最近二十年,关于物理学理论是否可以超越“可证伪”范式在物理学家以及科学哲学家当中引发了广泛的讨论。人们,包括物理学家在内,应该如何看待缺乏实证的理论?这样的科学理论还是科学的吗?本文可以看作有关争论的一种应答。
著名理论物理学家乔治·埃利斯(George Ellis)教授较为系统地考察了多元宇宙的各种理论——包括多达数十种不同类型的暴胀理论、人择原理等——并考虑了一些与之相反的论点,由此得出结论:缺乏实验证明才是真正的问题所在——而且今后仍然如此。
理论物理学和宇宙学正处于一种奇怪的境地。自17世纪以来,科学理论一直受到实验的束缚。
在过去20年左右的时间里,弦论(string theory)和多重宇宙理论(multiverse)摆脱了这一枷锁,它们的拥护者辩称,现在可不是理论屈服于实验的时代。这正是奇怪之处。多重宇宙是可能互不相连宇宙的总集、集合或系综。之所以说是可能,是因为没有人知道它们是否存在。宇宙学家瑞斯(Martin Rees)认为,我们的宇宙不可能结束于可视界(visual horizon)。
他写道:“这层外壳并不比你身处海洋中央看到的边界更有物理意义。”在宇宙的可视界之外,一定有我们所看不到的更远的领域。
多重宇宙同时出现于宇宙学和粒子物理学。萨斯坎德(Leonard Susskind)认为,弦论才是量子引力的正确理论。不同的弦真空截然不同,它们的物理性质因此不同,或可能变化。原则上说,每一个弦真空都代表一个宇宙。它们可能与膨胀的宇宙有关。
因为没人能确定哪个才是真实宇宙,萨斯坎德倾向于认为所有的多重宇宙都是真实的。彭罗斯(Roger Penrose)、斯莫林(Lee Smolin)、斯坦哈特(Paul Steinhardt)和图罗克(Neil Turok)都认为多重宇宙产生于时间而不是空间。就像斯莫林所提议的那样,每产生一个新的不断膨胀的宇宙,它们中的自然常数都是不同的,这就会导致无穷无尽的演化。
但如果像彭罗斯所言,如果自然常数都相同,其结果就是永恒的归一。
任何对宇宙的直接观察都受限于我们的可视界。宇宙的热大爆炸阶段大约在138亿年前结束。在那之前,光线无法穿过宇宙。可视界中的最远星系距我们约3 × 138 = 414亿光年。宇宙的膨胀速率并非恒定——因此乘以因子3。超出这个距离的宇宙根本无法被观测到。我们有可能生活在一个小到可以被包含在视界内的宇宙中。
若果真如此,我们将在宇宙微波背景 (CMB) 中看到星系的多个图像和一些相同的圆。小宇宙可以排除掉多种多重宇宙(理论)。但如果宇宙没那么小,多重宇宙的问题就依旧没有定论。
一些物理学家提出,根据弦论的假设,我们自身所处的这个宇宙一定是开放的、具有负曲率。因此,任何关于我们的宇宙具有正曲率的观测,通过换质位法(Contraposition),都必然成为反对弦论的证据,也必然反对多重宇宙的导出。
还有一些物理学家认为,[多重]宇宙之间的碰撞可能会在微波背景的天空中留下可观测的痕迹。如果能测量到这些痕迹,他们也许会支持多重宇宙的某些模型。
尚克斯(Tom Shanks)和他的研究生麦肯齐(Ruari MacKenzie)在《皇家天文学会月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)上发表文章称,宇宙微波背景下的冷区(cold regions)可能是这种碰撞的证据。但这些冷区也可能是统计涨落的结果。这并不是证实多重宇宙假说的有力证据。