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多元宇宙论

多元宇宙论（英语：Multiverse; Maniverse; Megaverse; Omniverse; Parallel universe），指的是一种在物理学里尚未证实的假说。在我们的宇宙之外，很可能还存在着其他的宇宙，而这些宇宙是宇宙的可能状态的一种反应，这些宇宙可能其基本物理常数和我们所认知的宇宙相同，也可能不同。多元宇宙内的不同宇宙被称为“平行宇宙”、“平坦宇宙”、“其他宇宙”、“替代宇宙”、“多元宇宙”、“平面宇宙”、“母子宇宙”、“多宇宙”、“多世界”或“无限宇宙”。一个常见的假设是，多元宇宙是“由不同宇宙拼凑而成的，所有宇宙都受相同物理定律的约束”[1]。多元宇宙这个名词是由美国哲学家与心理学家威廉·詹姆士在1895年所提出的[2]。

平行宇宙经常被用以说明：一个事件不同的过程或一个不同的决定的后续发展是存在于不同的平行宇宙中的；这个理论也常被用于解释其他的一些悖论，像关于时间旅行的一些悖论，像“一颗球落入时光隧道，回到过去撞上了自己因而使得自己无法进入时光隧道”，解决此诡论除了假设时间旅行是不可能外，也可以以平行宇宙作解释，而根据平行宇宙理论，这颗球撞上自己和没有撞上自己是两个不同的平行宇宙。

在近代这个理论已经激起大量科学、哲学和神学的问题，而科幻小说亦喜欢将平行宇宙的概念用于其中。

平行宇宙的分类

2003年的《科学美国人》杂志中，有一篇由美国宇宙学家马克斯·泰格马克撰写的有关平行宇宙的专文，文中他将平行宇宙分成4类[3][4]：

  1. 第一类：这一类宇宙和我们的宇宙的物理常数相同，但是粒子的排列法不同，同时这一类宇宙亦可以被视为存在于已知的宇宙（可观测宇宙）之外的地方。
  2. 第二类：这一类宇宙的物理定律大致和我们的宇宙相同，但是基本的物理常数并不同。
  3. 第三类（艾弗雷特的多世界诠释）：根据量子理论，一件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，而这一类宇宙可以被归属于第一类或第二类的平行宇宙，因为这一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（上述“一颗球落入时光隧道，回到过去撞上了自己，因而使自己无法进入时光隧道”诡论的平行宇宙解决办法属于这一种）。
  4. 第四类（数学宇宙假说）：这一类宇宙最基础的物理定律和我们的宇宙不同，而基本上到第四类为止，就可以解释到所有可能存在（也就是可想像得到的）的宇宙，一般而言，这些宇宙的物理定律可以利用M理论构造出来。

相关理论

双宇宙（镜像反宇宙）理论

 
孪生宇宙的概念，时间的开始在中间

有两个相关宇宙的模型，例如，试图用镜像反宇宙来解释重子不对称性——为什么一开始物质多于反物质[5][6][7]。一个双宇宙宇宙学模型可以通过两个世界之间的相互作用来解释哈勃常数（H0）张力。“镜像世界”将包含所有现有基本粒子的副本[8][9]。另一个孪生/对世界或“双世界”宇宙学在理论上被证明能够解决与暗能量密切相关的宇宙学常数（Λ）问题：两个相互作用的世界，每个世界都有较大的Λ，可以产生一个小的共用有效Λ[10][11][12]。

无穷宇宙（开放宇宙）理论

 
无穷宇宙，在宇宙中存有大量的可观测区（有着红色十字中心的红圈），我们的“宇宙”不过是其中的一个可观测区而已

开放宇宙理论认为，我们目前所知道的宇宙只是整个宇宙中可观测的一小部分。在这个部分以外，整个宇宙尚有无限大的未被观测的空间；根据相对论，光速为宇宙最快的速度，我们所看到的部分（可观测宇宙）是已经到达地球的光线，要注意的是，可观测的宇宙并不等于哈伯体积，哈伯体积直接取决于宇宙的年龄（因为若果宇宙诞生于N年前，则能到达地球的光线最远只能在N光年处，更远的光线则尚在路途上，故未能被地球上的观测者所观测），哈伯体积的膨胀是因为有越来越远处的光线到达地球。 且根据马克斯·泰格马克的推论，在距离约1010118米的宇宙的远方（此值是根据质子配置而可能出现的模式总数所算出）可能有“另一个地球”“另一个自己”，换句话说，就是存有与我们可观测宇宙（半径约4.4×1026米）完全相同的分身，亦即开放宇宙理论说明了第一类平行宇宙的可能性。

泡沫宇宙理论

 
“泡沫宇宙”示意图，宇宙1到宇宙6各自有自己的物理常数，我们的“宇宙”不过是其中的一个“泡沫”而已

泡沫宇宙理论认为存在有无限多的开放宇宙，而这些开放宇宙本身有着不同的物理常数，这些开放宇宙的“距离”比我们的开放宇宙的“边缘”还要远，意即这些宇宙存在于无穷远的地方之外。

这个理论由安德烈·林德最早提议，而泡沫宇宙理论本身能和暴胀理论在相当程度上契合，而这个理论本身牵涉到宇宙可能是由某个“亲宇宙”的量子泡沫中所诞生的可能，而这些量子泡沫产生于能量的起伏，这些能量的起伏可能会产生微小的“泡沫”和虫洞。若这些“泡沫”不是非常巨大，它们会像膨胀的汽球般，到了最后消失无踪，不过如果能量起伏大于某个常数，这个泡沫就会不断膨胀，甚而产生一个“子宇宙”，而“子宇宙”的体积可能大到足以让宇宙大尺度结构存在的地步。

2005年，美国的理论物理学家Laura Mersini-Houghton和Richard Holman预言宇宙辐射存在不规则分布的原因是其他宇宙的牵引。普朗克天文望远镜的宇宙背景辐射图在理论上是分布均匀的，但实际结果显示南半部天空中存在一个强大的中心，以及一个无法用现有物理学知识解释的冷斑点。Mersini-Houghton认为这证实了自己的预测[13]。

大反弹理论

主条目：大反弹
 
“振荡宇宙”示意图，大爆炸后宇宙膨胀，其后又在重力作用之下开始收缩，然后接着是大挤压，在大挤压之后的下一次大爆炸被称为大反弹

根据循环量子引力理论，大爆炸可能只是宇宙不断膨胀和收缩的周期中，一个新的膨胀时期的开始而已。每个周期开始于大爆炸、结束于大挤压（Big Crunch），而这个周期的轮回是无限的，称为“振荡宇宙”。在大爆炸之后宇宙膨胀，而之后在重力的作用之下宇宙开始收缩，然后接着是大挤压，在大挤压之后的下一次大爆炸被称为大反弹，虽然这个模型曾经一度被否决，但是膜宇宙论近年来已重拾此模型（振荡宇宙模型）。

在每个周期中，宇宙可能会有不同的宇宙常数，而因此这些不同周期时的宇宙可视为第二种平行宇宙。

泡沫宇宙理论和大反弹理论使第二种平行宇宙的存在成为可能。

量子力学的多世界解释

主条目：多世界诠释

量子力学的多世界解释是一种主要的量子力学解释，在由此解释方式中的众平行宇宙共有一个关于时间的变数，而这些平行宇宙彼此之间有着相同的起源，而这些宇宙彼此之间的基本物理定律相同，但物理常数可能会有所不同，而它们亦可能处于不同的状态，而且这些宇宙彼此之间没有任何的联系，因此它们彼此之间没有任何讯息互通，这些宇宙彼此之间的关系由它们之间的叠加态决定。

此理论为第三类平行宇宙的基础。

M理论

主条目：M理论

根据M理论，我们的宇宙很可能是产生于11维薄膜的碰撞与撕裂当中，基本上由此产生的宇宙可以和多世界诠释里所说的宇宙极为不同的宇宙。

由M理论可推出第四种平行宇宙的存在。

弦论“地景”

主条目：弦论地景

根据IIB型弦论，从十维弦论的世界到我们所知的四维世界有极多种的变换方式，而不同的变换方式会产生相当不同的宇宙。

黑洞宇宙观

主条目：黑洞宇宙观

黑洞宇宙观是一种宇宙学模型，其中可观测宇宙是黑洞的内部，黑洞可能存在于更大的宇宙中[14]。这包括白洞理论，白洞位于时空的另一边。

搜索证据

在1990年代，在当时关于这个概念的小说作品流行起来之后，关于多元宇宙的科学讨论和关于它的期刊文章变得突出。[15]

2010年左右，斯蒂芬·M·菲尼等科学家分析了威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的数据，并声称发现了证据表明该宇宙在遥远的过去与其他（平行）宇宙相撞。[16][17][18]然而，对WMAP和普朗克卫星的数据进行更彻底的分析，普朗克卫星的分辨率是WMAP的三倍，并没有发现任何具有统计学意义的证据表明这种泡沫宇宙碰撞。[19][20]此外，没有证据表明其他宇宙对我们有任何引力。[21][22]

2015年，天体物理学家可能通过回顾大爆炸之后的一段时间，发现了交替或平行宇宙的证据，尽管这仍然是物理学家之间争论的问题[23]。Ranga-Ram Chary博士在分析了宇宙微波背景后，根据科学家认为存在于早期宇宙中的质子和电子的数量，发现了一个比应有的亮度高4,500倍的信号，事实上，这种特殊的信号——在复合时代原子形成产生的发射线——更符合物质粒子与光子的比例大约是我们自己的65倍的宇宙。有30%的可能性，这个神秘的信号只是噪音，根本不是真正的信号；然而，它也有可能是真实的，并且存在，因为一个平行宇宙将它的一些物质粒子倾倒到我们自己的宇宙中。毕竟，如果在重组过程中将更多的质子和电子添加到我们的宇宙中，就会形成更多的原子。在它们形成过程中会发射更多的光子。所有这些排放产生的签名线将大大增强。Chary本人明智地持怀疑态度：

我们可观测宇宙之外的许多其他区域将存在，每个这样的区域都由一组不同的物理参数控制，而不是我们为宇宙测量的物理参数[23]。
— Ranga-Ram Chary， "今日美国（USA TODAY）"

Chary还指出[24]：

不寻常的主张，如平行宇宙的证据，需要非常高的举证责任[24]。
— Ranga-Ram Chary， "今日宇宙（Universe Today）"

事实上，Chary所分离出的特征可能是来自遥远的星系的入射光的结果，甚至是来自我们银河系周围的尘埃云[24]。

奥卡姆剃刀

支持者和批评者对于如何运用奥卡姆剃刀存在分歧。批评者认为，为了解释我们自己的宇宙而假设几乎无限数量的不可观测宇宙，这违背了奥卡姆剃刀原理。[25]然而，支持者认为，就柯尔莫哥洛夫复杂性而言，所提出的多元宇宙比单一的特殊宇宙更简单。[26]

例如，多元宇宙的支持者马克斯·泰格马克认为：

整个集合通常比其成员之一简单得多。可以使用算法信息内容的概念更正式地表述这一原则。数字中的算法信息内容大致是产生该数字作为输出的最短计算机程序的长度。例如，考虑所有整数的集合。哪个更简单，整个集合还是一个数字？天真地，您可能会认为单个数字更简单，但整个集合可以由一个非常简单的计算机程序生成，而单个数字可能非常长。因此，整个集合实际上更简单......（类似地），更高级别的多元宇宙更简单。从我们的宇宙到第一级多元宇宙，就无需指定初始条件，升级到第二级多元宇宙，就无需指定物理常数，而第四级多元宇宙，则无需指定任何东西……所有四个多元宇宙级别的共同特点是，最简单、可以说是最优雅的理论默认涉及平行宇宙。要否认这些宇宙的存在，就需要通过添加实验不支持的过程和特设假设来使理论复杂化：有限空间、波函数坍缩和本体论不对称。因此，我们的判断取决于我们认为哪个更浪费和不优雅：多个世界还是多个词语。也许我们会逐渐习惯我们宇宙的怪异方式，并发现它的奇异性是其魅力的一部分。[26][27]
— 马克斯·泰格马克

其他说法

主条目：平行宇宙

参考资料

  1. ^ Swain, Frank. The Universe Next Door: A Journey Through 55 Alternative Realities, Parallel Worlds and Possible Futures. London: New Scientist. 2017: 12. ISBN 9781473658677. 
  2. ^ James, William, The Will to Believe, 1895; and earlier in 1895, as cited in OED's new 2003 entry for "multiverse": "1895 W. JAMES in Internat. Jrnl. Ethics 6 10 Visible nature is all plasticity and indifference, a multiverse, as one might call it, and not a universe."
  3. ^ Tegmark, Max. Parallel Universes. Scientific American. May 2003. 
  4. ^ Tegmark, Max. Parallel Universes (PDF). January 23, 2003 [2006-02-07]. （原始内容 (PDF)存档于2006-03-04）.  (PDF)
  5. ^ Our universe has antimatter partner on the other side of the Big Bang, say physicists. Physics World. 2019-01-03 [2022-06-22]. （原始内容存档于2022-04-25）. 
  6. ^ Letzter, Rafi. Why some physicists really think there's a 'mirror universe' hiding in space-time. Space.com. 2020-06-23 [2022-06-22]. （原始内容存档于2024-02-27） （英语）. 
  7. ^ Boyle, Latham; Finn, Kieran; Turok, Neil. CPT-Symmetric Universe. Physical Review Letters. 2018-12-20, 121 (25): 251301. Bibcode:2018PhRvL.121y1301B. PMID 30608856. S2CID 58638592. arXiv:1803.08928  . doi:10.1103/PhysRevLett.121.251301. 
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参考文献

参见

外部链接

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