多重宇宙和多元宇宙

　　不是多元宇宙显得诡异，而是我们需要更新自己的时空观念。

　　《弗拉马利翁木刻》这幅图像的名字也许你没怎么听说过，可是这幅画你一定见到过许多次了。它描绘的是一个旅行者，身着斗篷，拄着拐杖，身后是城镇及树木的不同场景，周围有透明的外壳，上面点缀着无数星星。靠近那个世界的边缘，旅行者钻入另一边，那是一个令人眼花缭乱的全新世界，充满了光、虹与火。

　　这幅画是法国天文学家卡米伊·弗拉马利翁1888年出版的一本书中的插图，原作是黑白画，现在彩图到处可见。他注意到，天空看上去是个圆顶，上面缀满了天体，可是印象往往能蒙骗人。弗拉马利翁这样写道：“在我们祖先的想象中，这个蓝色的穹顶就是眼睛引领他们去相信的东西;可是，正如伏尔泰所说的那样，蚕作茧是由于受宇宙的限制。”

　　这幅木刻被人们看作是人类寻求知识的象征，但是我还是想从画面上的内容去理解，与弗拉马利翁的意图相同。在科学史上，我们经常在已知世界的边缘发现一个缝隙，然后就钻过去。这个宇宙并非终止于土星的轨道，也不是在银河系最外缘的那些星球处停止，我们视力所及的最遥远的星团还不是其尽头。今天，宇宙学家认为其他所有的宇宙就在那里。

　　但是，与量子力学所能揭示的内容相比，这几乎是司空见惯的事了。这不仅仅是这个圆顶上的一个缝隙，还是一种新的突破口。物理学家和哲学家很久以来一直在争论量子理论的意义，可是不知出于什么原因，他们都认为量子理论揭示了我们的感觉无法企及的一个广阔空间。也许这个原理最纯粹的化身—量子理论方程式最直截了当的解读—就是休·埃弗雷特于20世纪50年代提出的多个世界的观点。按照这种观点，凡是能发生的事实际上已经在其他宇宙的某个方位发生了，量子理论的概率代表着产生某种结果的宇宙的相对数量。南加州大学物理哲学家大卫·华莱士在其2012年的著作《新兴的宇宙》一书中这样写道：“从量子力学的字面意义上来说，这个世界比我们预期的要大得多。的确，我们经典意义上的‘世界’只是一个更大的现实当中的很小一部　分。”

　　这一系列的宇宙乍一看与宇宙学家讨论的宇宙截然不同。宇宙学视野中的宇宙尺度比星系大，其模型是用来解释宇宙的统一性的。推测的平行宇宙在时空不同的遥远区域，属于当地量子泡沫或其他什么东西演变的大爆炸的结果，大约就像星团一样存在于那遥远的空间，你可以想象乘坐星际飞船飞到它们那里去。

　　相比之下，埃弗雷特的多个世界就在我们这里。他的这个概念是在试图理解实验室测量过程时产生的。量子在云室里留下痕迹，原子受磁性扭曲，热物体放光—就是这类触手可及的实验催生了对量子理论以及一致解释的探求，测量过程中发生的量子“分支”引发了与我们的生活空间重叠的新世界。

　　然而，这两种多元宇宙有共同之处。我们可以通过想象去往其中的任何一个宇宙。设想你乘坐星际飞船到达另一泡沫宇宙，间隔的空间会膨胀得很快，快到让你无法跨越，因此泡沫宇宙就被相互隔离。同理，我们的天性就是对量子多元宇宙中的其他宇宙一无所知。这些其他宇宙虽然是真实存在的，可是我们永远都看不到。

　　而且，虽然量子多元宇宙不是为宇宙学创立的，但是它很适合宇宙学。常规的量子力学(尼尔斯·玻尔及其同事赞成的哥本哈根观)必须区别观察者和被观察的对象，对标准的实验物理学来说这挺好。观察者是你，实验是你正在观察的东西。可是，如果接受调查研究的目标是整个宇宙呢?你无法身处这个宇宙之“外”对其进行测量。多个世界的解释没有这样的人为区别。加州理工学院的物理学家肖恩·卡罗尔及其研究生詹森·波拉克和金伯莉·博迪在最新的一篇论文中，把多个世界的解释直接运用于宇宙学多元宇宙的宇宙创造，他说：“(在埃弗雷特看来)原来在常规量子力学中非常空泛的所有一切基本上都能够计算。”

　　最后，这两种多元宇宙对我们的观察做出了相同的预测，唯一的不同之处是：它们将可能的结果置于不同方位。卡罗尔发现，“宇宙学的多元宇宙(不同状态处于相去甚远的时空方位)等同于一个本地化的多元宇宙(不同状态都在一处，只是处于波动函数的不同分支)。”

　　麻省理工学院的宇宙学家马克斯·泰格马克在2002年的一次讲座中，曾对这个概念进行过具体化描述，在此基础之上，2014年他出版了《我们的数学宇宙》一书，描述了几个“层面”的宇宙。层面Ⅰ指的就是我们自己这个宇宙非常遥远的区域，层面Ⅲ是量子的多个世界。(他还提出了层面Ⅱ与层面Ⅳ，此处不讨论。)要看层面Ⅰ与层面Ⅲ之间的相似性，就得考虑概念的性质。如果某个事物会有两种不同的结果，你只能看到其中之一，但是你能肯定另一种结果也已发生，或者是在一个巨大宇宙的某个方位，或者是在当下的一个平行宇宙中。如果有足够大的空间，其中充满着物质，在地球这里发生的事件也会在其他什么地方发生;有多少种变体，就会在多少不同的方位发生。

　　量子事件之所以不确定，是因为我们对自己所处的方位还不确定。

　　比如说，你在做一项实验：将一个原子投向一对磁体，看见这个原子转向较低或较高的磁体的概率各半。从多个世界观的角度来看，你的实驗室里有两个交叠的世界，在其中的一个世界里，原子向上，在另一个世界里，原子向下。在宇宙学的多元宇宙中还有其他宇宙(或者我们这个宇宙的部分)，在这种宇宙模型中形成了一对完全相同的地球，一个类人生物在进行着相同的磁性实验，但是得到不同的结果。从数学的角度来说，这两种情况是等同的。

　　多元宇宙的观点不是人人都能接受的。这些概念仍然属于试探性的，以此为背景，让我们看一看会是个什么情况。实际上，这两种多元宇宙可能不存在什么区别，这种多个世界的观念可能与宇宙学的多元宇宙观相同。如果看上去不同，那是因为我们对现实的思考方法不一致。

　　斯坦福大学的物理学家列奥纳德·苏士侃在他2005年出版的《宇宙景观》一书中提出这种等同性。他写道：“埃弗雷特的多个世界观起先看上去是一个与永恒膨胀的超大宇宙不同的概念;然而，我认为这两种观点实际上可能是一回事。”2011年， 他与加州大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·布索合撰了一篇论文，指出这两者是一回事。他们认为，要想搞清楚与量子力学相关的概率以及胶散现象，唯一的方法就是将多个世界的图景运用于宇宙学。他们声称，以此得出的自然结果就是一个宇宙学意义上的多元宇宙。同一年，加州大学伯克利分校的野村康泽也发表了一篇论文，认为自己的研究“是对量子测量过程和多元宇宙的完全一致的处理”。泰德马克与加州大学圣克鲁兹分校的安东尼·阿吉雷2012年合著的一篇论文也沿着类似的思路进行讨论，认为量子多个世界不在地球这里，而在外层空间;量子波动函数不描述“某些想象的时髦玩意儿，推测目标物可能在哪里，而是描述存在于我们这个无尽空间的目标相同的副本的现实空间集合”。

　　布索解释说，关键在于认真思考你的视角。设想以上帝的视角来看多元宇宙，你会看到所有的可能性同时展现。没有或然性，一切都肯定在某个方位发生。但是，从我们自己有限的视角出发，扎根于地球这颗行星，不同的事件就会展现不同的可能性。他说：“我们换一个全球的图景，所有事件都在某个地方发生了，可是没人能够全部看到;如果从局部看，你紧盯着一小块，基本上能够探索得到。”

　　将视线从全球转向区域，我们必须将宇宙切分，原先无法测量的现在就不再成为问题。布索把能够测量的部分称为我们的“因果补丁”， 这是将会影响我们的所有因素的总和，不只是今天能够观察得到的宇宙，而且还有我们子子孙孙将会到达的空间区域。在心理上把我们的因果补丁从时空的其余部分切分，就能想出我们能够进行怎样的观察，其结果就是老掉牙的量子力学。

　　从这个视角出发，之所以量子事件不确定，是因为我们对自己在这个多元宇宙中所处位置不够确定所致。无尽的空间有无数造物看上去跟你很像，行为也很像，各个方面都很像。《纽约客》有一个经典的卡通画正中其要害：我们看见一群嘎嘎叫的企鹅，长得一模一样，聚集在一大块冰上。其中的一只企鹅问：“咱们当中的哪一位是我?”

　　这只可怜的企鹅可能蛮希望参考附近的浮冰画个三角形，找出自己所处的位置，可是在多元宇宙中我们没有这样的参照点，所以我们永远也无法区别我们多元的自我。牛津大学的物理学家大卫·多伊奇跟卡罗尔和泰德马克一样，坚定地支持多个世界之说，他在《现实的构造》一书中写道：“假设要问哪个相同的副本是我在物理学上有意义，就意味着假设在多元宇宙之外还有某

　　种参考框架，参照这个框架就能给出答案。‘我是左起的第三位……’可是是在什么的‘左侧’，‘第三’指的是什么?”没有“多元宇宙之外的视角”。

　　平行宇宙不在外层空间，而在我们自己时间轴的某处。

　　泰德马克认为，量子力学里的概率这个概念，其根本就是反映了“你不能在层次Ⅰ多元宇宙中给自己定位，即不知道你在整个空间无限多个拷贝当中哪一个拥有自己的主观认识”。换句话说，事件似乎具有或然性，因为你根本不大可能确定哪个你是你。因为无法确定一项实验会以什么方式展现，这项实验可以所有方式展现;你简直不能确定哪个“你”将观察到哪一种结果。

　　对布索来说，这个方法在数学上已相当成功，他不肯再去绞尽脑汁地思考如何解释这些合并的多元宇宙更深层次的意义。他说：“归根结底，唯一最重要的事情是你的理论能预测到什么，与观测结果相比如何;超出我们宇宙学视野的区域是观察不到的，仍然无法了结的波动函数的分支也一样。无论如何，这都只是我们用来计算的工具而已。”

　　可是，这样一种工具主义的物理理论观对许多人来说并不令人满意。我们仍然想知道这都意味着什么—实验室里刻度盘上的一个读数会暴露无数个时空泡沫的存在。纽约州立大学的科学哲学家马西莫·皮格留希说：“如果你是在讨论宇宙如何分裂，那么你最好给我解释清楚到底是怎么一回事，而且发生在那些其他世界的什么具体方位。”

　　要想搞清楚多元宇宙种群之间的关系，我们常规的时空观也许需要更新。如果多元宇宙既在外层空间那里也在我们的地球这里，也许就意味着我们“这里”和“那里”的范畴帮不了我们什么忙。

　　近20年前，多伊奇在《现实的构造》一书中提出，理解多元宇宙需要一种新的时间概念。在日常生活中，甚至在物理学中，我们把牛顿时间永动这样的概念预设为先决条件，多元宇宙通常被描述为时间上展现的一种结构。实际上，时间并不流动，我们也不是以某种神秘的方式穿过时间。时间是我们用来界定运动的手段，它本身是无法动的。所以，多元宇宙不演变，而是仅仅存在。多伊奇这样写道：“多元宇宙没有‘出生’或‘死亡’，这些术语是以时间流动作为先决条件的。”

　　多伊奇认为多元宇宙不在时间内完结，而是时间在多元宇宙内完结。他说，其他时间只是其他宇宙的特例。(独立研究者、物理学家朱利安·巴伯尔在他1999年出版的《时间的终结》一书中也探讨了这个观念。)多伊奇说，有些这样的其他宇宙与我们自己“现在” 这个宇宙极其近似，所以我们是在按照我们这个宇宙的一部分来讲这个故事，而不是将其视为与我们分离的独立宇宙来处理。对我们来说，这些宇宙不在外层空间那里，而是在我们的时间轴上。正如我们无法一下子体验整个多元宇宙一样，我们无法立马体验时刻无尽的排列组合。我们的经验反映了我们的视角是内涵式的观察者，居住在单个时刻之中。在从全局到局部的观念转变中，我们恢复了时间熟悉的外部标志。

　　一个体系也许不仅仅存在于一个单一的空间，而是同时存在于多个空间，我们管这个体系叫多元宇宙。

　　多元宇宙或许也改变了我们的空间概念。卡罗尔问：“这个世界看上去为什么那么经典?为什么有时空四个维度?”他在博客里讨论合并宇宙问题，承认埃弗雷特没有回答那些问题，“但是给了你一个框架让你来问这些问题”。

　　他及其他人相信空间不是根本现象，而是一种浮现的现象。可是它是从哪里浮现的呢?实际上存在的是什么种类的“东西”?对卡罗尔来说，埃弗雷特图景为这个问题提供了一个极其简单的答案。他说：“这个世界是个波动函数，是希尔伯特空间元素，就这么回事。”

　　希尔伯特空间是与量子波动函数相关的数学空间，是对一个系统所有可能状态的抽象表述，有点儿像欧几里得正则空间，但是有一个维度变量，这个变量取决于该系统允许有多少状态。一个量子位(量子计算机里的基本数据，可以是0或1，或者是0和1的某种结合)有二维希尔伯特空间，像位置或速度这样的连续量与无限维希尔伯特空间相符。

　　通常，物理學家从现实空间体系入手推断其希尔伯特空间，但是卡罗尔认为这个过程可以倒过来。想象宇宙所有可能的状态，推测该体系会在哪类空间存在(如果会在空间存在的话)。该体系不会存在于某个单一的空间，而是同时存在于多个空间，我们将其称为多元宇宙。卡罗尔说，这个观点“正合时空浮现的观念，天衣无缝。”

　　有些人，尤其是哲学家，对这个方法持回避态度。希尔伯特空间也许是一个完全合法的数学工具，但是这并不意味着我们就生活在其中。对多个世界观持强烈支持态度的华莱士说，希尔伯特空间并非实际存在的结构，而是一种方式，用来描述现实物理素材，弦也罢，粒子也罢，场也罢，或者最终构造宇宙的任何东西。他说：“我们生存在希尔伯特空间有一种比喻的味道，但也许不是实际存在。”

　　休· 埃弗雷特没能来得及目睹他这个版本的量子力学复兴。1982年他死于心脏病，年仅51岁。他是一位坚定的无神论者，确信最终会这样。他的妻子遵照他的遗愿将他的骨灰当垃圾倒掉。然而，他的信息最终会生根发芽，可以概括为8个字：把量子力学当回事。如果我们照着去做，就会发现这个世界的确比我们想象的要大而且丰富。奇了!就像伏尔泰的蚕只看见自己的茧一样，我们只看见多元宇宙的一角。可是多亏埃弗雷特及其追随者，我们也会从“天地相接”的那个水晶壳的缝隙里钻过去，瞧一瞧下那边有些什么。