基本介紹
- 中文名：異次元空間論
- 介紹：廣義相對論的假設
- 出自：愛因斯坦
- 位置：時間與空間相交的點
平行宇宙定義,平行宇宙層次,第一層次：視界之外,第二層次：膨脹後留下的氣泡,第三層次：量子平行世界,第四層次：其他數學界構,
平行宇宙定義
是否有另一個你正在閱讀和本文完全一樣的一篇文章？那個傢伙並非你自己，卻生活在一個有著雲霧繚繞的高山、一望無際的原野、喧囂嘈雜的城市，和其它8顆行星一同圍繞一顆恆星旋轉，並且也叫做“地球”的行星上？他（她）一生的經歷和你每秒鐘都相同。然而也許她此刻正準備放下這篇文章而你卻打算看下去。
這種“分身”的想法聽起來奇怪而又難以置信，但似乎我們不得不接受它，因為它已為各種天文觀測的結果所支持。如今最流行同時也最簡單的宇宙模型指出，離我們大約10^(10^28)米外之處存在一個和我們的銀河一模一樣的星系，而那其中正有個一模一樣的你。雖然這距離大得超乎人們的想像，卻毫不影響你的“分身”存在的真實性。該想法最初起源於很簡單的“自然可能性”而非現代物理所假設：宇宙在尺寸上無限大（或者至少足夠大），並且象天文觀測指出的那樣－－均勻的分布著物質。既然如此，按照統計學規律便可以斷定，所有的事件（無論多么相似或者相同）都會發生無數次：會有無數個孕育人類的星球，它們之中會有和你一摸一樣的人－－一模一樣的長相、名字、記憶甚至和你一模一樣的動作、選擇－－這樣的人還不止一個，確切的說，是無窮多個。
最新的宇宙學觀測表明，平行宇宙的概念並非一種比喻。空間似乎是無限的。如果真是這樣，一切可能會發生的事情必然會發生，不管這些事有多荒唐。在比我們天文觀測能企及範圍遠得多的地方，有和我們一模一樣的宇宙。天文學家甚至計算出它們距地球的平均距離。
你很可能永遠見不到你的“影子”們。你能觀測到的最遠距離也就是自大爆炸以來光所行進的最遠距離：大約140億光年，即4X10^26米－－該距離為半徑的球體正好定義了我們可觀測視界的大小，或者簡單地說，宇宙的大小，又叫做哈勃體積。同樣的，另一個你所在的宇宙也是個同樣大小的球體。以上便是對“平行宇宙”最直觀的解釋。每個宇宙都是更大的“多重宇宙”的一小部分。
平行宇宙層次
對“宇宙”的如此定義，人們也許會認為這只是種形上學的方式罷了。然則物理學和形上學的區別在於該理論是否能通過實驗來測試，而不是它看起來是否怪異或者包含難以察覺的東西。多年來，物理學前沿不斷擴張，吸收融合了許多抽象的（甚至一度是形上學的）概念，比如球形的地球、看不見的電磁場、時間在高速下流動減慢、量子重疊、空間彎曲、黑洞等等。近幾年來“多重宇宙”的概念也加入了上面的名單，與先前一些經過檢驗的理論，如相對論和量子力學配合起來，並且至少達到了一個經驗主義科學理論的基本標準：作出預言。當然作出的論斷也可能是錯誤的。科學家們迄今討論過多達4種類型獨立的平行宇宙。現在關鍵的已不是多重宇宙是否存在的問題了，而是它們到底有多少個層次。
第一層次：視界之外
怎么樣，第一層多重宇宙的概念聽起來平平無奇？空間不都是無限的么？誰能想像某處插著塊牌子，上書“空間到此結束，當心下面的溝”？如果是這樣，每個人都會本能的置疑：盡頭的“外面”是什麼？實際上，愛因斯坦的重力場理論偏偏把我們的直覺變成了問題。空間有可能不是無限，只要它具有某種程度的彎曲或者並非我們直覺中的拓撲結構（即具有相互聯絡的結構）。
一個球形、炸面圈形或者圓號形的宇宙都可能大小有限，卻無邊界。對宇宙微波背景輻射的觀測可以用來測定這些假設。【見另一篇文章《宇宙是有限的嗎？》】然而，迄今為止的觀察結果似乎背逆了它們。無盡宇宙的模型才和觀測數據符合，外帶強烈的限制條件。
另一種可能是：空間本身無限，但所有物質被限制在我們周圍一個有限區域內－－曾經流行的“島狀宇宙”模型。該模型不同之處在於，在大尺度下物質分布會呈現分形圖案，而且會不斷耗散殆盡。這種情形下，第一層多重宇宙里的幾乎每個宇宙最終都將變得空空如也，陷入死寂。但是近期關於三維銀河分布與微波背景的觀測指出物質的組織方式在大尺度上呈現出某種模糊的均勻，在大於10^24米的尺度上便觀測不到清晰的細節了。假定這種模式延伸下去，我們可觀測宇宙以外的空間也將充滿行星、恆星和星系。
有資料支持空間延伸於可觀測宇宙之外的理論。WMAP衛星最近測量了微波背景輻射的波動(左圖)。最強烈的振幅超過了0.5開，暗示著空間非常之大，甚至可能無窮(中圖)。另外，WMAP和2dF星系紅移探測器發現在非常大的尺度下，空間均勻分布著物質
生活在第一層多重宇宙不同平行宇宙中的觀察者們將察覺到與我們相同的物理定律，但初始條件有所不同。根據當前理論，大爆炸早期的一瞬間物質按一定的隨機度被拋出，此過程包含了物質分布的一切可能性，每種可能性都不為0。宇宙學家們假定我們所在的當初有著近似均勻物質分布和初始波動狀態（100，000可能性中的一種）的宇宙，是一個相當典型的（至少在所有產生了觀察者的平行宇宙中很典型）個體。那么距你最近的和你一模一樣那個人將遠在10^(10^28)米之外；而在10^(10^92)米外才會有一個半徑100光年的區域，它裡面的一切與我們居住的空間絲毫不差，也就是說未來100年內我們世界所發生的每件事都會在該區域完全再現；而至少10^(10^118)米之外該區域才會增大到哈勃體積那么大，換句話說才會有一個和我們一模一樣的宇宙。
第一層多重宇宙的框架通常被用來評估現代宇宙學的理論，雖然該過程很少被清晰地表達。舉例來說，考察我們的宇宙學家如何通過微波背景來試圖得出“球形空間”的宇宙幾何圖。隨著空間曲率半徑的不同，那些“熱區域”和“冷區域”在宇宙微波背景圖上的大小會呈現某種特徵；而觀測到的區域表明曲率太小不足以形成球形的封閉空間。然而，保持統計學上的嚴格是非常重要的事。每個哈勃空間的這些區域的平均大小完全是隨機的。因此有可能是宇宙在愚弄我們－－並非空間曲率不足以形成封閉球形使得觀測到的區域偏小，而恰巧因為我們宇宙的平均區域天生就比別的來的小。所以當宇宙學家們信誓旦旦保證他們的球狀空間模型有99.9%可信度的時候，他們的真正意思是我們那個宇宙是如此地不合群，以至1000個哈勃體積之中才會出一個象那樣的。
這堂課的重點是：即使我們沒法觀測其他宇宙，多重宇宙理論依然可以被實踐驗證。關鍵在於預言第一層多重宇宙中各個平行宇宙的共性並指出其機率分布－－也就是數學家所謂的“度量”。我們的宇宙應當是那些“出現可能性最大的宇宙”中的一個。否則－－我們很不幸地生活在一個不大可能的宇宙中－－那么先前假設的理論就有大麻煩了。如我們接下來要討論的那樣，如何解決這度量上的問題將會變得相當有挑戰性。
第二層次：膨脹後留下的氣泡
如果第一層多重宇宙的概念不太好消化，那么試著想像下一個擁有無窮組第一層多重宇宙的結構：組與組之間相互獨立，甚至有著互不相同的時空維度和物理常量。這些組構成了第二層多重宇宙－－被稱為“無序的持續膨脹”的現代理論預言了它們。
“膨脹”作為大爆炸理論的必然延伸，與該理論的許多其他推論聯繫緊密。比如我們的宇宙為何如此之大而又如此的規整，光滑和平坦？答案是“空間經歷了一個快速的拉伸過程”，它不僅能解釋上面的問題，還能闡釋宇宙的許多其他屬性。【見《膨脹的宇宙》by Alan H. Guth and Paul J. Steinhard； Scientific American, May 1984； 《自我繁殖的膨脹宇宙》by Andrei Linde, November 1994 】“膨脹”理論不僅為基本粒子的許多理論所語言，而且被許多觀測證實。“無序的持續”指的是在最大尺度上的行為。作為一個整體的空間正在被拉伸並將永遠持續下去。然而某些特定區域卻停止拉神，由此產生了獨立的“氣泡”，好像膨脹的烤麵包內部的氣泡一樣。這種氣泡有無數個。它們每個都是第一層多重宇宙：在尺寸上無限而且充滿因能量場漲落而析出的物質。
我們生活在3+1維時空之中，對此我們並不特別意外。當描述自然的偏微分方程是橢圓或者超雙曲線方程時，也就是空間或者時間其中之一是0維或同時多維，對觀測者來說，宇宙不可能預測(紫色和綠色部分)。其餘情況下(雙曲線方程)，若n>3，原子無法穩定存在，n<3，複雜度太低以至於無法產生自我意識的觀測者(沒有引力，拓撲結構也成問題)。
由此，我們稱空間的對稱性被破壞了。量子波的不確定性會導致不同的氣泡在膨脹過程中以不同的方式破壞平衡。而結果將會千奇百怪。其中一些可能伸展成4維空間；另一些可能只形成兩代夸克而不是我們熟知的三代；還有些它們的宇宙基本物理常數可能比我們的宇宙大。
產生第二層多重宇宙的另一條路是經歷宇宙從創生到毀滅的完整周期。科學史上，該理論由一位叫Richard C的物理學家於二十世紀30年代提出，最近普林斯頓大學的Paul J. Steinhardt和劍橋大學的Neil Turok兩位科學家對此作了詳盡闡述。Steinhardt和Turok 提出了一個“次級三維膜”的模型，它與我們的空間相當接近，只是在更高維度上有一些平移。【see ‘Been There, Done That,‘ by George Musser； News Scan, Scientific American, March 2002】該平行宇宙並非真正意義上的獨立宇宙，但宇宙作為一個整體－－過去、現在和未來－－卻形成了多重宇宙，並且可以證明它包含的多樣性恰似無序膨脹宇宙所包含的。此外，沃特盧的物理學家Lee Smolin還提出了另一種與第二層多重宇宙有著相似多樣性的理論，該理論中宇宙通過黑洞創生和變異而非通過膜物理學。
儘管我們沒法與其他第二層多重宇宙之中的事物相互作用，宇宙學家仍能間接地指出它們的存在。因為他們的存在可以用來很好地解釋我們宇宙的偶然性。做一個類比：構想你走進一座旅館，發現了一個房間門牌號碼是1967，正是你出生那年。多么巧合呀，在那瞬間你驚嘆到。不過你隨即反應過來，這完全不算什麼巧合。整個旅館有成百上千的房間，其中有一個和你生日相同很正常。然而你若看見的是另一個與你毫無干係的數字，便不會引發上面的思考。這說明什麼問題呢？即便對旅館一無所知，你也可以用上面的方法來解釋很多偶然現象。
讓我們舉個更切題的例子：考察太陽的質量。太陽的質量決定它的光度（即輻射的總量）。通過基本物理運算我們可知只有當太陽的質量在1.6X10^30～2.4X10^30千克這么個狹窄範圍內，地球才可能適合生命居住。否則地球將比金星還熱，或者比火星還冷。而太陽的質量正好是2.0X10^30千克。乍看之下，太陽質量是種驚人的幸運與巧合。絕大多數恆星的質量隨機分布於10^29～10^32千克的巨大範圍內，因此若太陽出生時也隨機決定質量的話，落在合適範圍的機會將微乎其微。然而有了旅館的經驗，我們便明白這種表面的偶然實為大系統中（在這個例子裡是許多太陽系）的必然選擇結果（因為我們在這裡，所以太陽的質量不得不如此）。這種與觀測者密切相關的選擇稱為“人擇原理”。雖然可想而知它引發過多么大的爭論，物理學家們還是廣泛接收了這一事實：驗證基礎理論的時候無法忽略這種選擇效應。
雖然“宇宙到底被調節得多好”尚無定論，但上面舉的每一個例子都暗示著存在許許多多包含每一種可能的調節狀態的平行宇宙。【see ‘Exploring Our Universe and Others,‘ by Martin Rees； Scientific American, December 1999】第二層多重宇宙預示著物理學家們不可能測定那些常數的理論值。他們只能計算出期望值的機率分布，在選擇效應納入考慮之後。
第三層次：量子平行世界
第一層和第二層多重宇宙預示的平行世界相隔如此之遙遠，超出了天文學家企及的範圍。但下一層多重宇宙卻就在你我身邊。它直接源於著名的、備受爭議的量子力學解釋－－任何隨機量子過程都導致宇宙分裂成多個，每種可能性一個。
量子平行宇宙。當你擲骰子，它看起會隨機得到一個特定的結果。然而量子力學指出，那一瞬間你實際上擲出了每一個狀態，骰子在不同的宇宙中停在不同的點數。其中一個宇宙里，你擲出了1，另一個宇宙里你擲出了2……。然而我們僅能看到全部真實的一小部分－－其中一個宇宙。
20世紀早些年，量子力學理論在解釋原子層面現象方面的成功掀起了物理學革命。在原子領域下，物質運動不再遵守經典的牛頓力學規律。在量子理論解釋它們取得矚目成功的同時卻引發了爆炸性激烈的爭論。它到底意味著什麼？量子理論指出宇宙並不像經典理論描述的那樣，決定宇宙狀態的是所有粒子的位置和速度，而是一種叫作波函式的數學對象。根據薛定鄂方程，該狀態按照數學家稱之為“統一性”的方式隨時間演化，意味著波函式在一個被稱為“希爾伯特空間”的無窮維度空間中演化。儘管多數時候量子力學被描述成隨機和不確定，波函式本身的演化方式卻是完全確定，沒有絲毫隨機性可言的。
關鍵問題是如何將波函式與我們觀測到的東西聯繫起來。許多合理的波函式都導致看似荒謬不合邏輯的狀態，比如那只在所謂的量子疊加下同時處於死和活兩種狀態的貓。為了解釋這種怪異情形，在20實際20年代，物理學家們做了一種假設：當有人試圖觀察時，波函式立即“坍塌”成經典理論中的某種確定狀態。這個附加假設能夠解決觀測發現的問題，然而卻把原本優雅和諧統一的理論變得七拼八湊，失去統一性。隨機性的本質通常歸咎於量子力學本身就是這些不順眼假設的結果。
許多年過去了，物理學家們逐漸拋棄了這種假設，轉而開始接受普林斯頓大學畢業生Hugh Everett在1957年提出的一種觀點。他指出“波函式坍塌”的假設完全是多餘的。純粹的量子理論實際上並不產生任何矛盾。它預示著這樣一種情形：一個現實狀態會逐漸分裂成許多重疊的現實狀態，觀測者在分裂過程中的主觀體驗僅僅是經歷完成了一個可能性恰好等於以前“波函式坍塌假設結果”的輕微的隨機事件。這種重疊的傳統世界就是第三層多重宇宙。
每當觀測者被問及一個問題、做一個決定或是回答一個問題，他大腦里的量子作用就導致複合的結果，諸如“繼續讀這篇文章”和“放棄閱讀本文”。在鳥看來，“作出決定”這個行為導致該人分裂成兩個，一個繼續讀文章而另一個做別的去了。而在青蛙看來，該人的兩個分身都沒有意識到彼此的存在，它們對剛才分裂的感知僅僅是經歷了個輕微的隨機事件。他們只知道“自己”做了什麼決定，而不知道同時還有一個“他”做了不同的決定。
儘管聽起來很奇怪，這種事情同樣發生在前面講過的第一層多重宇宙中。顯然，你剛作出了“繼續閱讀本文”的決定，然而在很遠很遠的另一個銀河系中的另一個你在讀過第一段之後就放下了雜誌。第一層宇宙和第三層宇宙唯一的區別就是“另一個你”身處何處。第一層宇宙中，他位於距你很遠之處－－通常維度空間概念上的“遠”。第三層宇宙中，你的分身住在另一個量子分支中，被一個維度無限的希爾伯特空間分隔開來。
第三層多重宇宙的存在基於一個至關重要的假設：波函式隨時間演化的統一。所幸迄今為止的實驗都不曾與統一性假設背離。在過去幾十年里我們在各種更大的系統中證實了統一性的存在：包括碳-60布基球和長達數公里的光纖中。理論反面，統一性也被“去相干”作用的發現所支持。【see ‘100 Years of Quantum Mysteries,‘ by Max Tegmark and John Archibald Wheeler； Scientific American, February 2001】只有一些量子引力方面的理論物理學家對統一性提出置疑，其中一個觀點是蒸發中的黑洞有可能破壞統一性，應該是個非統一性過程。但最近一項被叫做“AdS/CFT一致”的弦理論方面的研究成果暗示：量子引力領域也具有統一性，黑洞並不抹消信息，而是把它們傳送到了別處。
如果物理學是統一的，那么大爆炸早期量子波動是如何運作的那幅標準圖畫將不得不改寫。它們並非隨機產生某個初始條件，而是產生重疊在一起的所有可能的初始條件，同時存在。然後，“去相干”作用保證它們在各自的量子分支里像傳統理論那樣演化下去。這就是關鍵之處：一個哈勃體積內不同量子分支（即第三層多重宇宙）演化出的分布結果與不同哈勃體積內同一個量子分支（即第一層多重宇宙）演化出的分布結果是毫無區別的。量子波動的該性質在統計力學中被稱為“遍歷性”。
同樣的原理也可以適用在第二層多重宇宙。破壞對稱性的過程並不只產生一個獨一無二的結果，而是所有可能結果的疊加。這些結果之後按自己的方向發展。因此如果在第三層多重宇宙的量子分支中物理常數、時空維度等各不相同的話，那些第二層平行宇宙同樣也將各不相同。
換句話說，第三層多重宇宙並沒有在第一層和第二層上增加任何新東西，只是它們更加難以區分的複製品罷了－－同樣的老故事在不同量子分支的平行宇宙間一遍遍上演。對Everett理論一度激烈的懷疑便在大家發現它和其他爭議較少的理論實質相同之後銷聲匿跡了。
從青蛙的視點看，波函式的演化相當於從這10^(10^118)個宇宙中的一個跳到另一個。現在你正處在宇宙A－－此時此刻你正在讀這句話的宇宙里。現在你跳到宇宙B－－你正在閱讀另一句話那個宇宙里。宇宙B存在一個與宇宙A一摸一樣的觀測者，僅多了幾秒中額外記憶。全部可能狀態存在於每一個瞬間。因此“時間流逝”很可能就是這些狀態之間的轉換過程－－最初在Greg Egan在1994所著的科幻小說[Permutation City]中提出的想法，而後被牛津大學的物理學家David Deutsch和自由物理學家Julian Barbour等人發展開來。
第四層次：其他數學界構
雖然在第一、第二和第三層多重宇宙中初始條件、物理常數可能各不相同，但支配自然的基礎法則是相同的。為什麼要到此為止？為何不讓這些基礎法則也多樣化？來個只遵守經典物理定律，讓量子效應見鬼去的宇宙如何？想像一個時間像計算機一樣一段一段離散地流逝，而非現在那樣連續地流逝的宇宙？再想像一個簡單的空心十二面體宇宙？在第四層多重宇宙里，所有這些形態都存在。
平行宇宙的終極分類，第四層。包含了所有可能的宇宙。宇宙之間的差異不僅在表現物理位置、屬性或者量子狀態，還可能是基本物理規律。它們在理論上幾乎就是不能被觀測的，我們能做的只有抽象思考。該模型解決了物理學中的很多基礎問題。
為什麼說上述的多重宇宙並非無稽之談？理由之一就是抽象推理和實際觀測結果間存在著密不可分的聯繫。數學方程式，或者更一般地，數字、矢量、幾何圖形等數學結構能以難以置信的逼真程度描述我們的宇宙。1959年的一次著名講座上，物理學家Eugene P. Wigner闡述了“為何數學對自然科學的幫助大得神乎其神？”反言之，數學對它們（自然科學）有著可怕的真實感。數學結構能成為基於客觀事實的主要標準：不管誰學到的都是完全一樣的東西。如果一個數學定理成立的話，不管一個人，一台計算機還是一隻高智力的海豚都同樣認為它成立。即便外星文明也會發現和我們一摸一樣的數學界構。從而，數學家們向來認為是他們“發現”了某種數學結構，而不是“發明”了它。
關於如何理解數學與物理之間的關係，有兩個長存已久並且完全對立的模型。兩種分歧的形成要追溯到柏拉圖和亞里斯多德。“亞里斯多德”模型認為，物理現實才是世界的本源，而數學工具僅僅是一種有用的、對物理現實的近似。“柏拉圖”模型認為，純粹的數學結構才是真正的“真實”，所有的觀測者都只能對之作不完美的感知。換句話說，兩種模型的根本分歧是：哪一個才是基礎，物理還是數學？或者說站在青蛙視點的觀測者，還是站在鳥視點的物理規律？“亞里斯多德”模型傾向於前者，“柏拉圖”模型傾向於後者。
