大的突破，科学家将其称为“平行宇宙”论，虽然该理论尚未被证实，但该理论拥有极强的生命力，使得宇宙学研究让人耳目一新，在弦论、M理论发展之后，多重宇宙论也逐渐被人们接受，目前的问题并非在于是否存在多重宇宙，而是它们会以何种形式出现。

2003年，美国宾夕法尼亚大学物理与天文学教授Max Tegmark在《科学美国人》期刊上发表了《平行宇宙》一文，是目前平行宇宙论较为完整的论述文章，他将平行宇宙分为四类，或者四个层次，论证了宇宙是“平行”的结论，这是宇宙学研究从单一宇宙论发展到平行的多宇宙论，根据MaxTegmark的描述，平行宇宙分为四类：

第一类平行宇宙为最简单的平行宇宙，处于我们可观测宇宙之外，其物理常数与我们的宇宙相同，但是物质的初始条件不同，这意味着我们的宇宙之外还有很多平行宇宙时空。普朗克望远镜最新的观测数据表明，我们的宇宙可能是10亿个宇宙中的一个，这个发现也是第一次有证据显示平行宇宙的存在。而可观测的宇宙半径为420亿至460亿光年左右，这是大爆炸以来光前进的最远距离，由于宇宙膨胀的拉伸，这个距离大约137亿光年。

第二类宇宙与第一类宇宙有着较大的不同，时空维度、基本粒子以及很多物理常数都是不同的；第三类宇宙为美国量子物理学家休•艾弗雷特提出的多世界宇宙，属于量子多重世界范畴，在量子力学框架下，每一个宇宙都对应着不同的状态，量子宇宙会随机“分裂”成更多状态的宇宙；第四类宇宙的物理定律不同于我们的宇宙，而且物理性质和量子态都不同，几乎不可能用真实可见的图像来解释这个宇宙，Max Tegmark认为一种数学结构可对应一个平行宇宙，它们不属于时间和空间的范畴。

显然四种平行宇宙的层次划分是从复杂到简单，第一类宇宙规定了许多物理常数和初始条件，到了第四层平行宇宙时几乎难以想象，无法用三维空间的图像加以描述，平行宇宙模型已经暗示了不同类型宇宙之间出现变换的可能性。

作为平行宇宙的第四类，建立在M理论基础之上的宇宙完全与我们处于的宇宙不同，其物理性质和量子态都不一样，甚至我们无法用直观的图像来表述这样的宇宙。M理论是弦理论的延伸，而超弦理论则发展自弦理论。弦理论与传统的基本粒子论不同之处在于不把一个基本粒子看成一个点粒子，而认为其是一根一维的弦，显然这种思维完全“颠覆”了以往所有的宇宙学理论，弦理论中著名的威尼采亚诺公式可以理解为弦与弦的散射振幅，在此基础上建立平行宇宙拥有难以想象的开放程度。

量子力学中波和粒子被认为是同一现象的两个不同表现，弦理论认为每一种振动模式都对应着一种粒子，特定弦的振动频率决定了粒子的能量和质量，一根弦的不同振动模式可以形成我们现在所熟知的基本粒子。比如，根据弦理论，粒子被看作是长度为普朗克尺度一维弦，在引入费米子的坐标后，科学家提出了超弦理论。超弦理论暗示的平行宇宙时空必须拥有十个维度，时空中也存在超对称现象，但没有真空稳定态的问题，超弦理论的形成意味着此类平行宇宙并非由粒子和场构成的时空，宇宙不仅是四维时空，而是多维的。

10维超弦理论避免了量子力学与广义相对论合并时遇到的重整化问题，还在一定程度上连接了强力、弱力、电磁力以及引力四种基本力。我们所处的时空是4维的，三维时空加上一维的时间，需要指出的是，我们熟知的牛顿力学、广义相对论、电动力学还有量子场论等都可以存在于高维时空，不但可以在四维时空中进行完好地表达，也满足四维以上的时空，没有迹象表示这些理论不适合高维时空。

上个世纪90年代中期，南加州大学超弦会议上，物理学家威顿等公布了有关超弦的研究成果，涉及对偶性与不同超对称理论，科学家发现可以用不同的维数膜来研究对偶性，超弦理论下的10维时空通过强耦合极限可以形成11维的时空，由此诞生了M理论，10维时空中一根弦围绕在第11维度的膜上，由此M理论拥有了一个强大的膜空间，统一了五种超弦理论和11维超引力理论。M理论的发展成熟意味着我们的宇宙建立高维时空中，完全颠覆了我们对宇宙是四维时空的概念，同时由M理论构造出的平行宇宙存在于一个膜的世界中。

科学家发现时空是10维的，减去我们看见的3维时空还有7个维度，这些额外的空间必须进行紧致化处理，将其卷曲成普朗克尺度，因此我们看不到这样的维度，加上1维的时间，正是我们现在看到的时空。M理论向我们展示了一个神奇的膜宇宙，不仅时空的多维的，膜结构也可以是多维的，我们的宇宙很可能是由多层膜构成的高维超空间，通过无数次的卷曲形成3-膜空间，看似非常遥远的系外行星，在多层空间中可能仅距离我们数毫米。M理论为平行宇宙理论的发展提供了潜在机会，该理论的提出不仅使得我们所处的宇宙呈现鬼魅般神秘，由此构造出的平行宇宙可能也拥有类似的时空。

美国量子物理学家休•埃弗雷特提出的多世界诠释被认为属于第三类平行宇宙，从量子力学的角度看，此类平行宇宙发生的每一个事件都会产生无数个可能性事件的宇宙，在埃弗雷特看来，在测量过程中，初始状态波函数所存在的宇宙“分裂”成许多个相互不可观测的，却又同样真实的宇宙分支，每一次测量只会产生一个结果，各个分支宇宙中的结果显然是不同的。由埃弗雷特首次的EWG诠释就是在寻求量子力学体系的内在解释，观察者是孤立系统的内在组分，也是波函数的描述对象。

2001年，美国宾夕法尼亚大学教授MaxTegmark在纪念量子发现一百周年时发表了一篇文章，他认为根据退相干理论以及最新的实验表明多世界诠释可以取代正统的哥本哈根解释，是量子力学的最新诠释。多世界诠释一共经历了三个发展阶段：第一，1957年埃弗雷特发表了《量子力学的相关态解释》；第二，1973年《量子力学多世界解释》和1999年《心与世界的量子力学》；第三，2007年在牛津大学举行的埃弗雷特50年之量子力学解释会议。

由埃弗雷特首创的量子力学多世界解释（EWG理论）需要在数学体系的指导下形成诠释，这就要求EWG理论要消除经典观察者，对此，埃弗雷特导入了两个基础假设，第一个是复杂性假设，该理论认为世界是足够复杂的，可以分解成单一的系统；第二个是纯波动力学，可提供数学模型给予支持。在多世界理论中，观测者被认为是孤立系统与其他子系统之间相互作用“连接系统”，而无数个“可能性”世界并非抽象的，而是与我们所处世界拥有相同的真实性和客观性，德威特曾经评价过“世界分裂”的观点，他认为由于无数系统之间的相互作用导致了宇宙正在不断地分裂出令人惊讶的“分支”，每一个分支都对应着一个与我们宇宙极为相似的时空。

从宇宙学的角度上看，多世界解释阐释了量子测量过程中形成的波包坍缩，对此，埃弗雷特重新给出了量子力学的相关态的表述，并认为所有的孤立系统演化都遵循着薛定谔方程，而波函数是不发生坍缩的。在复合系统叠加态中，每一个观察者都可以感知到一个确定的结果，波函数的坍缩看似是在一个主观水平上发生，但是观测者只感知到一个确定的结果。1970年，海德伯格大学科学家首次阐述了退相干理论，该理论解释了系统波函数之间各分支相干性破坏，当测量仪器与观测者相互作用之后，就会出现退相干过程。

多世界解释中提到“分裂”一词，这个说法被逐渐用平行并完全的世界来取代，这些无数衍生出来的平行宇宙在相同的时间和空间中并存，按照多世界理论的解释，实验观测可以形成无数平行宇宙，比如其中一个平行宇宙中的实验对象依然存活，另一个平行宇宙中的实验对象已经死亡，此类最著名的案例为薛定谔的猫实验，这个思想实验揭示了量子力学世界中的神奇一面，薛定谔将辐射原子的可能衰变与一只猫的命运联系起来，由于辐射原子可能衰变也可能不衰变，因此这只猫就处于即死又活的状态中。

埃弗雷特认为宇宙间的相互叠加在波函数确定之前就存在无数种可能性，它们之间是相互平行的，观察者的出现并不是让发生的概率出现变化，而是从无数种可能性空间中选择了一种，就如同无数波函数叠加态一样，由此形成的平行宇宙数量是非常可观的，估计的数字为10的100次方个。针对薛定谔的猫思想实验，科学家进行多种验证，1996年，美国国家标准与技术学院科学家成功实现了单原子（铍）级相干实验，设定两个相干态的波包模拟处于即死又活的猫。2000年，纽约州立大学石溪分校研究小组运用一个无耗散效应的超导环成功模拟“死猫”和“活猫”的叠加态。

薛定谔的猫作为一个微观与宏观的纠缠态，将微观原子的衰变与不衰变状态与宏观猫的死活状态相联系，其对于理解量子力学中量子态的非定域性十分重要，此外，对于理解量子测量中瞬间波包坍缩也是非常有帮助的。在现实生活中，退相干效应的存在，在量子与经典物理介质过渡的领域，量子物理学则还原为经典物理。

在2007年，埃弗雷特50年量子力学解释的国际会议上，科学家认为多世界解释并不违背哥本哈根解释，只是从一个不同于哥本哈根解释的角度与完善量子宇宙。2007年，科学家在研究宇宙微波背景辐射（CMB）信号时发现了巨大的宇宙冷斑，暗示了我们的宇宙之外还存在平行宇宙，根据最新计算结果，平行宇宙或处于其他维度的时空中，彼此相距为1毫米。

罗辑

2013.10.15