说到平行宇宙,我们往往会想到量子力学中的平行宇宙概念,那里的“平行宇宙”指的是同一体系不同的演化可能。但本文将要介绍的是另一种类型的平行宇宙,也被称为多重宇宙(multiverse)——它不是来自于量子力学,而是来自相对论中的光速有限性。
从某种严格的逻辑或哲学角度说,“多重宇宙”这种说法是一种语言上的误用,因为我们本来可以把所有不同时空总和称之为宇宙(Universe),而所谓的“多重宇宙”只不过是其中的不同部分而已。不过,多重宇宙的叫法目前已经流行开来了,在语言应用上的过度洁癖也可能会抑制思维活力和创造性,因此这里暂不细究这一用词的准确性。
一、可观测宇宙是有限的
顾名思义,“平行宇宙”之间是相互平行而不相互影响的。不考虑量子力学带来的不同演化可能的话,在我们所处的整个时空里,还哪些与我们相互平行、没有直接因果联系的部分?其中在宇宙学中最常讨论的是两种情况:由于宇宙有限年龄造成的有限粒子视界,以及由于宇宙加速膨胀造成的有限事件视界。
1. 粒子视界
由于因果影响的传播速度不会超过光速,当我们观看远距离外的物体时,看到的并非是它现在的影像,而是之前某一时刻的。例如,织女星距离我们25光年,我们现在看到的织女星就是它25年之前的样子。我们所看到的天体越遥远,其光波发出的时间越早。
2. 事件视界
宇宙膨胀对我们的可观测范围还产生另一种限制。宇宙膨胀可以理解为空间整体变大。如果在一段时间内,两个原来相距一亿光年的星系经过宇宙膨胀现在相距两亿光年了,那么同一时间内原来相距两亿光年的星系现在就会相距四亿光年。显然,越是离我们遥远的星系,远离我们的速度就越大,速度与距离成正比,这就是哈勃定律,远离速度与距离的比值被称为哈勃常数。
二、暴胀与多重宇宙
在上面的讨论中,我们是以传统的宇宙大爆炸理论为基础,这是在宇宙均匀各向同性的假定下推出的,它是一个使问题大大简化的假设。当然,实际观测也表明对可观测宇宙而言这是一种很接近实际情况的假设。但是,在广义相对论中,时间空间并不是先验地就具有均匀各向同性的性质,而是受物质影响,并可以发生动力演化的,其演化中相互影响的传播同样不超过光速。
这样,就有一个让人疑惑的问题:既然在大爆炸宇宙中存在粒子视界,那么超出粒子视界之外的时空区域是怎么实现这种“神同步”的呢?何以在远远超出粒子视界的尺度上,宇宙也是均匀各向同性的?这就是传统宇宙大爆炸理论的“视界问题”。
1980年,古思(Alan Guth)提出了暴胀(Inflation)理论,认为宇宙在极早期(诞生约10-32秒的时候)曾发生了一种非常快速的加速膨胀,线性标度膨胀了至少1025倍,这种理论比较自然地解决了“视界问题”等一系列传统大爆炸理论中的疑难问题。
按照这一理论,比我们原来估算的粒子视界大得多的区域在宇宙极早期其实都曾经处在一块非常小的、有因果联系的时空范围内,只是此后的暴胀使其变得非常大,看上去好像超出了粒子视界。这样,这些区域的高度均匀一致就不那么奇怪了。
三、物理规律与人择原理
除了宇宙膨胀的历史不同外,这些不同区域中所表现的物理规律也有可能是不同的。当然,我们仍然会假定有某种普适的、基本的物理规律支配着所有时空和物质——这是科学的基本出发点。但是,在一定的能量范围内,我们所观察到的物理规律并不一定是最基本的规律。
一个日常生活中熟悉的例子是水,在不同的温度和压力下,它可以表现为固体(冰)、气体(水蒸气),或者液体(水),因而展现不同的物理规律——流体力学和固体力学,尽管从根本上说它们是由水分子组成并服从同一个基本规律——描述电磁相互作用的麦克斯韦方程。
四、总结
对于“平行宇宙”或“多重宇宙”这个概念,科学界是有许多质疑和争议的。抛开前面所说的词语上的争论(这些完全可以称为宇宙的不同部分而不必称为不同的宇宙),一个主要的问题是能否在实验或观测上检验这一概念。科学之所以能不断取得进步,其关键在于理论预言能够用实验或观测加以检验,一个理论是否具有可证伪性甚至被认为是判断其否是为科学理论的试金石。