摘要：它直接源于著名的、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。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范圍。但下一層多重宇宙卻就在你我身邊。...

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范圍。但下一層多重宇宙卻就在你我身邊。它直接源于著名的、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(jié)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(tài)，骰子在不同的宇宙中停在不同的點數(shù)。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(xiàn)象方面的成功掀起了物理學革命。在原子領域下，物質(zhì)運動不再遵守經(jīng)典的牛頓力學規(guī)律。在量子理論解釋它們?nèi)〉貌毮砍晒Φ耐瑫r卻引發(fā)了爆炸性激烈的爭論。它到底意味著什么？量子理論指出宇宙并不像經(jīng)典理論描述的那樣，決定宇宙狀態(tài)的是所有粒子的位置和速度，而是一種叫作波函數(shù)的數(shù)學對象。根據(jù)薛定鄂方程，該狀態(tài)按照數(shù)學家稱之為“統(tǒng)一性”的方式隨時間演化，意味著波函數(shù)在一個被稱為“希爾伯特空間”的無窮維度空間中演化。盡管多數(shù)時候量子力學被描述成隨機和不確定，波函數(shù)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數(shù)與我們觀測到的東西聯(lián)系起來。許多合理的波函數(shù)都導致看似荒謬不合邏輯的狀態(tài)，比如那只在所謂的量子疊加下同時處于死和活兩種狀態(tài)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，波函數(shù)立即“坍塌”成經(jīng)典理論中的某種確定狀態(tài)。這個附加假設能夠解決觀測發(fā)現(xiàn)的問題，然而卻把原本優(yōu)雅和諧統(tǒng)一的理論變得七拼八湊，失去統(tǒng)一性。隨機性的本質(zhì)通常歸咎于量子力學本身就是這些不順眼假設的結(jié)果。

許多年過去了，物理學家們逐漸拋棄了這種假設，轉(zhuǎn)而開始接受普林斯頓大學畢業(yè)生Hugh Everett在1957年提出的一種觀點。他指出“波函數(shù)坍塌”的假設完全是多余的。純粹的量子理論實際上并不產(chǎn)生任何矛盾。它預示著這樣一種情形：一個現(xiàn)實狀態(tài)會逐漸分裂成許多重疊的現(xiàn)實狀態(tài)，觀測者在分裂過程中的主觀體驗僅僅是經(jīng)歷完成了一個可能性恰好等于以前“波函數(shù)坍塌假設結(jié)果”的輕微的隨機事件。這種重疊的傳統(tǒng)世界就是第三層多重宇宙。

四十多年來，物理界為是否接受Everett的平行世界猶豫不決，數(shù)度反復。但如果我們將之區(qū)分成不同視點分別來看待，就會更容易理解。研究它數(shù)學方程的物理學家們站在外部的視點，好像飛在空中的鳥審視地面；而生活在方程所描述世界里的觀測者則站在內(nèi)部的視點，就好比被鳥俯瞰的一只青蛙。

在鳥看來，整個第三層多重宇宙非常簡單。只用一個平滑演化的、確定的波函數(shù)就能就能描繪它而不引發(fā)任何分裂或平行。被這個演化的波函數(shù)描繪的抽象量子世界內(nèi)部卻包含了大量平行的經(jīng)典世界。它們一刻不停的分裂、合并，如同經(jīng)典理論無法描述的一堆量子現(xiàn)象。在青蛙看來，觀察者感知的只有全部真相的一小部分。它們能觀測到自己所在那個第一層宇宙，但是一種模仿波函數(shù)坍塌效果而又保留統(tǒng)一性、被稱為“去相干”的作用卻阻礙他們觀測到與之平行的其他宇宙。

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復合的結(jié)果，諸如“繼續(xù)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(xù)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(jīng)歷了個輕微的隨機事件。他們只知道“自己”做了什么決定，而不知道同時還有一個“他”做了不同的決定。

盡管聽起來很奇怪，這種事情同樣發(fā)生在前面講過的第一層多重宇宙中。顯然，你剛作出了“繼續(xù)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后就放下了雜志。第一層宇宙和第三層宇宙唯一的區(qū)別就是“另一個你”身處何處。第一層宇宙中，他位于距你很遠之處－－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于一個至關重要的假設：波函數(shù)隨時間演化的統(tǒng)一。所幸迄今為止的實驗都不曾與統(tǒng)一性假設背離。在過去幾十年里我們在各種更大的系統(tǒng)中證實了統(tǒng)一性的存在：包括碳-60布基球和長達數(shù)公里的光纖中。理論反面，統(tǒng)一性也被“去相干”作用的發(fā)現(xiàn)所支持。只有一些量子引力方面的理論物理學家對統(tǒng)一性提出置疑，其中一個觀點是蒸發(fā)中的黑洞有可能破壞統(tǒng)一性，應該是個非統(tǒng)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(tǒng)一性，黑洞并不抹消信息，而是把它們傳送到了別處。

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如果物理學是統(tǒng)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。它們并非隨機產(chǎn)生某個初始條件，而是產(chǎn)生重疊在一起的所有可能的初始條件，同時存在。然后，“去相干”作用保證它們在各自的量子分支里像傳統(tǒng)理論那樣演化下去。這就是關鍵之處：一個哈勃體積內(nèi)不同量子分支（即第三層多重宇宙）演化出的分布結(jié)果與不同哈勃體積內(nèi)同一個量子分支（即第一層多重宇宙）演化出的分布結(jié)果是毫無區(qū)別的。量子波動的該性質(zhì)在統(tǒng)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。破壞對稱性的過程并不只產(chǎn)生一個獨一無二的結(jié)果，而是所有可能結(jié)果的疊加。這些結(jié)果之后按自己的方向發(fā)展。因此如果在第三層多重宇宙的量子分支中物理常數(shù)、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，第三層多重宇宙并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(qū)分的復制品罷了－－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(fā)現(xiàn)它和其他爭議較少的理論實質(zhì)相同之后銷聲匿跡了。

毫無疑問，這種聯(lián)系是相當深層次的，物理學家們的研究也才處于剛剛起步階段。例如，考察那個長久以來的問題：隨著時間流逝，宇宙的數(shù)目會以指數(shù)方式暴漲嗎？答案是令人驚訝的“不”。在鳥看來，全部世界就是由單個波函數(shù)描述的東西；在青蛙看來，宇宙?zhèn)€數(shù)不會超過特定時刻所有可區(qū)別狀態(tài)的總數(shù)－－也即是包含不同狀態(tài)的哈勃體積的總數(shù)。諸如行星運動到新位置、和某人結(jié)婚或是別的什么，這些都是新狀態(tài)。在10^8開溫度以下，這些量子狀態(tài)的總數(shù)大約是10^(10^118)個，即最多這么多個平行宇宙。這是個龐大的數(shù)目，卻很有限。

從青蛙的視點看，波函數(shù)的演化相當于從這10^(10^118)個宇宙中的一個跳到另一個?，F(xiàn)在你正處在宇宙A－－此時此刻你正在讀這句話的宇宙里。現(xiàn)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(tài)存在于每一個瞬間。因此“時間流逝”很可能就是這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)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，而后被牛津大學的物理學家David Deutsch和自由物理學家Julian Barbour等人發(fā)展開來。

第四層次：其他數(shù)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(shù)可能各不相同，但支配自然的基礎法則是相同的。為什么要到此為止？為何不讓這些基礎法則也多樣化？來個只遵守經(jīng)典物理定律，讓量子效應見鬼去的宇宙如何？想象一個時間像計算機一樣一段一段離散地流逝，而非現(xiàn)在那樣連續(xù)地流逝的宇宙？再想象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(tài)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(xiàn)物理位置、屬性或者量子狀態(tài)，還可能是基本物理規(guī)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。

為什么說上述的多重宇宙并非無稽之談？理由之一就是抽象推理和實際觀測結(jié)果間存在著密不可分的聯(lián)系。數(shù)學方程式，或者更一般地，數(shù)字、矢量、幾何圖形等數(shù)學結(jié)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(shù)學對自然科學的幫助大得神乎其神？”反言之，數(shù)學對它們（自然科學）有著可怕的真實感。數(shù)學結(jié)構能成為基于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(shù)學定理成立的話，不管一個人，一臺計算機還是一只高智力的海豚都同樣認為它成立。即便外星文明也會發(fā)現(xiàn)和我們一摸一樣的數(shù)學界構。從而，數(shù)學家們向來認為是他們“發(fā)現(xiàn)”了某種數(shù)學結(jié)構，而不是“發(fā)明”了它。

關于如何理解數(shù)學與物理之間的關系，有兩個長存已久并且完全對立的模型。兩種分歧的形成要追溯到柏拉圖和亞里斯多德?！皝喞锼苟嗟隆蹦Ｐ驼J為，物理現(xiàn)實才是世界的本源，而數(shù)學工具僅僅是一種有用的、對物理現(xiàn)實的近似?！鞍乩瓐D”模型認為，純粹的數(shù)學結(jié)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(shù)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(guī)律？“亞里斯多德”模型傾向于前者，“柏拉圖”模型傾向于后者。

在我們很小很小，甚至尚未聽說過數(shù)學這個詞以前，我們都先天接受“亞里斯多德”模型。而“柏拉圖”模型則來自于后天體驗?，F(xiàn)代理論物理學家傾向于柏拉圖派，他們懷疑為何數(shù)學能如此完美的描述宇宙乃是因為宇宙生來就是數(shù)學性的。這樣，所有的物理都歸結(jié)于一個根本的數(shù)學問題：一個擁有無窮知識與資源的數(shù)學家理論上能從鳥視點計算出青蛙的視點－－也就是說，為任何一個有自我意識的觀測者計算出他所觀測的宇宙有些什么東西、它將發(fā)明何種語言來向它的同類描述它看到的一切。

宇宙的數(shù)學結(jié)構是抽象、永恒的實體，獨立于時空之外。如果把歷史比作一段錄像，數(shù)學結(jié)構不是其中一楨畫面，而是整個錄像帶。試設想一個由四處運動的點狀粒子構成的三維世界。在四維時空－－也就是鳥的視點－－看來，世界類似一鍋纏繞糾結(jié)的意大利面條。如果青蛙觀測到一個總是擁有恒定速率，方向的粒子，那么鳥就直接看到它的整個生命周期－－一根長長的、直直的面條。如果青蛙看到兩個相互圍繞旋轉(zhuǎn)的粒子，鳥就看到兩根以雙螺旋結(jié)構纏在一起的面條。對青蛙來說，整個世界以牛頓運動定律和引力定律為規(guī)則運作；而對鳥來說，世界被描繪成“意大利面條幾何學”－－一種數(shù)學結(jié)構。青蛙本人也僅是面條－－一大堆復雜到構成它們的粒子能存儲和處理信息的面條。我們的宇宙要比上述例子復雜的多，科學家們還沒有找到－－如果有的話－－那個能正確描述它的數(shù)學結(jié)構。

“柏拉圖”派模型帶來了一個新的問題，為何我們的宇宙是現(xiàn)在這個樣子。對“亞里斯多德”派來說，這個問題是沒有意義的：因為宇宙的物理本源就是我們觀測到的樣子。但“柏拉圖”派不僅無法回避它，反而會困惑為什么它不能是別的樣子。如果宇宙天生是數(shù)學性的，為什么它僅僅基于“那一個”數(shù)學結(jié)構？要知道數(shù)學結(jié)構是多種多樣的。似乎在真實的核心地帶有某種最基本的不公平存在。

作為解決該難題的一條路徑，我認為數(shù)學結(jié)構有著完全的對稱性：基于任何數(shù)學結(jié)構的宇宙都確實存在。每一個數(shù)學結(jié)構都有與之相關的平行宇宙。構成這個宇宙的基礎并不在該宇宙內(nèi)而是游離于時間和空間之外。大部分平行宇宙內(nèi)很可能不存在觀測者。這種假說可以看成是本質(zhì)上的柏拉圖主義，它斷言柏拉圖領域提及的數(shù)學結(jié)構或是圣荷西州立大學的數(shù)學家Rudy Rucker所謂的“精神領域(mindscape)”都存在對應的物理真實。它也類似于劍橋大學的宇宙學家John D. Barrow提到的“天空中的π”，或是哈佛大學的哲學家Robert Nozick提出的“多產(chǎn)性原理”，或是普林斯頓的哲學家David K. Lewis所謂的“形式現(xiàn)實主義”。第四層終于宣告了多重宇宙在層次上的終結(jié)，因為任何自相容的物理理論都能表達成某種數(shù)學結(jié)構。

第四層多重宇宙的假設作出了可驗證的預言。在第二個層次上，它包含了全體可能（全體數(shù)學結(jié)構）和選擇效應。數(shù)學家們還在繼續(xù)為這些數(shù)學結(jié)構分門別類，而他們最終應該發(fā)現(xiàn)，用來描繪我們世界的那個數(shù)學結(jié)構將會是所有符合我們觀測結(jié)果的結(jié)構中最簡單那個。類似地，我們將來的觀測結(jié)果將會是那些最簡單的、與過去觀測結(jié)相一致的東西；而過去的觀測結(jié)果也應該是最簡單的、與我們存在相符合的那些。

想要定量化這種“簡單”是個嚴峻的考驗，與之相關的研究才剛剛起步。但最具震撼性和令人鼓舞的是，對稱和恒定的數(shù)學結(jié)構力圖表現(xiàn)出的簡明與整潔也正是我們宇宙所展現(xiàn)的。數(shù)學結(jié)構趨向于越簡單越好，那些復雜的附加公理無疑破壞了簡潔。

奧卡姆如是說

以上便是我們所討論的平行宇宙理論，它分為由低到高四個層次，與我們熟知宇宙的差異也隨層次不同越來越大。這些差異可以來自不同的初始條件（第一層）；不同的物理常數(shù)、粒子種類和時空維數(shù)（第二層）；不同的物理規(guī)律（第四層）。有意思的是，第三層才是最近幾十年研究最火熱的東西，因為它本質(zhì)上沒有增添任何新的宇宙類型。

未來十年內(nèi)，發(fā)展迅猛的對宇宙微波背景和空間大尺度物質(zhì)分布的測量會進一步確定空間的準確曲率和拓撲結(jié)構，其結(jié)果將直接支持或駁倒第一層多重宇宙的假說。這些測量結(jié)果也會驗證“無序持續(xù)膨脹”理論，從而間接探測第二層多重宇宙。同時天體物理學與高能物理領域的巨大進展也將進一步闡明到底我們宇宙的哪些物理常數(shù)被“調(diào)節(jié)”過了，以此加強或削弱第二層多重宇宙的可信度。

如果當前研制量子計算機的大量努力成功的話，將為第三層平行宇宙提供更加深遠的證據(jù)。不僅如此，量子計算機的工作是在本質(zhì)上利用第三層多重宇宙的平行性。大量的試驗同時也在尋找違反統(tǒng)一性－－最終決定量子平行宇宙存在于否－－的證據(jù)。現(xiàn)代物理學在其面對的最重大挑戰(zhàn)－－將廣義相對論與量子場論統(tǒng)一起來－－中成功與失敗會改變對第四層多重宇宙的看法：最終會找到那個描述我們宇宙的數(shù)學結(jié)構，抑或是礙于數(shù)學的局限性而停止不前，最終放棄第四層次。

你是否該相信平行宇宙？主要爭論集中在：它們很浪費并且很奇怪。最首要的爭論是，平行宇宙似乎不遵循“奧卡姆的剃刀”原則，因為它假設永遠觀測不到的其他宇宙存在。為何老天爺如此浪費并沉醉于這些多到無窮無盡的不同世界？爭論充斥平行宇宙的每一個層次，為什么自然界偏偏要如此浪費？空間、物質(zhì)或原子－－毫無疑問地，僅第一層多重宇宙就已經(jīng)包含了無限的上述事物，誰在乎它多浪費點呢？關鍵是讓理論顯式地變得簡單。懷議論者擔心要描述所有不可見世界所需的信息量。

然而，一個整體集合往往要比集合中的單個元素簡單得多。該原理在描述算法的時候很常用。我們知道，一個非常簡短的計算機程序程序就能輸出異常龐大的信息量。舉例而言，考察整數(shù)集。哪個更簡單些，整數(shù)集還是其中某個特定整數(shù)？也許你會天真的覺得單個整數(shù)簡單些，但事實上整個整數(shù)集能用非常簡單的規(guī)則表達出來，寥寥幾行計算機程序就能產(chǎn)生它們；相反單個整數(shù)卻可能難以置信的大。因此，真正簡單的是整個集合。

同樣，愛因斯坦的整套引力場方程要比其中某個特定的要簡單。前者只需要很少幾個方程就能描述，而后者要求在某些超平面指定大量的初始數(shù)據(jù)。由此我們學到，當我們把注意力局限在全體元素的一小部分上，復雜性就會大大增加，也就失去了整個系統(tǒng)原本應有的對稱性和簡潔性。

從這種意義上說，更高層次的多重宇宙意味著更簡單。為了從我們居住的宇宙走向整個第一層多重宇宙，需要指定許多初始條件來消除彼此的差異；若是升級到第二層，需要指定一些物理常數(shù)；到了第四層則完全不用指定任何東西。多余的復雜性完全來自觀測者的主觀視點－－也就是青蛙的視點。從鳥的視點來講，多重宇宙要簡單的多。

而抱怨該理論太奇怪的人出發(fā)點多半來自審美上而非科學上。然而這種看法只有在亞里斯多德派中才有意義。我們期待著什么？當我們提出“現(xiàn)實的本源是什么”如此意義深遠的問題時，難道我們僅期待一個聽起來不那么奇怪的答案？進化賦予我們對日常生活中物理現(xiàn)象的直覺，然而它僅對我們遠古的祖先有用?，F(xiàn)在，當我們遨游于遠超日常物理的世界，我們應當預見到它們也許會很奇怪。

四層多重宇宙的共通特色是最簡潔與最優(yōu)雅的理論自然而然地包含著平行宇宙。要否認它們的存在，你必須復雜化你的理論，增加沒有觀測結(jié)果支持的過程和特殊的假定：無限的空間、波函數(shù)坍塌和天性不對稱。那么，哪個才是真正的浪費和不雅，許多宇宙還是許多規(guī)則？也許我們將逐漸習慣宇宙的奇妙而終將發(fā)現(xiàn)這種不可思議的奇妙正是它魅力的一部分。
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