古往今來，圍繞多宇宙形成了無限的遐想。阿那克西曼德（Anaximander）、伊壁鳩魯（Epicurus）、康德（I. Kant）等哲學(xué)家先后提出了不同的多宇宙構(gòu)想。當(dāng)代宇宙學(xué)上的多宇宙（cosmological multiverse），通常是指在我們所見的宇宙之外，還存在著其他有限多或無限多個(gè)宇宙，這些宇宙具有不同的自然定律、粒子的數(shù)量和質(zhì)量、粒子間相互作用的形式和強(qiáng)度，甚至是宏觀空間維度的數(shù)量。

隨著20世紀(jì)以來科學(xué)的發(fā)展，多宇宙逐步獲得了量子理論和弦理論等科學(xué)理論的支持。支持多宇宙者如溫伯格（S. Weinberg）認(rèn)為，多宇宙是可以與相對(duì)論媲美的新的革命，多宇宙理論的發(fā)展甚至將改變物理學(xué)理論的合法性基礎(chǔ)。反對(duì)者如埃利斯（G. Ellis）則擔(dān)憂多宇宙是一種神話，會(huì)削弱科學(xué)合理性的標(biāo)準(zhǔn)，是危險(xiǎn)的。

那么，當(dāng)代宇宙學(xué)中，多宇宙究竟是一種什么樣的存在形態(tài)？物理學(xué)家們又為何存在如此大的分歧？

多宇宙的不同形態(tài)

宇宙學(xué)家們基于宇宙學(xué)的理論與觀察證據(jù)建構(gòu)了形態(tài)各異的多宇宙圖景。其中，有在空間上同時(shí)存在的多個(gè)平行宇宙，有從時(shí)間上展開的多個(gè)宇宙序列，還包括數(shù)學(xué)上的多宇宙。

泡沫宇宙

空間多宇宙，典型如維倫金（A. Vilenkin）和林德（A. Linde）的“泡沫宇宙”（bubble universes）。1980年，古斯（A. Guth）等人提出暴脹理論（inflation theory），指出宇宙在大爆炸之后不到10-35秒的瞬間，經(jīng)歷了一個(gè)急劇膨脹的階段，使早期宇宙膨脹為“一個(gè)巨大的、均勻的、各向同性的區(qū)域”[1]。1981年，林德修正了暴脹理論，并基于暴脹在1983年提出了“混沌暴脹”（chaotic inflation）。按照混沌暴脹學(xué)說，宇宙是“一個(gè)無盡無休、自我繁衍著的、能夠產(chǎn)生出眾多小宇宙的統(tǒng)一體，這些小宇宙的低能物理以及所處于的維度可能是彼此不同的”[2]。真空是無數(shù)的量子漲落，暴脹可能出現(xiàn)在任意一個(gè)漲落中，因暴脹速度不同形成了不同的泡沫。有的泡沫暴脹得慢，無法形成恒星和人類等結(jié)構(gòu)；有的泡沫暴脹得太快，密度過于稀薄也無法形成恒星和行星。所有的泡沫處在一種雜亂無章的狀態(tài)之中，它們以不同的速度在時(shí)空的不同區(qū)域中暴脹。這一圖景就像是：香檳酒“嘭”地打開，瓶口源源不斷涌出大量的氣泡。倘若這是一個(gè)容量為無限大的酒瓶，宇宙泡沫便是剛開瓶的香檳酒瓶中的氣泡，我們現(xiàn)在生存的宇宙僅是其中之一。

維倫金的“永恒暴脹”（eternal inflation）進(jìn)一步豐富了泡沫宇宙的圖景。所謂永恒，是指雖然在某個(gè)子宇宙中暴脹結(jié)束了，但從多宇宙整體上看，暴脹會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去。當(dāng)暴脹在泡沫宇宙中的某些區(qū)域停下來時(shí)，便會(huì)逐漸演化出與我們所生存的宇宙類似的宇宙泡沫。永恒膨脹意味著多宇宙整體既無開端也無結(jié)尾，因而遭到了霍金（S. Hawking）等人的反對(duì)。

量子力學(xué)的多宇宙

霍金所贊成的多宇宙是量子力學(xué)的多世界解釋（many-worlds interpretation of quantum mechanics）意義上的，即把宇宙的歷史與觀測(cè)者聯(lián)系起來，多宇宙產(chǎn)生于觀測(cè)時(shí)的世界分裂。量子力學(xué)的多世界解釋最早由埃弗雷特三世（H. EverettⅢ）于1957年在其博士論文中提出，用以消解量子力學(xué)中的測(cè)量問題。按照多世界解釋，測(cè)量時(shí)波函數(shù)并不發(fā)生塌縮，而是世界進(jìn)行了分裂，在分裂后的每一個(gè)世界中測(cè)量結(jié)果都是確定的。世界之間互不影響，分裂后的世界中的觀測(cè)者既無法察覺到他所在的世界已經(jīng)分裂了，也不可能看到另一個(gè)世界中的自己。1973年，德威特（B. DeWitt）與格雷厄姆（N. Graham）在整理埃弗雷特論文時(shí)，將“世界”一詞等同于“宇宙”，指出世界的分裂所產(chǎn)生的正是不同的宇宙，宇宙猶如一棵無限生長(zhǎng)的大樹，各枝干按照量子力學(xué)的規(guī)則不斷抽出新的枝條。區(qū)別在于前者這棵分裂的樹木缺乏樹干，而后者中樹干正是宇宙最初的誕生。因而多世界解釋也可以說是第一個(gè)多宇宙理論。

弦景觀

超弦理論也形成了多宇宙的圖景，不同之處在于其空間維度為九維，這是超弦理論的一致性所要求的空間維度，多余的6個(gè)空間維度形成了卡拉比-丘空間（Calabi-Yau space），卷曲起來不可見。2000年，弦理論學(xué)家布索（R. Bousso）和波爾欽斯基（J. Polchinski）發(fā)現(xiàn)真空的數(shù)量為10100～10500，而真空的不同情狀將會(huì)導(dǎo)致不同的宇宙形態(tài)，從而描繪了一種多宇宙圖景。弦理論家薩斯坎德（L. Susskind）將這種多宇宙的情景描述為“弦景觀”（string landscape）。直觀看來，弦景觀就像一幅點(diǎn)彩畫：從遠(yuǎn)處看，景觀中遍布著平緩起伏的丘陵和山谷，不時(shí)出現(xiàn)高聳的山峰和幽深的峽谷；靠近觀察，便會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是由無數(shù)個(gè)幾乎彼此接觸的小圓點(diǎn)組成的。小圓點(diǎn)的大小不等，不同的點(diǎn)具有不同的能量。升起的山丘對(duì)應(yīng)著更高的能量組態(tài)，凹陷的山谷則對(duì)應(yīng)著較低的能量組態(tài)。量子漲落產(chǎn)生的“新”組態(tài)會(huì)隨機(jī)地出現(xiàn)在景觀中的任意位置，如果出現(xiàn)山谷中，它會(huì)穩(wěn)定停留其中，并自主運(yùn)行著一套特殊的物理定律；如果位于山頂，或出現(xiàn)在山脊，或被高掛于陡崖之上，它就會(huì)滾落到相對(duì)最低點(diǎn)（如距離最近的山谷），并在進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)之前釋放出大量的能量。這一釋放能量的滾動(dòng)，便是暴脹。

弦景觀具有與永恒暴脹極為吻合的特征，前者給予了多宇宙一個(gè)自然存在的理由，后者則為無數(shù)多個(gè)宇宙提供了一個(gè)自然過程，使它們能夠順利占領(lǐng)弦景觀中每一個(gè)可能的山谷。因此我們也可以說，弦景觀從理論上進(jìn)一步發(fā)展了泡沫宇宙的圖景。同時(shí)，由于弦景觀中的每一點(diǎn)都有其特定的物理定律，因而從多宇宙的整體來看，我們現(xiàn)已了解的物理定律，不過僅是其中的局部法則。

數(shù)學(xué)多宇宙

更為微妙的多宇宙形態(tài)是由宇宙學(xué)家泰格馬克（M. Tegmark）所描繪的。2003年，泰格馬克在《科學(xué)美國(guó)人》（Scientific American）上發(fā)表論文指出關(guān)于多宇宙最為重要的是確定其層級(jí)。他將多宇宙分為4個(gè)不同的層級(jí)，其中第一級(jí)是“空間中觀測(cè)不到的遙遠(yuǎn)區(qū)域”[6]，第二級(jí)是泡沫宇宙和弦景觀，第三級(jí)是量子力學(xué)的多宇宙（泰格馬克認(rèn)為這一級(jí)是最具爭(zhēng)議性的），第四級(jí)是數(shù)學(xué)多宇宙（mathematical multiverse）。數(shù)學(xué)多宇宙乃他的獨(dú)創(chuàng)，他認(rèn)為這是多宇宙的最高級(jí)，囊括了其余的多宇宙形態(tài)。“數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和物理實(shí)在從某種程度而言是相同的概念，數(shù)學(xué)方程式描述的每一個(gè)宇宙都是存在的?！盵7]有無數(shù)多個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，就有無數(shù)多個(gè)宇宙。數(shù)學(xué)多宇宙大大擴(kuò)充了多宇宙的集合，把各種可能的宇宙和世界都劃歸為真實(shí)的存在。

共形循環(huán)多宇宙

在上述空間和數(shù)學(xué)多宇宙之外，還有一種時(shí)間上展開的多宇宙。彭羅斯（R. Penrose）在其2006年的文章《大爆炸之前：一種不同尋常的新視角及其對(duì)粒子物理學(xué)的影響》（Before the Big Bang： An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics）中提出了時(shí)間上循環(huán)的多宇宙，他稱之為“共形循環(huán)宇宙學(xué)”（conformal cyclic cosmology）。在共形循環(huán)多宇宙中，前一個(gè)宇宙的終點(diǎn)等價(jià)于下一個(gè)宇宙伊始時(shí)的大爆炸，二者在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上是縫合在一起的，從而形成了一條無窮無盡的宇宙鏈。前一個(gè)宇宙的終點(diǎn)與下一個(gè)宇宙誕生的起點(diǎn)能通過“共形縮放”縫合起來的前提是，宇宙需要一個(gè)值為正的宇宙常數(shù)，也就是需要暗能量。而我們的宇宙有暗能量，所以彭羅斯認(rèn)為共形循環(huán)多宇宙是成立的。

宇宙已經(jīng)經(jīng)歷過無數(shù)的膨脹與收縮，未來還將經(jīng)歷無數(shù)的膨脹與收縮。鏈中的每個(gè)宇宙稱為“紀(jì)元”（aeon），我們的宇宙是循環(huán)鏈條上的一環(huán)。只有輻射、光和其他沒有質(zhì)量的粒子能夠穿過共形的邊界，從一個(gè)紀(jì)元進(jìn)入下一個(gè)紀(jì)元。而人類與萬千生命，可能會(huì)在新的紀(jì)元演化中再次誕生，上演在宇宙的漫長(zhǎng)歷程中微不足道的文明的演進(jìn)。

多宇宙如何得到青睞？

畢竟我們都沒有看到我們所在宇宙之外的其他宇宙，那么多宇宙如何得到物理學(xué)家們的信賴呢？物理學(xué)家給出了下述三點(diǎn)理由。

首先，多宇宙理論為宇宙的微調(diào)（fine-tuning）和人擇原理（anthropic principle）提供了最為自然的解釋。宇宙為什么是這樣的？1973年澳大利亞物理學(xué)家卡特（B. Carter）給出的回答是人擇原理。也就是說，宇宙存在微調(diào)，微調(diào)使得自然規(guī)律和物理學(xué)常數(shù)、物質(zhì)的基本構(gòu)成及其屬性、宇宙的膨脹率或質(zhì)能密度等初始條件都適合于人類的產(chǎn)生，因而看起來像是人類選擇了宇宙，否則的話為什么這些條件剛剛好就能產(chǎn)生人類呢？微調(diào)本身也需要解釋，而多宇宙的存在能夠自然地解釋微調(diào)。如果存在非常多個(gè)宇宙，總有一個(gè)宇宙中的物理學(xué)規(guī)律、常數(shù)和初始條件適合于生命，那么微調(diào)就是一個(gè)自然的、概率性的過程。

多宇宙的存在能夠把人擇原理解釋為是觀察者選擇的結(jié)果，從而不需要把人類置于宇宙的中心位置。實(shí)際上，在1543年哥白尼出版《天球運(yùn)行論》證明地球不是宇宙的中心、人類也不具特殊性后，哥白尼原理（Copernican principle）成為公認(rèn)的宇宙學(xué)原理。然而，這一原理卻沒有把宇宙中生命的罕見性考慮在內(nèi)。由于科學(xué)觀測(cè)必然涉及觀察者的選擇效應(yīng)，我們觀察到的宇宙必須與觀察者的存在相一致。至少就人類而言，觀察者意味著生命。顯然，我們不可能在一個(gè)不允許生命出現(xiàn)和進(jìn)化的地方觀察宇宙。

其次，多宇宙的支持者們認(rèn)為它是建立在暴脹理論和量子場(chǎng)論兩大理論之上的邏輯推論，由于這兩大理論有著堅(jiān)實(shí)的證據(jù)支持，因而多宇宙也是成立的。威爾金森微波各向異性探測(cè)器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe， WMAP）與普朗克衛(wèi)星（Planck）等觀測(cè)結(jié)果表明，宇宙微波背景輻射中存在與密度漲落相關(guān)的微小溫度波動(dòng)，這些場(chǎng)波動(dòng)與暴脹理論預(yù)測(cè)的超視界波動(dòng)是一致的。且暴脹模型關(guān)于“宇宙在熱大爆炸開始時(shí)的初始溫度必須比普朗克溫度低幾個(gè)數(shù)量級(jí)”[9]的預(yù)測(cè)也得到了驗(yàn)證。

暴脹和我們所了解的其他所有場(chǎng)一樣，本質(zhì)上也是一個(gè)量子場(chǎng)，這意味著它的許多屬性并非完全是確定的，而是呈概率分布。因此，在暴脹模型中，“滾動(dòng)著的量子概率波函數(shù)處于一對(duì)競(jìng)爭(zhēng)中”[10]，一方面是波函數(shù)本身的滾動(dòng)速度，另一方面是波函數(shù)向外傳播的速度。如果滾動(dòng)速度快于傳播速度，暴脹可以在任何地方立即結(jié)束，并且只有一個(gè)宇宙；但如果傳播速度比滾動(dòng)速度快，那么代表著傳播速度的“漣漪”將從代表著暴脹場(chǎng)的平坦平臺(tái)上“掉下來”，在這些區(qū)域中就會(huì)發(fā)生熱大爆炸。隨著時(shí)間的推移，越來越多的區(qū)域結(jié)束暴脹，接著開始熱大爆炸，最終形成宇宙。這些區(qū)域?qū)⒈挥篮闩蛎浀目臻g隔開，從而失去因果聯(lián)系，成為各自獨(dú)立的宇宙。故而，如果暴脹和量子場(chǎng)論都是正確的，那么多宇宙即是兩者結(jié)合的必然結(jié)果。

最后，從物理學(xué)發(fā)展史來看，多宇宙理論無疑是物理學(xué)家和宇宙學(xué)家為實(shí)現(xiàn)大統(tǒng)一所做的再一次嘗試。1990年代，物理學(xué)家們?cè)诮?jīng)歷標(biāo)準(zhǔn)模型框架下利用對(duì)稱性和動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)宇宙學(xué)常數(shù)等相關(guān)參數(shù)值的失敗后，“開始懷疑宇宙之中有更深層次的東西在起作用”[11]。2000年前后，弦理論發(fā)現(xiàn)可能存在著巨量對(duì)稱性破缺的真空，宇宙學(xué)常數(shù)在其中取值范圍很廣，可以為正，也可以為負(fù)。倘若多宇宙確實(shí)存在，那么我們目前所生存的宇宙就將成為其中一個(gè)重要樣本，進(jìn)而為解釋我們實(shí)際觀察到的宇宙學(xué)常數(shù)值奠定基礎(chǔ)。迄今為止，宇宙學(xué)已經(jīng)歷了從地心說到日心說、從銀河系中心主義到宇宙中心主義的發(fā)展過程，“我們研究宇宙的時(shí)間越長(zhǎng)，宇宙就變得越大”[12]。從這一意義講，多宇宙理論可以被看作是人類為探索宇宙圖景而邁出的又一步。

多宇宙是科學(xué)嗎？

盡管支持者們提出了各種各樣相信多宇宙的理由，但反對(duì)者們卻直擊其不可檢驗(yàn)性，對(duì)多宇宙提出了質(zhì)疑。2014年，宇宙學(xué)家埃利斯和西爾克（J. Silk）在《自然》（Nature）雜志上的一篇文章中，對(duì)以多宇宙為代表的當(dāng)代物理學(xué)中的某些理論發(fā)出了警告，指出這些理論是不可證偽的，如果理論物理學(xué)的發(fā)展偏離可證偽性這一科學(xué)的合理性，將會(huì)使得科學(xué)本身的可信度受到威脅，進(jìn)而損害科學(xué)的公眾信譽(yù)。他們認(rèn)為，從宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)的角度來看，多宇宙的存在僅僅是一種推測(cè)，且這一推測(cè)目前是無法驗(yàn)證的。天文學(xué)家可能永遠(yuǎn)無法用望遠(yuǎn)鏡觀察到其他宇宙，粒子物理學(xué)家也無法用加速器觀察到額外的維度。因?yàn)樵诙嘤钪嬷?，宇宙之間是不存在因果關(guān)聯(lián)的。故而，多宇宙“只能是一種形而上學(xué)的假設(shè)”[13]，它不能也無法成為科學(xué)。如果它僅僅是一個(gè)哲學(xué)問題，那么科學(xué)家就應(yīng)該放棄對(duì)它的研究。

反對(duì)的物理學(xué)家們基于對(duì)暴脹理論本身性質(zhì)的思考，質(zhì)疑了由其得出的多宇宙推論。他們認(rèn)為，暴脹并不是一個(gè)嚴(yán)格的、定型的理論，在出現(xiàn)新的數(shù)據(jù)時(shí)，該理論總是可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以適應(yīng)新的證據(jù)。因此，即使在某些觀測(cè)證據(jù)上支持暴脹，也不意味著暴脹理論在所有方面都是毫無疑問的。另外，關(guān)于是什么物理場(chǎng)推動(dòng)了暴脹、關(guān)于暴脹粒子的描述也都沒有定論，暴脹理論本身也存在多個(gè)不同的版本……這些問題的存在，使得基于暴脹推論得出的多宇宙也是可疑的。

質(zhì)疑遠(yuǎn)不止于此，更有人宣稱，多宇宙像是一種神話。戴維斯（P. Davies）直言，多宇宙僅僅是披上了科學(xué)外衣的有神論，“實(shí)際上是一個(gè)偽裝的上帝”[14]。在戴維斯看來，多宇宙模型像是在說“存在一個(gè)宇宙設(shè)計(jì)師或選擇者，他明智地從無限的宇宙購(gòu)物清單中挑選出一個(gè)真實(shí)的宇宙”[14]。多宇宙在本體論上的無限擴(kuò)張不僅與“奧卡姆剃刀”原則背道而馳，并且它與有神論一樣，都訴諸一個(gè)無限的未知系統(tǒng)，需要預(yù)設(shè)無限的信息，以解釋我們所能觀察到的有限宇宙。二者雖然使用了不同的術(shù)語，但本質(zhì)是相同的，因而多宇宙無異于有神論，多宇宙的存在及其論證最多只是一種宗教信仰，而非科學(xué)論證。

多宇宙存在與否的爭(zhēng)論愈演愈烈。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)主席里斯（M. Rees）直言，他對(duì)多宇宙有足夠的信心，并愿意用自家狗的性命打賭。泡沫宇宙的創(chuàng)始人林德甚至為這個(gè)賭注加碼，他說：“我用自己的命來賭?！倍鄬?duì)保守的物理學(xué)家和宇宙學(xué)家則更傾向于維持宇宙中心論的觀點(diǎn)，即我們目前所生存的宇宙是唯一的宇宙。

正如我們所認(rèn)識(shí)到的“宇宙”始終隨著科學(xué)的發(fā)展不斷深化，關(guān)于多宇宙的存在也不應(yīng)急于下定論，而應(yīng)當(dāng)保持開放的心態(tài)。

[本文相關(guān)研究受教育部人文社會(huì)科學(xué)研究一般項(xiàng)目“量子引力理論中的形而上學(xué)問題研究”（22YJA720013）資助。]

[1]Guth A. The inflationary universe： A possible solution to the horizon and flatness problems. Physical Review D， 1981， 23： 347-356.

[2]Linde A. Chaotic inflation. Physics Letters B， 1983， 129： 177-181.

[3]Swirlbush J. Why there might be many more universes besides our own. （2016-03-25）[2023-11-17]. https：//www.popgorge.com/ jaunts/2016/03/25/why-there-might-be-many-more-universesbesides-our-own.

[4]Anthonio D. The many-worlds theory. （2020-04-30）[2023-12-15]. https：//www.deeconometrist.nl/other/the-many-worlds-theory.

[5]Than K. The string theory landscape. （2018-09-10）[2023-11-25]. https：//news.stanford.edu/2018/09/10/string-theory-landscape.

[6]邁克斯·泰格馬克. 穿越平行世界. 汪婕舒， 譯. 杭州： 浙江人民出版社， 2017： 355.

[7]Tegmark M. In science and ultimate reality： From quantum to cosmos. Cambridge： Cambridge University Press， 2003： 459.

[8]Penrose R. From black-hole singularities to cyclic cosmology.（2022-02-02）[2023-10-07]. https：//www.aip.org.au/event-4659043.

[9]Frank A， Siegel E. Is the multiverse real： Two astrophysicists debate. （2022-02-24）[2023-12-03]. https：//bigthink.com/13-8/is-themultiverse-real.

[10]Siegel E. Starts with a bang： This is why physicists suspect the multiverse very likely exists. （2021-12-30）[2023-12-06]. https：// bigthink.com/starts-with-a-bang/physicists-multiverse-exists.

[11]Wilczek F. Enlightenment， knowledge， ignorance， temptation// Carr B （Ed.）. Universe or multiverse？. Cambridge： Cambridge University Press， 2007： 43-54.

[12]Carr B. Introduction and overview// Carr B （Ed.）. Universe or multiverse？. Cambridge： Cambridge University Press， 2007： 3-28.

[13]Ellis G， Silk J. Scientific method： Defend the integrity of physics. Nature， 2014， 516（7531）： 321-323.

[14]Davies P. Multiverse cosmological models. Modern Physics Letters A， 2004， 19（10）： 727-743.

關(guān)鍵詞：多宇宙 暴脹理論 人擇原理 量子場(chǎng)論 ■