多重宇宙研究简史：科幻逼近现实
2014-10-10
环球科学微信号：huanqiukexue
撰文 罗绮
审校 谢懿
（天文学博士，就职于南京大学天文与空间科学学院，主要研究相对论基本天文学）
本文原载于《环球科学》2011年9月号。
1895年，美国哲学家暨心理学家威廉·詹姆斯首次使用了平行宇宙（parallel universes）这个词，他认为，在我们这个已知的宇宙之外，应该还存在着另外若干个与我们平行的宇宙存在。
20世纪30年代，理查德·C·托曼（Richard C. Tolman）和约翰·A ·惠勒（John A. Wheeler）提出，宇宙经历了多次从创生到毁灭的完整周期。
1957年，休·艾弗雷特三世（Hugh Everett III）提出了量子力学中电子波函数坍塌的多世界诠释（many-worlds interpretation）。他认为，所有孤立系统的演化都遵循薛定谔方程，波函数不会崩坍，观测时分离出无数个平行宇宙，每个宇宙都有一个确定的状态，而我们只是在其中的一个特定宇宙里。
1968年，意大利科学家加布里埃莱·韦内齐亚诺（Gabriele Veneziano）提出弦理论。经过许多年发展，目前弦理论认为，宇宙泡之间看上去大相径庭，不仅它们每一个都始于随机的物质分布，还都具有随机的物质类型，我们的宇宙许多必不可少的性质是纯粹的偶然事件。
1973年，英国天体物理学家布兰登·卡特（Brandon Carter）在哥白尼诞辰500周年时提出了人择原理并将它分为两种：弱人择原理和强人择原理。前者认为，作为观察者的我们之所以存在于这个时空位置，是因为这个位置提供了我们存在的可能；后者则认为，我们的宇宙（同时也包括那些基本的物理常数）必须允许观察者在某一阶段出现。
1973年，美国物理学家C·B·柯林斯（C.B.Collins）和英国物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）指出，卡特的想法隐含了一个假设，即“不只存在一个宇宙，而是有无穷多个宇宙，包含所有可能的初始条件”。如果承认这一点，人择原理就为我们宇宙的“微调”问题提供了一个看似合理的解释：“普通”的宇宙并不是“微调”的，但考虑到存在足够多的宇宙，总会有一小部分宇宙有能力供养智慧生命。
20世纪80年代，1916年，爱因斯坦提出广义相对论，认为我们的宇宙是平行相通的，可以通过虫洞回到过去。如果时间旅行是可行的，那么就会产生一系列问题，例如著名的“祖母悖论”。为了解释祖母悖论，霍金提出了平行空间理论，认为时间旅行者回到过去改变历史后，时间线便出现分杈，分杈的时间线展开的是另一段历史。
1983年，美籍俄裔理论物理学家安德烈·林德提出混沌暴胀模型，认为在我们所在的宇宙之外还存在有许许多多与我们所在宇宙不同的宇宙，提出了关于宇宙的无限性问题。混沌暴胀理论认为，大尺度上的空间会永远膨胀，其中的量子效应会不断地产生出新的宇宙，就像小孩吹泡泡一样。
1986年，宇宙学家约翰·D·巴罗（John D. Barrow）和物理学家弗兰克·J·提普勒（Frank J. Tipler）对人择原理进行了发展，把弱人择原理的应用范围扩展到了基本物理学常数，例如精细结构常数、时空维数、宇宙学常数等，认为有足够多不同的平行宇宙存在。
20世纪90年代，爱德华·维顿（Edward Witten）发展了弦理论，提出了一个具有11 维空间的M理论。M理论可以构建出第4层多层宇宙。
1997年，牛津大学的物理学家戴维·多伊奇(David Deutsch)提出，大爆炸发生在不同时间和不同量子分支上，宇宙的数量将保持恒定，具有不同的量子波函数。所有可能的宇宙“快照”将存在于每一个瞬间，而时间的推移只是这些“快照”之间的转换过程。2001年，独立物理学家朱利安·巴伯（Julian Barbour）又发展了这一理论。
1997年，加拿大理论物理学家李·斯莫林(Lee Smolin)提出，黑洞可能孕育出一个新的宇宙。黑洞孕育出的许多宇宙会一直存在类似自然选择的过程，这一过程更青睐在物理学方面能够形成更多黑洞的宇宙。类似这样的宇宙会成为多重宇宙的统治者。
2001年，美国物理学家亚历山大·维兰金（Alexander Vilenkin）等给出了各种宇宙参数分布的概率，认为暴胀程度各自不同的各个平行宇宙，应该以它们的体积来计算权重。他还描述了这样一幅画面：在无穷多个宇宙中有着无穷多个星系、无穷多颗行星以及无穷多个和你同名的人在看这篇文章。
2002年，麻省理工学院的宇宙学家马克斯·蒂格马克（Max Tegmark）通过对宇宙微波背景辐射的测量推翻了宇宙岛模型和分形宇宙理论，前者认为空间是无限的，但物质都集中在有限的区域内，后者认为宇宙在不同的尺度上，有着惊人的重复性结构。这两种理论都否定多重宇宙存在的可能性。
2002年，保罗·J·斯坦哈特（Paul J. Steinhardt）和尼尔·图罗克（Neil Turok）发展了理查德·C·托曼和约翰·A ·惠勒的理论，提出循环宇宙模型（cyclic universe model），认为多重宇宙也可以存在于不同的时间里。
2003年，马克斯·蒂格马克将平行宇宙分为4类，这种分类方法为大多数宇宙学家所接受。
第1层：这类宇宙和我们宇宙的物理常数相同，但是粒子的排列法不同，同时这类宇宙也可视为存在于已知的宇宙（可观测宇宙）之外的地方。第2层：这类宇宙的物理定律大致和我们宇宙的相同，但是基本物理常数不同。第3层：即多世界诠释。
根据量子理论，一个事件发生之后可以产生不同的后果，而所有可能的后果都会形成一个宇宙，而此类宇宙可归属于第1层或第2层平行宇宙，因为这类宇宙所遵守的基本物理定律依然和我们所认知的宇宙相同。第4层：这类宇宙最基础的物理定律不同于我们的宇宙，而基本上到第4层为止，就可以解释所有可能存在（也就是可想象得到的）的宇宙，一般而言这些宇宙的物理定律可以用M理论构造出来。
2010年，英国牛津大学的物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)和亚美尼亚埃里温物理研究院的瓦赫·古萨德扬(Vahe Gurzadyan)发现在宇宙微波背景辐射(CMB)中存在一种同心圆环结构，它们产生于大爆炸之前。这一发现支持了宇宙中可能发生过多次大爆炸的循环宇宙理论。
宇宙微波背景辐射中的同心圆环结构
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