平行宇宙的设定，具备科学基础吗

加来道雄

纵观历史，几乎在每个古代社会，人们都相信有其他层次的世界存在，有天神和幽灵的居所。现在，平行宇宙的概念成了理论物理学家辩论得最热烈的话题之一。在科学文献中，讨论得最激烈的有至少3种类型的平行宇宙：超空间或高维空间、多元宇宙、量子平行宇宙。

超空间或高维空间

有一种平行宇宙是物理学中历史最悠久的辩论对象——高维空间。我们生活在三维（长、宽、高）空间内，这是常识。无论我们在空间中怎样移动物体，所有的方位都可以用这种三维空间坐标表示。事实上，我们可以用这3个数字标出宇宙中任何物体的方位，从我们的鼻子尖到所有星系最遥远的角落。

那么第四维空间呢，则似乎有违常识。2000年来，任何敢谈论第四维度的数学家都要冒着被嘲讽的风险。然而，黎曼的一次著名演说就像一阵强烈的旋风，推翻了拥有2000年历史的古希腊几何学，建立了能够解释弯曲空间、高维世界的数学理论，至今我们仍然在使用它。

在历史上，物理学家一度认为四维空间不过是一种好奇心的产物。人们从来没有发现过有关高维空间存在的证据。

弦理论

在美剧《生活大爆炸》中，主角谢尔顿主攻的研究方向就是弦理论。如果你是《生活大爆炸》的忠实观众，你能不能解释出什么是弦理论呢？

超弦理论断定，电子和其他亚原子粒子不过是一根弦的不同振动形式，它像一根微型橡皮筋那样起作用。如果击打橡皮筋，那么它将以不同的方式振动，每种振动相当于一种不同的亚原子粒子。这样，超弦理论就解释了目前为止已经在我们的粒子加速器中发现的数百种亚原子粒子。爱因斯坦的理论事实上仅仅是弦的最低水平的振动之一。

弦理论被认为是一种“万有理论”，是传说中爱因斯坦在人生最后30年中感到困惑的理论。爱因斯坦想要一种单一的、全面的理论，概括所有物理定律。如果弦理论能正确统一广义相对论和量子理论，那么它或许就象征着自2000年前古希腊人提出物质由何组成的疑问以来，科学的最高成就。

但是，超弦理论的古怪特点在于，这些弦只能在特定的时空维度中颤动——它们只能在10维中振动，如果试图在其他维度中创造一种弦理论，那么它会在数学推演中崩溃。

高中时我们学到，当我们进入太空时，我们承受的地球引力会减小。更精确地说，引力的大小与距离的平方成反比。但这只是因为我们生活在一个三维世界中。如果宇宙有4个空间维度，那么，引力的大小就应当与距离的立方成正比。如果宇宙有n 个空间维度，那么引力应当以距离的n-1次幂减弱。牛顿著名的反平方定律经测试证明在天文距离下极为准确，那就是为什么我们能以惊人的精确度让空间探测器飞过土星的光环。

2008年，在瑞士日内瓦郊外，大型强子对撞机投入使用，用于寻找名叫“超粒子”的新型粒子，它是超弦的一种较高的振动形式（你在自己周围看到的一切都只是超弦的最低振动形式）。如果超粒子由大型强子对撞机发现，那它可能标志着一场我们看待宇宙方式的革命。在这样的宇宙中，标准模型仅仅代表超弦的最低振动形式。

美国理论物理学家、2017年诺贝尔物理学奖得主基普·索恩说：“到2020年，物理学家会理解量子引力的定律，会发现它是弦理论的一种变体。”

除了高维空间，弦理论还预测了其他平行宇宙，那就是“多元宇宙”。

多元宇宙

普林斯顿高级研究所的爱德华·威腾和剑桥大学的保罗·汤森推断，所有的5种弦理论其实是同一种弦理论——只要我们添加第11个维度。在第11维度中，可以存在一种新的、被称为“膜”的数学对象（比如一个球体的表面）。这里有一种惊人的发现：如果一个人从11维掉入10维，全部的5种弦理论都会出现，就从一层膜开始。因此，所有的5种弦理论都不过是将一层膜从11维时空移到10维时空。

為了把这个发现形象化，我们来想象一个中间缠着一条橡皮筋的沙滩排球：想象用一把剪刀把球一切为二， 一半在橡皮筋上，一半在橡皮筋下，此时，将沙滩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。以同样的方法，如果我们卷起第11维——一张膜所留下的，就只是它的中纬线，那是一根弦。

第11维给予了我们全新的图景。它还意味着或许宇宙本身就是一张膜，悬浮在一个11维时空中。并且，并非所有这些维度都必须很小。事实上，有些维度可能是无限大的。

这提出了我们的宇宙存在于一个其他的多元宇宙中的可能性。想象一大堆悬浮的肥皂泡，或者膜。每个肥皂泡代表一个悬浮在更大的11维超空间中的宇宙。这些肥皂泡可以与其他肥皂泡相互联合，或者破裂，甚至短暂出现又消失。我们可能仅仅生活在这些肥皂泡宇宙之一的表面上。

根据弦理论的预测，有多少宇宙？弦理论认为宇宙可能有成千上万个，个个符合广义相对论和量子理论。

一般来说，这些宇宙之间的交流是不可能的。我们身体的原子就像被捕蝇纸困住的苍蝇。我们能够在自己的膜宇宙的三维中任意行动，但是我们不能跳下宇宙进入超空间，因为我们被粘在了自己的宇宙里。但引力作为时空的弯曲可以自由地在宇宙间的空间里悬浮。有一种理论认为，暗物质（一种包围宇宙的不可见物质）或许是悬浮于一个平行宇宙中的普通物质。同样，有推测称，暗物质或许是一个悬浮于我们之上另一个膜宇宙中的普通星系。我们能够感觉到这个星系的引力，因为引力会慢慢在宇宙之间流动，但是另一个星系对我们而言是不可见的，因为光在星系下面移动。这样，这个星系将具有引力，但不可见，这符合对于暗物质的描述。

大多数平行宇宙可能已经死去，由无形的亚原子粒子（比如电子和中微子）气体组成。在这些宇宙中，质子或许是不稳定的，因此我们所知的一切物质都会慢慢衰变和融解。由原子和分子组成的复杂物质在许多这样的宇宙中或许不可能存在。其他平行宇宙可能恰恰相反，具有远远超出我们想象的复杂物质形式。它们可能并不只拥有一种由质子、中子和电子组成的原子，而是具有一系列令人眼花缭乱的其他稳定物质形态。

多元宇宙的理论具备一项对其有利的事实。当我们分析自然的常数时，我们发现它们被“调节”得非常精确，允许生命存在。如果增加核聚变的强度，恒星就会以过快的速度烧尽，无法让生命产生;如果降低核聚变的强度，那么恒星永远不会燃烧，生命无法存在。如果加强万有引力，那么我们的宇宙会在一场“大挤压”中快速死去;如果减弱万有引力，那么宇宙会膨胀到“大冻结”。事实上，大自然的常数中有大量“偶然”，允许了生命的存在。看起来，我们的宇宙存在于一个具有很多参数的宜居带上，所有的参数都被“微调”成适合生命生存的模式。正如弗里曼·戴森所说：“宇宙似乎知道我们即将到来。”

量子宇宙

“量子宇宙学”的概念最初似乎在名称上是自相矛盾的：量子理论涉及的是极小的原子世界，而宇宙学涉及的是整个宇宙。但想想这个：在大爆炸的那一刻，宇宙比1个电子还小，并且小得多。每一个物理学家都认同电子必须被量子化，即它们能存在于平行状态中。因此，如果电子必须被量子化，如果宇宙曾经小于1个电子，那么宇宙一定也存在于平行状态中——一种自然通往“多世界”的方式。

在量子宇宙学中，物理学家从一个薛定谔方程的模拟入手，它支配电子和原子的波函数。他们使用作用于宇宙波函数的惠勒- 德维特方程。通常，薛定谔波函数定义的是时间与空间中的每一点，因此你就可以计算在时间和空间的那一点找到电子的可能性。但是宇宙波函数定义的是所有可能存在的宇宙。如果宇宙波函数碰巧在定义某个特定宇宙时很大，就意味着那个宇宙很可能会是一个特殊的宇宙。

霍金推动了这一观点。他宣布，我们的宇宙是宇宙中特殊的存在。我们的宇宙波函数较大，其他大多数宇宙的波函数则接近于0。这样，在多元宇宙中存在其他宇宙的可能性虽然很小，但有限。事实上，霍金试图用这种方式得出膨胀率。在这幅景象中，一个膨胀的宇宙比不膨胀的宇宙更有可能存在，因此，我们的宇宙是膨胀的。

我们的宇宙来自时空泡沫的“虚无”，这一理论似乎完全无法验证，但它符合一些简单的观测结果。

第一，许多物理学家指出，我们宇宙中的正电荷总数和负电荷总数相抵刚好为0，这非常惊人，至少在实验的精确性之内是这样的。我们认为太空中的引力是主导力量，这是事实，但这不过是由于正负电荷正好相互抵消了。如果地球上的正负电荷之间有最微小的不平衡，那么它或许可以将地球撕裂，战胜将地球维持成一个整体的引力。要解释正负电荷之间的平衡有一个简单的方法：假设我们的宇宙来自“虚无”，并且“虚无”没有电荷。

第二，我们的宇宙的旋转为0。尽管数学家、逻辑学家和哲学家库尔特·哥德尔用了多年時间，试图通过累加各个星系的旋转来证明宇宙在旋转，但如今，天文学家相信，整个宇宙的旋转为0。如果宇宙出自“虚无”，那么这个现象就很容易解释了，因为“虚无”的旋转为0。

第三，我们的宇宙出自“虚无”有助于解释为什么宇宙的物质-能量内容总和如此之小，甚至可能是0。当我们将物质的正能量和与引力相关的负能量相加时，两者似乎完全相互抵消。根据广义相对论，如果宇宙是封闭的、有限的，那么宇宙的物质-能量总量应该刚好为0。

第四，当前，我们的科技远不足以证明这些平行宇宙的存在，但平行宇宙的存在不与物理定律相悖。