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怎么证明多重宇宙存在,如果它不能靠实验和观测来验证?
关键词:多重宇宙 实验 观测 验证   来源:中国天文科普网  时间:2017-02-17

    中国一带一路网消息:来源:环球科学ScientificAmerican 微信公众号

    “你是怎样看待多重宇宙的呢?”吃饭前,在餐桌上,忽然有人问了我这个问题。它的出现使我措手不及——之前也有人问过我关于多重宇宙的问题,但解释一个理论的原委与说明你对这一理论的看法是完全不同的两件事。我可以说出所有有关多重宇宙的基本观点,并且列出一些可以用多重宇宙理论来解释的问题,也就是说,我可以自如地讲述事实、解释理论,但是我却在抒发个人感受方面遇到了困难。

    在物理学领域中,我们通常不应该谈论自己的主观感受。我们是科学家,我们要严谨,采用定量分析方法,以观察或实验为依据来分析判断。但是,即便是最严谨的分析,也需要先决定要追寻的方向之后才开始。在一个领域诞生伊始,会出现诸多可思考的观点,这些观点各有各的长处,不过通常来说,我们只能追寻一个。这种选择是怎么做出的呢?这就是所谓的“直觉”——是由一种超越逻辑的感性因素所引导的。你为自己选择了某一观点作为立场,而正如斯坦福大学的物理学家、弦理论创始人之一莱昂纳尔·萨斯坎德(Leonard Susskind)所言:“这一选择超乎科学事实与哲学原理,它体现的是科学品位,或者说科学鉴赏力。科学品位同其他方面的品位一样,都涉及到人们对美的感知能力。”

    我自己是研究弦理论的,弦理论的一大标志便是认为广袤的宇宙空间中存在着许多极为相似的宇宙,而不是只有我们所存在的这一个宇宙。既然我们的这个宇宙可以诞生并演化出生命,同样的过程也可能创造出其他的宇宙,甚至生命,甚至会出现无穷多的宇宙,在那些宇宙中,一切都可能发生。这个观点的逻辑出发点是我所熟知的领域,我可以通过在纸上推演方程得到这个特殊的结论,但是,尽管我承认在数学上多重宇宙理论是一个自然的结论,我无法想象它怎么走出理论的象牙塔,成为物理现实中真实的存在。在这样的情况下,我怎么能够接受“世界上有无数个我,分别存在于不同的平行宇宙中,作出相同或是不同的选择”这样的事实呢?

   对于多重宇宙理论怀有矛盾心理的并不止我一个人。一些当代最杰出的科学家仍旧在多重宇宙的问题上争论不休,他们的观点呈现明显的出两极化分布。毕竟,对于多重宇宙的争论不是关于某一理论细节的分歧,这是一场关乎一系列重大哲学观念的辩论:关于同一性及其影响,关于什么叫做“解释”与“证明”,关于我们到底应该如何定义科学,以及争论这些问题到底有没有意义。

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    浩瀚无垠的星系:像图中草帽星系这样的星系,填补了我们可以看到的最远处的空间,也许比我们想象的还要远。图片来源:NASA/ESA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

    无论何时,当我谈及多重宇宙理论时,都会涉及一个不可避免的问题:我们到底是生活在一个宇宙中呢,还是生活在多重宇宙中呢?关于这个问题,其实我已经知道了确切的答案:为分辨我们是生活在单一宇宙中还是多重宇宙中,所需的测量尺度已经大得远远超出我们的想象,也就是说,不论我们生活在哪种宇宙中,我们的生活都会如常进行。但既然这样,宇宙的多重与否和我们又有何关系呢?

    有关系,有重大关系。这个问题的重要性在于,我们位于何处会影响到我们对自身的定义。所处位置的不同会产生不同的反应,导致不同的可能性,即便是相同的对象也会因其所处背景的不同而看起来截然不同。在很多的情况下,甚至很多我们自己都没意识到的情况下,我们是由我们所居住的空间塑造的。宇宙是浩瀚无垠的。它囊括了我们所处的每个场景,每个环境,它代表着我们能达到的所有可能性的总和。

    众所周知,测量结果仅仅在特定的参考系中有效。如果一个数字没有单位,它就无法被赋予具体含义,而即便是像“很远”、“很小”、“很奇特”这样模糊的表述也需要设置参考系:“很远”需要引入一个原点;“很小”应参照一定的数值范围,“很奇怪”需要有对上下文含义的暗示。这些假设的“参考系”不像单位那样被严格指定,但我们对事物(如物体,现象,实验)的描述都是凭借着这些不可见的参考轴进行校准的。

    如果我们发现我们所了解的一切,我们所能知道的一切,都只不过是多重宇宙中的一个部分,而这一切的基础建立于我们的坐标系之上的话,即便观察结果没有改变,其实质也会发生改变。换言之,哪怕其他宇宙的存在可能不会影响到我们在仪器上测得的数据,它们也可能从根本上影响着我们解释理论的方式。

    在多重宇宙理论中,第一个难点便是多重宇宙的广袤程度。它比人类以前处理过的任何事物都要大得多——这一点从它的名字“多重”宇宙中就可以看出来。如果说多重宇宙给人带来的强烈震撼源自于它让人类更加感受到自己的渺小,这是可以理解的。不过,与多重宇宙的其他诸多惊人性质中,“大”已经算是最稀松平常的了。

    欧洲核子中心(CERN)理论物理小组的带头人吉安·朱迪切(Gian Giudice)的观点可以代表大多数物理学家:“只要仰望天空,我们就会认识到自身的渺小性。即便多重宇宙是真的,我与浩瀚宇宙在度量上的差距也不会有任何改变。”事实上,宇宙的庞大和个人的渺小甚至让许多人得到了慰藉,而非烦恼,因为一把自己放到广袤的宇宙中,我们所有人的烦恼,日常生活的所有事件,都几乎不复存在。正如物理学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)所说:“我们在地球上发生上的一切都与宇宙不相关联。而我对此觉得很欣慰。”

    从哈勃空间望远镜发回的令人惊叹的照片,使得奥克塔维奥·帕斯(Octavio Paz)创作出诗篇《广袤的夜空》(The Enormous Night),使得蒙蒂·派森(Monty Python)在《银河之歌》(Galaxy Song)中唱到“当生活让你感到万分沮丧”,这些有着罗曼蒂克风格的作品都与我们意识到自身的渺小性相关联。可以说,在历史中的某个时刻,我们已经认识到了自身的渺小性。

    如果不是因为我们害怕多重宇宙的广袤,那我们抗拒多重宇宙的观点,是不是因为它囊括了诸多我们看不见,甚至永远也看不见的世界呢?这也确实是我从同事那儿最常听到的抱怨。强烈反对多重宇宙论的物理学家乔治·埃利斯(George Ellis)和强烈倡导多重宇宙论的英国宇宙学家伯纳德·卡尔(Bernard Carr)在一系列引人入胜的讨论中就探讨了这一问题。其中,卡尔认为,他们最根本的论点分歧在于“什么样的科学特征才能被视为是神圣不可侵犯的”这一问题上。

    就科学的传统而言,实验是检验真理的唯一标准。如果实在不能做实验,比较观测是一个可以接受的替代手段:天文学家不能操纵星系,却可以在数百万光年外以不同的方式和步骤来观测它们。然而,这两种方法都不适合多重宇宙理论。那么,是否可以由此得出多重宇宙理论是位于科学领域之外的结论呢?

    弦理论的创始人之一萨斯坎德为此给予一种令人信服的解释。他认为,除了实验和观测之外,还有第三种用于实证科学的方法:由我们看到的事物来推测出看不见的事物和现象。要想证明多重宇宙存在与否,我们完全不必去远至因果不连续的时空区域来寻找例子,类似的例子可以考虑亚原子粒子:我们永远都不可能观测到单独的夸克,它们永远三个三个地被束缚在一起,形成质子、中子及其他粒子,但我们谁都不会否认夸克的存在。萨斯坎德说:“到目前为止,夸克依旧隐藏在神秘的面纱。虽然至今为止,没人观测到单独存在的夸克,但从来没有人对夸克理论的正确性提出质疑。夸克已经成为现代物理学基石的一部分。”

    由于我们的宇宙现在正在加速扩张,目前位于我们视线范围内的星系将会很快地被推到视线范围的边缘。我们不会因为这些星系超越了我们的可见范围就认为它们不存在,正如我们不会因为一艘船越过地平线以后就不存在了一样。而如果我们承认星系可以存在于我们的观测区域之外,那其他事物怎么就不能存在于可观测区域之外呢?比如那些我们从未见过,也永远不会看到的事物?一旦我们承认在我们视线范围之外的区域有事物存在的可能性,这种影响就将呈指数级增长。英国皇家天文学家马丁·里斯(Martin Rees)将这一推理比作心理学中的厌恶疗法:一旦我们承认在超出我们视线之外有星系的存在,就像容许了一只小蜘蛛从很远处爬过,但只要承认了这一前提,在不知不觉中你就认可了无穷多个与我们所在的宇宙完全不同的宇宙存在的可能性——到那时,你会发现自己周边已经爬满了大个的狼蛛。

    就我个人而言,从任何方面来说,缺乏直接的实验对象并不会影响一个理论成为好的物理学理论。因此,无法实验验证这一点并不是我抵触多重宇宙理论的原因。

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