妳正在讀的另壹篇文章和這篇壹模壹樣嗎？那個家夥不是自己，而是住在壹個迷霧山脈、無盡的元野、喧鬧的城市，並且圍繞著壹顆恒星與其他八顆行星旋轉，而且還被稱為“地球”？他(她)的人生經歷每壹秒都和妳壹樣。然而，也許此刻她正準備放下這篇文章，而妳正打算去讀它。
這種“同時處於兩個地方”的想法聽起來很奇怪，難以置信，但似乎我們不得不接受它，因為它得到了各種天文觀測結果的支持。現在最流行最簡單的宇宙模型指出，在離我們大約10 (10 28)米的地方，有壹個和我們銀河系壹模壹樣的星系，裏面有壹個和妳壹模壹樣的。雖然這個距離超出了人們的想象，但並不影響妳這個“分身”的真實性。這個想法最初源於壹個非常簡單的“自然可能性”，而不是現代物理學的假設:宇宙的大小是無限大的(或者至少足夠大)，正如天文觀測所指出的那樣，物質是均勻分布的。在這種情況下，根據統計規律，可以得出結論:所有的事件(無論多麽相似或相同)都會發生無數次:會有無數個星球孕育出人類，其中會有和妳壹模壹樣的人——長相、名字、記憶甚至行動和選擇都完全壹樣——而且這樣的人會不止壹個，確切地說是無限個。
最新的宇宙學觀測表明，平行宇宙的概念
不是比喻。空間似乎是無限的。如果是這樣，
所有可能發生的事情都是註定要發生的，不管這些事情是什麽
多麽可笑。在我們天文觀測不到的地方。
方，有壹個和我們壹模壹樣的宇宙。天文學家甚至計算出
找出它們離地球的平均距離。
妳可能永遠看不到妳的“影子”。妳能觀測到的最遠距離，是自宇宙大爆炸以來，光走過的最遠距離:大約6543.8+04億光年，也就是4X10^26米——壹個半徑剛好定義了我們可觀測視界大小的球體，或者簡單地說，宇宙的大小，也叫哈勃體積。同樣，妳生活的另壹個宇宙也是壹個同樣大小的球體。以上是對“平行宇宙”最直觀的解釋。每個宇宙都是更大的“多元宇宙”的壹小部分。
有了這樣的“宇宙”定義，人們可能會認為這只是壹種形而上學的方式。但是，物理和玄學的區別在於理論是否能被實驗檢驗，而不在於它看起來是否怪異，是否包含難以察覺的東西。多年來，物理學的前沿壹直在不斷拓展，吸收和融合了許多抽象(甚至是形而上學)的概念，比如球形地球、看不見的電磁場、時間高速緩慢流動、量子重疊、空間彎曲、黑洞等等。近年來，“多元宇宙”的概念也被加入到上述列表中，它與壹些之前被檢驗過的理論，如相對論和量子力學相配合，至少達到了壹個經驗科學理論的基本標準:做出預測。當然，得出的結論也可能是錯誤的。到目前為止，科學家們已經討論了多達四種類型的獨立平行宇宙。現在重要的不是多重宇宙的存在，而是它們有多少個層次。
第壹個層次:超越地平線
所有平行宇宙構成了第壹個多元宇宙。——這是爭議最小的壹層。大家都接受這樣壹個事實，雖然此刻我們看不到另壹個自己，但我們可以在另壹個地方觀察它，或者幹脆在同壹個地方等很久。這就像觀察壹艘從海平面以上駛來的船——觀察地平線外的壹個物體是類似的。隨著光的飛行，可觀測宇宙的半徑每年擴大壹光年，妳只需要坐在那裏觀望。當然，妳可能等不到另壹個宇宙的光到達這裏的那壹天，但理論上，如果宇宙膨脹理論成立，妳的後代可能會用超級望遠鏡看到它們。
怎麽樣，多元宇宙第壹層的概念聽起來不起眼？空間不是無限的嗎？誰能想象某個地方有個牌子寫著“太空結束，小心下面的溝”？如果是這樣，大家會本能地質疑:到底“外”是什麽？事實上，愛因斯坦的引力場理論已經把我們的直覺變成了壹個問題。空間可能不是無限的，只要它有壹定的曲率或者不是我們直覺中的拓撲結構(也就是有壹個互聯的結構)。
壹個球形、甜甜圈形或喇叭形的宇宙可能大小有限，但它沒有邊界。對宇宙微波背景輻射的觀測可以用來檢驗這些假設。另見文章，宇宙是有限的嗎？》作者讓-皮埃爾·盧米內、格倫·d·斯塔克曼、傑弗裏·r·威克斯；《科學美國人》4月1999然而，迄今為止的觀測結果似乎與之相矛盾。無盡宇宙的模型與觀測數據壹致，有很強的限制。
另壹種可能是，空間本身是無限的，但所有物質都被限制在我們周圍的有限區域——曾經流行的“島嶼宇宙”模型。這個模型的不同之處在於，物質的分布會在大尺度上呈現分形圖案，而且會不斷地耗散。在這種情況下，第壹個多元宇宙中的幾乎每個宇宙最終都會變得空虛，陷入沈寂。然而，最近對三維星系分布和微波背景的觀測表明，物質的組織在大尺度上呈現出某種模糊的均勻性，在大於10 24米的尺度上無法觀測到清晰的細節。假設這種模式繼續下去，哈勃體積之外的空間也將充滿行星、恒星和星系。
有數據支持空間延伸到可觀測宇宙之外的理論。WMAP衛星最近測量了微波背景輻射的波動(左)。最強振幅超過0.5 kHz，暗示空間很大，甚至無限大(中圖)。此外，WMAP和2dF星系紅移探測器發現，物質在非常大的尺度下均勻分布在空間中。
生活在第壹個多元宇宙的不同平行宇宙中的觀測者，會感知到和我們壹樣的物理規律，只是初始條件不同。按照現在的理論，物質是在大爆炸前期以壹定的隨機性被拋出的，而這個過程包含了物質分布的所有可能性，而且每壹種可能性都不為零。宇宙學家假設，我們的宇宙，具有近似均勻的物質分布和初始波態(100000的可能性之壹)，是壹個相當典型的(至少在所有產生了觀察者的平行宇宙中是典型的)個體。那麽最近的和妳壹模壹樣的人會在10 (10 28)米之外；只有10 (10 92)米之外才會有壹個半徑為100光年的區域，裏面的壹切都和我們生活的空間壹模壹樣，也就是說，未來100年我們這個世界上發生的壹切都將在這個區域內完全重現；至少在10(10 118)米開外，面積會增大到哈勃的大小，換句話說，會有壹個和我們壹模壹樣的宇宙。
上述估計極為保守。它只列舉了壹個哈勃體積，溫度低於10 8開爾文的空間的所有量子態。其中壹個計算步驟是這樣的:在那個溫度下，壹個哈勃體積空間最多能容納多少質子？答案是10 118。每個質子可能存在也可能不存在，即有* * * 2 (10 118)種可能的狀態。現在妳只需要壹個能裝下2個哈勃空間(10 118)的盒子，所有的可能性都會被窮盡。如果盒子更大——比如邊長為10(10 118)米的盒子——根據鴿子洞原理，質子的排列必然會重復。當然，宇宙不僅僅是質子，還有兩個以上的量子態，但宇宙所能容納的總信息量也可以用類似的方法估算。
與另壹個和我們壹模壹樣的宇宙的平均距離。
最近的“二重身”可能沒有理論計算的那麽遠，但也可能近得多。因為物質的組織也受到其他物理規律的制約。鑒於行星的形成過程和化學方程式等壹些規律，天文學家懷疑僅在我們的哈勃體積中就至少有10 20顆行星有人居住。其中壹些可能與地球非常相似。
第壹個多重宇宙的框架通常被用來評價現代宇宙學的理論，盡管這個過程很少被清楚地表達出來。比如，我們來考察壹下我們的宇宙學家是如何試圖通過微波背景來繪制“球形空間”的宇宙幾何圖的。隨著空間曲率半徑的不同，宇宙微波背景圖上那些“熱區”和“冷區”的大小會表現出壹些特征；觀察面積顯示曲率太小，無法形成球形封閉空間。但是，保持統計的嚴謹性非常重要。每個哈勃空間中這些區域的平均大小完全是隨機的。所以有可能是宇宙在忽悠我們——並不是空間的曲率不足以形成壹個封閉的球體，使得觀測到的面積很小，而只是因為我們宇宙的平均面積自然比別人小。所以當宇宙學家信誓旦旦地說他們的球形空間模型99.9%可靠的時候，他們真正的意思是，我們的宇宙是如此不合群，1000個哈勃體積中只有壹個會是那樣。
這節課的重點是:即使我們無法觀測到其他宇宙，多元宇宙理論仍然可以被實踐驗證。關鍵是預測第壹個多元宇宙中每個平行宇宙的* * *並指出它的概率分布——也就是數學家所說的“測量”。我們的宇宙應該是那些“最有可能的宇宙”之壹。否則——不幸的是，我們生活在壹個不太可能的宇宙中——那麽之前假設的理論就有大麻煩了。正如我們接下來將討論的，如何解決這個測量問題將變得相當具有挑戰性。
多元宇宙第二層示意圖。
第二關:膨脹後留下的氣泡。
如果第壹級多元宇宙的概念不容易消化，可以試著想象下壹個第壹級多元宇宙無限群的結構:群之間相互獨立，甚至有不同的時空維度和物理常數。這些群體構成了第二個多元宇宙——被現代理論預言為“無序持續膨脹”。
作為大爆炸理論的必然延伸，“膨脹”與該理論的許多其他推論密切相關。比如為什麽我們的宇宙這麽大又這麽規則光滑平坦？答案是“空間經歷了壹個快速的拉伸過程”，不僅可以解釋上述問題，還可以解釋宇宙的許多其他性質。參見艾倫·h·古斯和保羅·j·斯坦哈德的《膨脹的宇宙》；科學美國人，5月1984；自傳播膨脹的宇宙作者安德烈·林德，11月1994“膨脹”理論不僅被許多基本粒子理論表述，而且被許多觀測所證實。“無序持續”指的是最大規模的行為。空間作為壹個整體正在被拉伸，並將永遠持續下去。但某些特定區域停止拉動，產生獨立的“氣泡”，就像膨脹的吐司內部的氣泡壹樣。這樣的泡沫數不勝數。它們中的每壹個都是第壹個多重宇宙:大小無限，充滿了由能量場波動沈澱的物質。
對於地球來說，另壹個泡泡無限遙遠，遠到妳即使光速旅行也永遠無法到達。因為地球和“另壹個氣泡”之間的空間伸展的速度遠遠超過妳的旅行速度。如果在另壹個泡泡裏有另壹個妳，即使是妳的後代也絕不會想去觀察他。基於同樣的原因，也就是空間在加速膨脹，觀測結果令人沮喪:連第壹層多空間的另壹個自己都看不到。
多元宇宙的第二層與第壹層有很大不同。氣泡之間不僅初始條件不同，外觀也不同。現在物理學的主流觀點認為，時間和空間的維度，基本粒子的特性，以及很多所謂的物理常數，都不是基本物理定律的壹部分，而只是壹個叫做“對稱性破壞”的過程的結果。例如，理論物理學家認為，我們的宇宙曾經由九個相等的維度組成。在宇宙早期歷史中，只有三個維度參與了空間拉扯，形成了我們現在觀測的三維宇宙。其他的六維現在是無法觀察到的，因為它們蜷縮在壹個非常小的尺度內，所有的物質都分布在這三個完全拉伸的維度“表面”上(對於九維來說，三維只是壹個表面，或者說是壹個“膜”)。
我們生活在3+1維的時空裏，對我們來說並不特別意外。描述自然的時候
當偏微分方程是橢圓或雙曲線方程時，即空間或時間之壹是0維或
同時，觀測者也不可能預測宇宙(紫色和綠色部分)。
在其他情況下(雙曲方程)，如果n >；3.原子不能穩定存在，n
至於不能產生自我意識的觀察者(沒有重力，拓撲結構也是個問題)。
由此，我們說空間的對稱性被破壞了。量子波的不確定性會導致不同的氣泡在膨脹過程中以不同的方式破壞平衡。而且結果會很奇怪。其中壹些可能會延伸到四維空間；其他的可能只形成兩代誇克而不是我們知道的三代；還有壹些宇宙的基本物理常數可能比我們的大。
另壹種產生第二個多元宇宙的方式是經歷宇宙從創造到毀滅的完整循環。在科學史上，這個理論是由壹位名叫理查德·C的物理學家在20世紀30年代提出的。最近，普林斯頓大學的保羅·j·斯坦哈特(Paul J. Steinhardt)和劍橋大學的尼爾·圖羅克(Neil Turok)兩位科學家對此進行了詳細闡述。Steinhardt和Turok提出了壹個“次級三維膜”的模型，這個模型與我們的空間相當接近，但在更高維度上有壹些平移。看到“去過那裏，做過，”喬治·穆瑟；新聞掃描《科學美國人》2002年3月平行宇宙並不是真正意義上的獨立宇宙，而是宇宙整體——過去、現在、未來——形成了壹個多元宇宙，可以證明它所包含的多樣性就像無序膨脹的宇宙壹樣。此外，瓦特盧的物理學家李·斯莫林(Lee Smolin)提出了另壹個與第二個多元宇宙具有相似多樣性的理論，即宇宙是通過黑洞而不是通過膜物理來創造和突變的。
雖然我們無法與第二個多重宇宙中的其他事物發生相互作用，但宇宙學家可以間接指出它們的存在。因為它們的存在可以用來解釋我們宇宙的偶然性。打個比方:假設妳走進壹家酒店，發現壹個房間的門牌號是1967，這是妳出生的年份。太巧了！那壹刻妳驚呆了。但妳立即做出反應絕非巧合。整個酒店幾百個房間，有壹個房間和妳生日壹樣很正常。但是，如果妳看到另壹個與妳無關的數字，就不會引起上面的思考。這是什麽意思？即使妳對酒店壹無所知，也可以用上面的方法解釋很多偶然現象。
再舉壹個比較中肯的例子:考察太陽的質量。太陽的質量決定了它的光度(即輻射總量)。通過基本的物理計算，我們知道，只有當太陽的質量在1.6x 10 30 ~ 2.4x 10 30公斤這樣壹個狹窄的範圍內，地球才有可能適合生命居住。否則地球會比金星熱，或者比火星冷。而太陽的質量正好是2.0x10^30 30公斤。乍壹看，太陽的質量是壹種驚人的運氣和巧合。大多數恒星的質量隨機分布在10 29 ~ 10 32kg的巨大範圍內，所以如果太陽的質量在出生時隨機確定，落在適當範圍內的幾率會很小。但是，有了酒店的經驗，我們明白了，這種表面的意外，其實是大系統(這裏指的是很多太陽系)的必然結果(因為我們在這裏，太陽的質量不得不這樣)。這種與觀察者密切相關的選擇被稱為“人擇原理”。雖然可想而知它引起了多大的爭議，但物理學家已經廣泛接受了在驗證基礎理論時不能忽略這種選擇效應的事實。
適用於酒店房間的原則也適用於平行宇宙。有趣的是，當我們宇宙的對稱性被打破時，所有(至少是大部分)屬性都被“調整”得恰到好處。如果我們對這些特性做哪怕是最微小的改變，整個宇宙都將面目全非——沒有任何生物可以在其中生存。如果質子的質量增加0.2%，就立即衰變為中子，原子就無法穩定存在。如果電磁力減少4%，就沒有氫，沒有恒星。如果弱相互作用更弱，氫也不能形成。相反，如果它們更強，那些超新星將無法向恒星傳播重元素離子。如果宇宙常數較大，會在星系形成前把自己吹得四分五裂。
雖然“宇宙調整得有多好”還沒有定論，但上面提到的每個例子都暗示著有很多平行宇宙包含了每壹種可能的調整狀態。參見馬丁·裏斯的《探索我們的宇宙及其他》；《科學美國人》12月1999第二個多元宇宙表明物理學家不可能確定那些常數的理論值。在考慮了選擇效應後，他們只能計算期望值的概率分布。
第三層次:量子平行世界
第壹個和第二個多重宇宙預言的平行世界相距甚遠，天文學家無法到達。但是下壹個多元宇宙就在妳我身邊。它直接來自於量子力學著名且有爭議的解釋——任何隨機的量子過程都會導致宇宙分裂成多個部分，每個部分代表壹種可能性。
量子平行宇宙。當妳擲骰子時，它似乎隨機得到壹個特定的結果。然而，量子力學指出，那壹刻
妳實際上滾動每個狀態，骰子停在不同宇宙的不同點。壹個宇宙，妳扔1，另壹個。
在宇宙中，妳投了2。但我們只能看到整個真相的壹小部分——其中壹個宇宙。
20世紀初，量子力學理論解釋原子現象的成功掀起了物理學的壹場革命。在原子領域，物質的運動不再遵守牛頓力學的經典定律。雖然量子理論解釋了他們的非凡成功，但它引發了壹場爆炸性的激烈辯論。這到底意味著什麽？量子論指出，宇宙並不像經典理論描述的那樣。決定宇宙狀態的是所有粒子的位置和速度，而是壹個叫波函數的數學對象。根據薛定諤方程，態隨時間以壹種被數學家稱為“統壹”的方式演化，這意味著波函數在壹個被稱為“希爾伯特空間”的無限維空間中演化。雖然量子力學大部分時間被描述為隨機不確定的，但是波函數本身的演化模式是完全確定的，完全沒有隨機性。
關鍵問題是如何把波函數和我們觀察到的聯系起來。很多合理的波函數，導致了看似荒謬、不合邏輯的狀態，比如在所謂的量子疊加下，既死又活的貓。為了解釋這種奇怪的情況，20世紀20年代，物理學家提出了壹個假設，當有人試圖觀測時，波函數立即“坍縮”成經典理論中的某種狀態。這種額外的假設可以解決觀察發現的問題，但卻讓原本優雅和諧統壹的理論東拼西湊，失去了統壹性。隨機性的本質通常被歸因於量子力學本身就是這些令人不快的假設的結果。
許多年後，物理學家逐漸放棄了這個假設，開始接受普林斯頓大學畢業生休·埃弗雷特(Hugh Everett)在1957年提出的壹個觀點。他指出“波函數坍縮”的假設完全沒有必要。純量子理論實際上不會產生任何矛盾。預示著壹個實態會逐漸分裂成許多重疊的實態，觀察者在分裂過程中的主觀體驗只是壹個可能性與之前的“波函數坍縮假說”完全相等的輕微隨機事件。這個重疊的傳統世界就是第三個多元宇宙。
四十多年來，物理學界數次猶豫是否接受埃弗雷特的平行世界。但是如果把它分成不同的觀點會更容易理解。研究它的數學方程的物理學家站在外在的角度，就像鳥兒在空中飛翔考察地面；生活在方程所描述的世界中的觀察者站在內在的角度，就像壹只被鳥俯視的青蛙。
在鳥看來，整個第三多重宇宙都很簡單。它可以用壹個平滑演化和確定的波函數來描述，而不會引起任何分裂或平行。這種演化波函數所描述的抽象量子世界包含了大量的平行經典世界。它們無時無刻不在分裂和融合，就像壹堆經典理論無法描述的量子現象。在青蛙看來，觀察者只感知到全部真相的壹小部分。他們可以觀測到自己的第壹個宇宙，但是壹個叫做“退相幹”的函數，模仿波函數的坍縮效應，同時保留統壹性，阻止了他們觀測到與之平行的其他宇宙。
每當觀察者被問到壹個問題、做出壹個決定或回答壹個問題時，他大腦中的量子作用就會導致復合結果，比如“繼續閱讀這篇文章”和“放棄閱讀這篇文章”。在鳥看來，“做決定”的行為導致這個人壹分為二，壹個人繼續看文章，另壹個人做別的事情。在青蛙看來，兩個分身都沒有意識到對方的存在，他們對剛才分裂的感知只是壹個輕微的隨機事件。他們只知道自己做了什麽決定，卻不知道另壹個“他”在同壹時間做了不同的決定。
聽起來很奇怪，這種事情也發生在上面提到的第壹個多元宇宙中。很明顯，妳剛剛做出了“繼續看這篇文章”的決定，但在遙遠的另壹個星系，妳看完第壹段就放下了雜誌。第壹宇宙和第三宇宙的唯壹區別是“另壹個妳”在哪裏。在第壹個宇宙裏，他離妳很遠——通常在次元空間的概念裏是“遠”。在第三個宇宙中，妳的分身生活在另壹個量子分支，中間隔著壹個無限維的希爾伯特空間。