霍金又賣萌了。上周六，在回答 " 您對 Zayn 離開 1D 組合致使無數(shù)少女心碎有什么看法 " 的時候，他的回答是：" 我建議這些女孩多學(xué)物理，因為某天你可能會發(fā)現(xiàn)平行世界的存在，在那里 Zayn 沒有退團，甚至你還有可能嫁給了他。" 但是，你確信你懂得他在說什么嗎？" 平行世界 " 并不是什么夢想成真的天堂，這里面的講究可多了去了。
　　引言 多重宇宙大家族
　　從中文講，" 上下四方曰宇，往古來今曰宙 "，宇宙二字本身已包羅萬象。從英文講，"universe" 源于拉丁語詞匯 "universum"，可理解為 " 變成一 "。若要問除了一切之外還有另一個一切嗎，誰聽了都會搖頭。
　　但是，當(dāng)我們說到 " 宇宙 " 時，并不能無止境地向過去追溯，而是止于 138 億年前的一場大爆炸。在此之前——如果有 " 之前 " 的話——我們不知道發(fā)生了什么。如果彼時還有空間和物質(zhì)存在，可否稱之為時間中的另一個宇宙呢？
　　或者，因為宇宙年齡有限，我們只能觀測 460 億光年里的范圍；假如真正的宇宙比這個范圍大得多——我們之后會看到這樣假設(shè)的原因——在宇宙視界之外那些與我們沒有因果關(guān)系，各自獨立發(fā)展的區(qū)域，可否稱之為空間中的另一個宇宙呢？
　　又或者，我們觀測宇宙時看到了許多基本定律和常數(shù)，但我們并不知道為何要有這些規(guī)律。如果在我們所知的宇宙之外，還有另外的規(guī)律和常數(shù)，可否稱之為常數(shù)里的另一個宇宙呢？如果我們能夠在計算機中模擬所知的一切，可否稱之為低一層的另一個宇宙呢？如果我們身處虛擬現(xiàn)實之中，那么模擬者所在的現(xiàn)實可否稱之為高一層的另一個宇宙呢？
　　誠然，這樣的觀點恐怕很長一段時間內(nèi)都不能證明，也不能證偽，因此也許不能稱之為真正的 " 科學(xué) "；但正如古代哲人對世界本源的探索一樣，這些思考也許會生根發(fā)芽，帶來真正有價值的東西。所以，此處我們不如卸下包袱，輕裝前進，單純地享受思考的樂趣。
　　五花八門的多重宇宙
　　為了彌補 "universe" 一詞的不足，人們常常用多重宇宙（multiverse）來概括所有關(guān)于 " 另一個宇宙 " 的想法?？茖W(xué)家所關(guān)心的多重宇宙理論幾乎都植根于 20 世紀(jì)物理學(xué)的革命性突破——量子理論之中。
　　在這個框架中誕生的第一個多重宇宙理論是休 ?? 埃弗雷特三世提出的量子力學(xué)多世界解釋。在量子力學(xué)中，人們可以用波函數(shù)和波動方程完全確定一個粒子的狀態(tài)，但這個狀態(tài)可能包含了許多種看似矛盾的可能性。比如，一個電子既在這里，又在那里。一個狀態(tài)確定的中微子，既是電子型中微子、又是 μ 子型、τ 子型中微子。更不可思議的是，當(dāng)人們用特定的方法測量粒子狀態(tài)時，只能隨機地得到其中一個結(jié)果。其它結(jié)果到哪兒去了呢？
量子力學(xué)多世界解釋的創(chuàng)始人 Hugh Everett III。圖片來源：wiki
　　埃弗雷特三世認(rèn)為，所有的結(jié)果其實都出現(xiàn)了。每一次測量都會導(dǎo)致多重宇宙 " 分裂 " 成多個子宇宙，其中每個子宇宙只實現(xiàn)其中一種可能的結(jié)果，每個子宇宙中的人只能看到他所在的子宇宙中的結(jié)果。這就是量子的多重宇宙。
　　如果將量子理論與宇宙學(xué)的觀測結(jié)果結(jié)合起來，無需提出新理論，就會自動得出宇宙之外別有洞天的結(jié)論。《宇宙的琴弦》作者，物理學(xué)家 B?? 格林在 2011 年新作《隱藏的現(xiàn)實》一書中將它命名為 "百衲被多重宇宙"。因為每一個宇宙都存在各自的視界，它們各自為政，就像一塊塊碎布縫成的被單。主流觀點認(rèn)為，宇宙的空間如此平坦，是因為它誕生后不久就經(jīng)歷過一輪短暫的加速膨脹，叫做暴脹（inflation）。暴脹不只產(chǎn)生了許許多多我們這樣的宇宙，還可能不斷產(chǎn)生數(shù)不盡的百衲被多重宇宙。這就是暴脹的多重宇宙。
　　為了將 20 世紀(jì)另一項革命廣義相對論納入量子框架，理論家對超弦理論寄予了厚望。使命尚未完成，超弦理論和它的高級形式 M- 理論卻帶來了 3 種新的多重宇宙理論。超弦（及 M- 理論）要求時空維度為 10 維（或 11 維），但我們所生活的宇宙卻是 3 維空間加 1 維時間。為了調(diào)和這一矛盾，理論家發(fā)現(xiàn)超弦（及 M- 理論）的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)剛好允許我們將宇宙描述為漂浮在高維時空中的一張 3 維膜。在 3 維膜之外，或許還存在別的膜，上面是另一番天地。如果兩張完全平行的膜如果相撞，就會引發(fā)一場大爆炸，將舊的秩序全部推翻，產(chǎn)生新的宇宙。兩張膜一開一合，膜上的宇宙前赴后繼——也許我們的宇宙只是序列中的一員。而如果額外維度蜷縮了起來，它的可能形式有至少 10500 種之多，每一種形式可以都相應(yīng)地形成一種宇宙，它們可能有不同的宏觀維度，甚至有不同的物理定律和基本常數(shù)。這是迄今為止最為廣闊的多重宇宙圖景，叫做弦景觀（String Landscape）多重宇宙。
　　《三體》中設(shè)想了太陽系的 3 維空間被某種外部力量轉(zhuǎn)化為 2 維平面的場景。事實上，量子理論有一種觀點認(rèn)為，我們的宇宙本來就是 2 維的，只不過表面上看是 3 維的而已。當(dāng)我們看 3D 電影的時候，盡管獲得了立體的視覺體驗，但每一幀電影實際的信息量不會超過 2 維屏幕的呈現(xiàn)能力。3D 電影的本質(zhì)是 2 維的。同理，雖然我們相信 3 維空間真實存在，但當(dāng)我們將廣義相對論和量子理論結(jié)合，試圖探索空間信息存儲能力的極限時，就會發(fā)現(xiàn)空間或許只是一張 2 維全息屏的投影。它就像 3D 電影一樣，所容納的信息不會超過一張 2 維屏幕的呈現(xiàn)能力，這就是全息原理（holographic principle）。
　　既然宇宙所容納的信息受到限制，那如果我們將這些信息用另一種方式表達出來，是不是就等于制造了一款宇宙呢？畢竟，鉛筆寫成的字和計算機中的字沒有語義上的區(qū)別。麻省理工學(xué)院的 S. 勞埃德在《計算的終極物理極限》一文中估計，一個體積為 1 升，重量為 1 千克的 " 終極筆記本電腦 "，計算能力大約是每秒 1051 次，所容納的信息為 1031 比特。這個消息對模擬宇宙來說可能是喜憂參半。一方面，一旦我們擁有如此強大的計算能力，就可以嘗試模擬一個栩栩如生的小型宇宙，獲得模擬多重宇宙。另一方面，與一公斤物質(zhì)相比，全方位模擬整個宇宙所需的計算能力和存儲量是個更加宏大的天文數(shù)字。如果我們真的活在一個計算機中，那個程序員要么下了血本，要么在我們不知道的地方投機取巧了。
　　可以發(fā)現(xiàn)，多重宇宙不是一個理論，而是一類理論。當(dāng)我們用量子理論作為框架去研究物理學(xué)基本規(guī)律的各個方面時，總會在不經(jīng)意間得到各式各樣的多重宇宙。
　　但獲得多重宇宙只是第一步，如果我們的目的是想在其他的宇宙里尋找完美版的自己，那得首先有別的自己——或者說，找到和我們世界相差無幾的 " 平行 " 宇宙。平行世界在科幻和美漫圈子里早已經(jīng)是流行概念，但那主要是因為敘事方便——而在現(xiàn)實中，物理學(xué)似乎真的能給出平行的可能性。
動畫片《飛出個未來》第 4 季 15 集中，主人公就遇到了自己的副本。圖片來源：動畫截圖
　　一 百衲被的平行宇宙 不同的架構(gòu)，同樣的材料
　　從微觀層面看，我們的宇宙充滿了副本。除了我們不怎么了解的暗物質(zhì)和暗能量之外，已知的物質(zhì)都是由品種有限的基本粒子所組成。比如，水是由氫原子和氧原子組成，而原子都是由核外電子和核內(nèi)的質(zhì)子、中子所組成。質(zhì)子和中子又是由更基本的夸克和膠子所組成的束縛態(tài)。不同種類的基本粒子存在質(zhì)量、電荷、自旋等方面的差異，但同種基本粒子之間卻存在一種絕對的平等。我們經(jīng)驗中多姿多彩的世界其實都是由有限的幾種基本粒子積木搭起來的，副本并不是變化的對立面，而是它的基礎(chǔ)。
　　比方說，人體內(nèi)的物質(zhì)在生化反應(yīng)中不斷丟失和獲得電子，從內(nèi)稟性質(zhì)看，這些電子和電線中的電子、雷電中的電子、天體中的電子完全一樣。如果從你身上取出一個電子，再從火星的巖石中取出一個電子，放在相同的環(huán)境中進行比較，任何測量手段都無法分辨兩個電子的差別。事實上，物理學(xué)家約翰 ?? 惠勒曾經(jīng)提出過一個相當(dāng)瘋狂的猜想：也許所有的電子根本就是同一個電子在時空中不斷穿梭，形成一個巨大的纏結(jié)?。上н@個猜想和我們的觀測不太符合。）
　　不過，即使基本成分相同，成分之間排列方式的變化也會造就驚人的差異。水和冰的分子都是 H2O，生命卻無法容忍將體內(nèi)的水分全部換成冰。石墨和鉆石的原子都是碳，但硬度和價格卻有天壤之別。在上千度的高溫下，磁鐵的成分沒有變化，磁性卻消失了。因此，我們把世間萬物都還原成基本粒子的時候，也要注意每個粒子所處的狀態(tài)。只有組成兩個物體的基本粒子完全相同，每個粒子所處的狀態(tài)也相同，才可以認(rèn)為它們是一模一樣的副本。宇宙也不例外。
石墨和金剛石由碳原子通過不同的排列方式組成。圖片來源：作者供圖
　　但每個粒子的狀態(tài)和組合難道不是無窮無盡的嗎？物理學(xué)認(rèn)為，并不是。
　　不同的狀態(tài)，有限的變數(shù)
　　我們所見到的宇宙，可以看作是從 138 億年前開始，到現(xiàn)在的半徑 460 億光年的空間中所有事件的結(jié)合。這些事件總共有多少呢？雖然沒數(shù)過，但我們可以斷定它一定是個有限的數(shù)目。這是因為時間和空間的范圍是有限的，而我們對時間和空間的分辨能力也是有限的，有限除以有限得到的結(jié)果仍然有限。
　　人眼睛的有限分辨能力可以作為類比。光既可以看成一種粒子，也可以看成一種量子的波動。當(dāng)一個點光源發(fā)出的光穿過瞳孔落在視網(wǎng)膜時，并非匯聚在一個沒有大小的點上，而是像波一樣發(fā)生衍射，主要能量分布在一個圓形的范圍內(nèi)，叫做艾里斑。如果兩個點光源離得太近，以至于產(chǎn)生的兩個艾里斑重疊在一起，我們就會把它認(rèn)作同一個光源。
艾里斑的圖示。當(dāng)兩個斑臨近時，人眼就無法區(qū)分，所以人能判斷的狀態(tài)是有限的。圖片來源：作者提供
　　宇宙中的基本粒子像光一樣，都具有波粒二象性。主流觀點認(rèn)為，這不僅意味著我們無法無限地分辨它們在時間和空間上的細(xì)微差別，更意味著它們并不存在這樣無限細(xì)微的差別。這就是海森堡不確定性原理的一種體現(xiàn)：如果你想更精確地測量時間，能量就會變得不確定；如果你想更精確地測量動量，位置就會變得不確定。物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙中最短的時間間隔是普朗克時間，約為 10-43 秒；最短的空間間隔是普朗克長度，約為 10-35 米。所以，如果我們給定了所見宇宙的時間和空間范圍，其中的事件數(shù)目一定是有限的，因此，宇宙中粒子的排列組合方式也是有限的。
　　有限的組合，無限的 …… 宇宙？
　　有一個無限猴子定理說，如果讓一只猴子在打字機上隨機按鍵，總有一天會按出莎士比亞全集的內(nèi)容。為了得到宇宙的副本，我們無須雇一只懂物理的猴子來組合基本粒子，只需要知道宇宙的空間曲率。
　　愛因斯坦的廣義相對論將萬有引力描述成時空彎曲的結(jié)果。這套理論優(yōu)美的數(shù)學(xué)形式和驚人的預(yù)言能力讓每一個行家里手都為之折服。廣義相對論開辟了現(xiàn)代宇宙學(xué)的研究，將從古至今許多哲學(xué)問題納入了科學(xué)的麾下。其中一個問題就是，宇宙到底有多大？
　　這里說的宇宙大小，并不只是半徑 460 億光年的可見范圍，而是包括之外可能存在的空間區(qū)域。如果宇宙空間擁有正的曲率，就像 2 維的球面一樣，雖然沒有邊界，但是范圍有限，那我們在可見范圍之外找到宇宙副本的可能性就不會太高。如果宇宙空間擁有負(fù)的曲率，像 2 維的馬鞍面一樣朝四面八方無限延伸，前景就廣闊許多。20 世紀(jì)末到本世紀(jì)初，科學(xué)家用地面、空中和太空的各個望遠鏡測量了宇宙的微波背景輻射，從中得到的信息卻是第三種情況：宇宙空間的曲率等于 0。這就意味著宇宙的空間可能就像一張 2 維平面，無邊無際。
各向同性均勻的空間的曲率有 3 種取值，一種是像球面一樣的正曲率，一種是像馬鞍面一樣的負(fù)曲率，一種是像平面一樣的零曲率。圖片來源：作者提供
　　碎布縫綴百衲被
　　對于尋找宇宙副本來說，這是個好消息。設(shè)想一個非常大（或無窮大）的空間，我們?nèi)藶榈卦谄渲兄饌€畫出互不重疊的半徑為 460 億光年的區(qū)域。這些區(qū)域都可以看作一個個獨立演化的宇宙，因為它們中心之間的距離非常遠，在有限的壽命中來不及相互影響。
　　這種情景就像一塊塊碎布被縫在一起。如果每一塊碎布的大小和年齡有限，所包含的物質(zhì)和物質(zhì)排列組合的方式和我們的宇宙一樣多，而物質(zhì)的排列方式都是隨機的話，那么宇宙的 " 無限猴子定理 " 就唾手可得。如果碎布的數(shù)量大于碎布中粒子的排列組合方式數(shù)目，我們就必然會找到兩塊一模一樣的碎布。如果碎布的數(shù)量趨于無窮，我們宇宙就必然存在完全相同的副本。就像經(jīng)過拷貝的電腦數(shù)據(jù)，兩個區(qū)域的每個細(xì)節(jié)都一模一樣，而且這樣的區(qū)域可能有無窮多個。
碎布縫制（patchwork quilt）的原始含義，如果把每個格子想象成球形的空間，我們就得到了許多相互獨立的宇宙。圖片來源：cottonpatch.net
　　這樣的宇宙區(qū)域必然相隔很遠，至少要比 460 億光年遠得多。因此，如果其中存在一個跟我們完全相同的宇宙，要想與之發(fā)生聯(lián)系一定非常困難。據(jù)科學(xué)家估算，我們要從地球走出 10^ ( 10^122 ) 米，才有 50% 的幾率見到一個與我們完全相同的區(qū)域。因此，雖然宇宙之外可能還有宇宙，甚至是與我們完全相同的宇宙，但彼此之前沒有建立聯(lián)系。這可以說是 " 平行 " 的另一個含義——它們就像一組平行線，沒有交集。
　　如果這樣的區(qū)域有無窮多個，結(jié)論就會更加驚人。例如一件事發(fā)生的概率趨近于 0（但一定比 0 大），用這個概率乘以無窮多之后，就會得出這樣的事情已經(jīng)在宇宙中發(fā)生了無窮多次。于是，在宇宙的其他角落可能分布著無數(shù)個你的 " 副本 "（或者說你也是副本之一）。其中有的副本已經(jīng)看懂了這篇文章，有的副本仍然懵懵懂懂。有的副本已經(jīng)意識到了存在無窮多副本的可能性，有的副本仍然以為自己是獨一無二的。有的副本開始重新思考人生的意義，有的副本則付之一笑 ……
　　劍橋大學(xué)宇宙學(xué)家約翰 ?? 巴羅在《The Book of Universes》一書中，將這樣的場景戲稱為 " 不含原創(chuàng)事物的宇宙 "。因為，所有正在發(fā)生的事情之前都可能在宇宙的其他角落發(fā)生過無窮多次。于是，無論什么新事物新思想，從平行宇宙的角度來看都毫無新鮮感。就連平行宇宙理論本身也成了過時之物。
　　" 碎布縫綴 " 的多重宇宙是所有多重宇宙理論中，引入的額外假設(shè)最少，最有可能成為現(xiàn)實的一個。除此之外，還有一些更加匪夷所思的平行宇宙理論——但那就是下一期的話題了。（編輯：Ent）