平行宇宙的設定，具備科學基礎嗎

加來道雄

縱觀歷史，幾乎在每個古代社會，人們都相信有其他層次的世界存在，有天神和幽靈的居所?，F在，平行宇宙的概念成了理論物理學家辯論得最熱烈的話題之一。在科學文獻中，討論得最激烈的有至少3種類型的平行宇宙：超空間或高維空間、多元宇宙、量子平行宇宙。

超空間或高維空間

有一種平行宇宙是物理學中歷史最悠久的辯論對象——高維空間。我們生活在三維（長、寬、高）空間內，這是常識。無論我們在空間中怎樣移動物體，所有的方位都可以用這種三維空間坐標表示。事實上，我們可以用這3個數字標出宇宙中任何物體的方位，從我們的鼻子尖到所有星系最遙遠的角落。

那么第四維空間呢，則似乎有違常識。2000年來，任何敢談論第四維度的數學家都要冒著被嘲諷的風險。然而，黎曼的一次著名演說就像一陣強烈的旋風，推翻了擁有2000年歷史的古希臘幾何學，建立了能夠解釋彎曲空間、高維世界的數學理論，至今我們仍然在使用它。

在歷史上，物理學家一度認為四維空間不過是一種好奇心的產物。人們從來沒有發現過有關高維空間存在的證據。

弦理論

在美劇《生活大爆炸》中，主角謝爾頓主攻的研究方向就是弦理論。如果你是《生活大爆炸》的忠實觀眾，你能不能解釋出什么是弦理論呢？

超弦理論斷定，電子和其他亞原子粒子不過是一根弦的不同振動形式，它像一根微型橡皮筋那樣起作用。如果擊打橡皮筋，那么它將以不同的方式振動，每種振動相當于一種不同的亞原子粒子。這樣，超弦理論就解釋了目前為止已經在我們的粒子加速器中發現的數百種亞原子粒子。愛因斯坦的理論事實上僅僅是弦的最低水平的振動之一。

弦理論被認為是一種“萬有理論”，是傳說中愛因斯坦在人生最后30年中感到困惑的理論。愛因斯坦想要一種單一的、全面的理論，概括所有物理定律。如果弦理論能正確統一廣義相對論和量子理論，那么它或許就象征著自2000年前古希臘人提出物質由何組成的疑問以來，科學的最高成就。

但是，超弦理論的古怪特點在于，這些弦只能在特定的時空維度中顫動——它們只能在10維中振動，如果試圖在其他維度中創造一種弦理論，那么它會在數學推演中崩潰。

高中時我們學到，當我們進入太空時，我們承受的地球引力會減小。更精確地說，引力的大小與距離的平方成反比。但這只是因為我們生活在一個三維世界中。如果宇宙有4個空間維度，那么，引力的大小就應當與距離的立方成正比。如果宇宙有n 個空間維度，那么引力應當以距離的n-1次冪減弱。牛頓著名的反平方定律經測試證明在天文距離下極為準確，那就是為什么我們能以驚人的精確度讓空間探測器飛過土星的光環。

2008年，在瑞士日內瓦郊外，大型強子對撞機投入使用，用于尋找名叫“超粒子”的新型粒子，它是超弦的一種較高的振動形式（你在自己周圍看到的一切都只是超弦的最低振動形式）。如果超粒子由大型強子對撞機發現，那它可能標志著一場我們看待宇宙方式的革命。在這樣的宇宙中，標準模型僅僅代表超弦的最低振動形式。

美國理論物理學家、2017年諾貝爾物理學獎得主基普·索恩說：“到2020年，物理學家會理解量子引力的定律，會發現它是弦理論的一種變體。”

除了高維空間，弦理論還預測了其他平行宇宙，那就是“多元宇宙”。

多元宇宙

普林斯頓高級研究所的愛德華·威騰和劍橋大學的保羅·湯森推斷，所有的5種弦理論其實是同一種弦理論——只要我們添加第11個維度。在第11維度中，可以存在一種新的、被稱為“膜”的數學對象（比如一個球體的表面）。這里有一種驚人的發現：如果一個人從11維掉入10維，全部的5種弦理論都會出現，就從一層膜開始。因此，所有的5種弦理論都不過是將一層膜從11維時空移到10維時空。

為了把這個發現形象化，我們來想象一個中間纏著一條橡皮筋的沙灘排球：想象用一把剪刀把球一切為二， 一半在橡皮筋上，一半在橡皮筋下，此時，將沙灘排球的上半部分和下半部分都去掉，剩下的就是橡皮筋——根弦。以同樣的方法，如果我們卷起第11維——一張膜所留下的，就只是它的中緯線，那是一根弦。

第11維給予了我們全新的圖景。它還意味著或許宇宙本身就是一張膜，懸浮在一個11維時空中。并且，并非所有這些維度都必須很小。事實上，有些維度可能是無限大的。

這提出了我們的宇宙存在于一個其他的多元宇宙中的可能性。想象一大堆懸浮的肥皂泡，或者膜。每個肥皂泡代表一個懸浮在更大的11維超空間中的宇宙。這些肥皂泡可以與其他肥皂泡相互聯合，或者破裂，甚至短暫出現又消失。我們可能僅僅生活在這些肥皂泡宇宙之一的表面上。

根據弦理論的預測，有多少宇宙？弦理論認為宇宙可能有成千上萬個，個個符合廣義相對論和量子理論。

一般來說，這些宇宙之間的交流是不可能的。我們身體的原子就像被捕蠅紙困住的蒼蠅。我們能夠在自己的膜宇宙的三維中任意行動，但是我們不能跳下宇宙進入超空間，因為我們被粘在了自己的宇宙里。但引力作為時空的彎曲可以自由地在宇宙間的空間里懸浮。有一種理論認為，暗物質（一種包圍宇宙的不可見物質）或許是懸浮于一個平行宇宙中的普通物質。同樣，有推測稱，暗物質或許是一個懸浮于我們之上另一個膜宇宙中的普通星系。我們能夠感覺到這個星系的引力，因為引力會慢慢在宇宙之間流動，但是另一個星系對我們而言是不可見的，因為光在星系下面移動。這樣，這個星系將具有引力，但不可見，這符合對于暗物質的描述。

大多數平行宇宙可能已經死去，由無形的亞原子粒子（比如電子和中微子）氣體組成。在這些宇宙中，質子或許是不穩定的，因此我們所知的一切物質都會慢慢衰變和融解。由原子和分子組成的復雜物質在許多這樣的宇宙中或許不可能存在。其他平行宇宙可能恰恰相反，具有遠遠超出我們想象的復雜物質形式。它們可能并不只擁有一種由質子、中子和電子組成的原子，而是具有一系列令人眼花繚亂的其他穩定物質形態。

多元宇宙的理論具備一項對其有利的事實。當我們分析自然的常數時，我們發現它們被“調節”得非常精確，允許生命存在。如果增加核聚變的強度，恒星就會以過快的速度燒盡，無法讓生命產生;如果降低核聚變的強度，那么恒星永遠不會燃燒，生命無法存在。如果加強萬有引力，那么我們的宇宙會在一場“大擠壓”中快速死去;如果減弱萬有引力，那么宇宙會膨脹到“大凍結”。事實上，大自然的常數中有大量“偶然”，允許了生命的存在?？雌饋恚覀兊挠钪娲嬖谟谝粋€具有很多參數的宜居帶上，所有的參數都被“微調”成適合生命生存的模式。正如弗里曼·戴森所說：“宇宙似乎知道我們即將到來?！?/p>

量子宇宙

“量子宇宙學”的概念最初似乎在名稱上是自相矛盾的：量子理論涉及的是極小的原子世界，而宇宙學涉及的是整個宇宙。但想想這個：在大爆炸的那一刻，宇宙比1個電子還小，并且小得多。每一個物理學家都認同電子必須被量子化，即它們能存在于平行狀態中。因此，如果電子必須被量子化，如果宇宙曾經小于1個電子，那么宇宙一定也存在于平行狀態中——一種自然通往“多世界”的方式。

在量子宇宙學中，物理學家從一個薛定諤方程的模擬入手，它支配電子和原子的波函數。他們使用作用于宇宙波函數的惠勒- 德維特方程。通常，薛定諤波函數定義的是時間與空間中的每一點，因此你就可以計算在時間和空間的那一點找到電子的可能性。但是宇宙波函數定義的是所有可能存在的宇宙。如果宇宙波函數碰巧在定義某個特定宇宙時很大，就意味著那個宇宙很可能會是一個特殊的宇宙。

霍金推動了這一觀點。他宣布，我們的宇宙是宇宙中特殊的存在。我們的宇宙波函數較大，其他大多數宇宙的波函數則接近于0。這樣，在多元宇宙中存在其他宇宙的可能性雖然很小，但有限。事實上，霍金試圖用這種方式得出膨脹率。在這幅景象中，一個膨脹的宇宙比不膨脹的宇宙更有可能存在，因此，我們的宇宙是膨脹的。

我們的宇宙來自時空泡沫的“虛無”，這一理論似乎完全無法驗證，但它符合一些簡單的觀測結果。

第一，許多物理學家指出，我們宇宙中的正電荷總數和負電荷總數相抵剛好為0，這非常驚人，至少在實驗的精確性之內是這樣的。我們認為太空中的引力是主導力量，這是事實，但這不過是由于正負電荷正好相互抵消了。如果地球上的正負電荷之間有最微小的不平衡，那么它或許可以將地球撕裂，戰勝將地球維持成一個整體的引力。要解釋正負電荷之間的平衡有一個簡單的方法：假設我們的宇宙來自“虛無”，并且“虛無”沒有電荷。

第二，我們的宇宙的旋轉為0。盡管數學家、邏輯學家和哲學家庫爾特·哥德爾用了多年時間，試圖通過累加各個星系的旋轉來證明宇宙在旋轉，但如今，天文學家相信，整個宇宙的旋轉為0。如果宇宙出自“虛無”，那么這個現象就很容易解釋了，因為“虛無”的旋轉為0。

第三，我們的宇宙出自“虛無”有助于解釋為什么宇宙的物質-能量內容總和如此之小，甚至可能是0。當我們將物質的正能量和與引力相關的負能量相加時，兩者似乎完全相互抵消。根據廣義相對論，如果宇宙是封閉的、有限的，那么宇宙的物質-能量總量應該剛好為0。

第四，當前，我們的科技遠不足以證明這些平行宇宙的存在，但平行宇宙的存在不與物理定律相悖。