平行宇宙终结于哪一层?宇宙最不可理解之处在

2019-05-28 作者:科学研究   |   浏览(151)

宇宙的最不可理解之处在于它是可以理解的。

本文经授权转载自《赛先生》微信公众号

——爱因斯坦

宇宙的最不可理解之处在于它是可以理解的。——爱因斯坦

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撰文 | 李唐

撰文 | 李唐

编辑 | 金庄维

编辑 | 金庄维

来源 | 赛先生 微信公众号

北欧神话中的主神奥丁曾唤醒了女先知沃耳娃,希望她能向诸神公开世界的开端和终结。沃耳娃说道:

北欧神话中的主神奥丁曾唤醒了女先知沃耳娃,希望她能向诸神公开世界的开端和终结。沃耳娃说道:

我记得巨人在时间的黎明中诞生,

我记得巨人在时间的黎明中诞生,

还有那些赋予我生命的神灵。

还有那些赋予我生命的神灵。

我知道九个世界,九个地界,为世界树所覆盖,

我知道九个世界,九个地界,为世界树所覆盖,

这棵树种植在智慧之中,深深扎根在大地的怀抱。

这棵树种植在智慧之中,深深扎根在大地的怀抱。

《神圣的存在——比较宗教的范型》

《神圣的存在——比较宗教的范型》

宇宙在这里被描绘成一棵无边无际的大树。如果我们将宇宙当做一切物质的总和,那么这位先知的宇宙中便已包含了多个世界。

宇宙在这里被描绘成一棵无边无际的大树。如果我们将宇宙当做一切物质的总和,那么这位先知的宇宙中便已包含了多个世界。

从神话时代起,人类便已开始构造自己的宇宙理论,而他们的想象力更是突破了单一世界的界限。在那里,我们迈出了通向平行世界的第一步。毋庸置疑,这是伟大的时刻。

从神话时代起,人类便已开始构造自己的宇宙理论,而他们的想象力更是突破了单一世界的界限。在那里,我们迈出了通向平行世界的第一步。毋庸置疑,这是伟大的时刻。

神话表现了先民深邃的结构性思维和科学诞生的潜力,因此我们绝不能忽视神话的作用。就像恩斯特·卡西尔所说:“神话和语言……相互作用,共同为伟大的综合准备土壤。而从这些综合中就涌现出了我们心智的创造物——统一的宇宙视象。”

神话表现了先民深邃的结构性思维和科学诞生的潜力,因此我们绝不能忽视神话的作用。就像恩斯特·卡西尔所说:“神话和语言……相互作用,共同为伟大的综合准备土壤。而从这些综合中就涌现出了我们心智的创造物——统一的宇宙视象。”

人类发现了宇宙,也发明了宇宙学,而平行世界更是宇宙学思想的奇瑰。从某种程度上说,我们走在宇宙的屋脊之上。接下来,我们将领略平行宇宙的奇妙。

人类发现了宇宙,也发明了宇宙学,而平行世界更是宇宙学思想的奇瑰。从某种程度上说,我们走在宇宙的屋脊之上。接下来,我们将领略平行宇宙的奇妙。

历史的回顾:从古希腊到中世纪

历史的回顾:从古希腊到中世纪

希腊人得到的赞誉超越了绝大多数古代文明,赞美希腊已成为“厚古薄今”的典范。近现代的宇宙学思想几乎都可以在希腊人那里找到类似之物:日心世界,无限空间,宇宙在时间上的开端……这真是令人惊叹!

希腊人得到的赞誉超越了绝大多数古代文明,赞美希腊已成为“厚古薄今”的典范。近现代的宇宙学思想几乎都可以在希腊人那里找到类似之物:日心世界,无限空间,宇宙在时间上的开端……这真是令人惊叹!

罗马主教Hippolytus在公元2世纪写过一篇《驳一切异教邪说》,里面提到了古希腊哲学家德谟克利特的宇宙观。在这个宇宙中,物质总是在空无中运动,存在不计其数、大小各异的世界。可见,世界的多重性在古希腊是确实存在的。

罗马主教Hippolytus在公元2世纪写过一篇《驳一切异教邪说》,里面提到了古希腊哲学家德谟克利特的宇宙观。在这个宇宙中,物质总是在空无中运动,存在不计其数、大小各异的世界。可见,世界的多重性在古希腊是确实存在的。

亚里士多德曾讨论过其它世界存在的可能性——它们与我们这个世界同时存在,且性质相同。但他否认了其它世界的存在。万物皆处宇宙之内,宇宙之外一无所有。

亚里士多德曾讨论过其它世界存在的可能性——它们与我们这个世界同时存在,且性质相同。但他否认了其它世界的存在。万物皆处宇宙之内,宇宙之外一无所有。

在公元2世纪末或3世纪上半叶,一些基督教护教士提出可以利用异教的希腊思想和学术为基督教服务。后来的一些神学家更是认为自然哲学的知识对解读《圣经》大有裨益。从这一方面看,基督教神学也促进了科学的进步和发展。虽然认为异教哲学会动摇信仰的论调一直存在,但其基本处于次要的位置。

在公元2世纪末或3世纪上半叶,一些基督教护教士提出可以利用异教的希腊思想和学术为基督教服务。后来的一些神学家更是认为自然哲学的知识对解读《圣经》大有裨益。从这一方面看,基督教神学也促进了科学的进步和发展。虽然认为异教哲学会动摇信仰的论调一直存在,但其基本处于次要的位置。

在1277年教会对于异教学术的大谴责(属于对自然哲学的偶然回击)以后,其它世界的存在性开始得到基督教学者的重视。毕竟之前亚里士多德及其基督教追随者都认为只有一个世界。神学家开始思考一个问题:上帝是否曾创造过其它世界?如果他愿意,他是否可能现在就创造出其它世界?

在1277年教会对于异教学术的大谴责(属于对自然哲学的偶然回击)以后,其它世界的存在性开始得到基督教学者的重视。毕竟之前亚里士多德及其基督教追随者都认为只有一个世界。神学家开始思考一个问题:上帝是否曾创造过其它世界?如果他愿意,他是否可能现在就创造出其它世界?

在亚里士多德的世界之内,所有具有重之性质的物体在不受阻碍时总是延直线落向地心,即宇宙的几何中心;而像气体这样的轻物便会朝着天空直线上升。因此,如果认为全能的上帝曾经创造出其它相同的世界,那一个世界中的重物是否会倾向于落向另一世界的中心?显然,这会导致困难——所有的物质都变成了布里丹的驴子。(14世纪,法国经院哲学家布里丹在一次议论自由问题时讲了这样一个寓言故事:一头饥饿至极的毛驴站在两捆完全相同的草料中间,可是它却始终不知道应该先吃哪一捆才好,结果被活活饿死。)

在亚里士多德的世界之内,所有具有重之性质的物体在不受阻碍时总是延直线落向地心,即宇宙的几何中心;而像气体这样的轻物便会朝着天空直线上升。因此,如果认为全能的上帝曾经创造出其它相同的世界,那一个世界中的重物是否会倾向于落向另一世界的中心?显然,这会导致困难——所有的物质都变成了布里丹的驴子。(14世纪,法国经院哲学家布里丹在一次议论自由问题时讲了这样一个寓言故事:一头饥饿至极的毛驴站在两捆完全相同的草料中间,可是它却始终不知道应该先吃哪一捆才好,结果被活活饿死。)

米德尔顿的理查德(Richard of Middleton)提出了一种看法,他认为每个世界都自成一体,每一个地球都静止于所属世界的中心,一个世界中的物质并不会受其它世界的影响;可以说,世界是平行的。因此,如果将另一个世界中的重物放入我们的世界,它仍会向我们世界的中心坠落。

米德尔顿的理查德(Richard of Middleton)提出了一种看法,他认为每个世界都自成一体,每一个地球都静止于所属世界的中心,一个世界中的物质并不会受其它世界的影响;可以说,世界是平行的。因此,如果将另一个世界中的重物放入我们的世界,它仍会向我们世界的中心坠落。

这是物理定律在多世界的扩展。倘若上帝创造了其它世界,它们也遵从与这个世界相同的物理定律。

这是物理定律在多世界的扩展。倘若上帝创造了其它世界,它们也遵从与这个世界相同的物理定律。

尽管亚里士多德拒斥多重世界,但他的中世纪的追随者们认为这些世界是可能的也是可以理解的,上帝可以根据自己的意志开启其它的创世纪元。

尽管亚里士多德拒斥多重世界,但他的中世纪的追随者们认为这些世界是可能的也是可以理解的,上帝可以根据自己的意志开启其它的创世纪元。

“有限”而又“无界”的宇宙

“有限”而又“无界”的宇宙

中世纪的主流宇宙学思想可以说是托勒密或者亚里士多德主义的——地球是世界的中心,并被有限的天球所包围。

中世纪的主流宇宙学思想可以说是托勒密或者亚里士多德主义的——地球是世界的中心,并被有限的天球所包围。

我们常说的“哥白尼革命”将太阳放到了宇宙的中心位置,地球开始运动。但我们必须注意,哥白尼工作中来自希腊传统的旧特征远比新特征显着,正如着名科学史家爱德华·扬·戴克斯特豪斯所说:“保守与革新的结合典型地刻画了科学思想发生彻底变化的方式,通常使用的‘革命’一词根本不能完全概括它。”

我们常说的“哥白尼革命”将太阳放到了宇宙的中心位置,地球开始运动。但我们必须注意,哥白尼工作中来自希腊传统的旧特征远比新特征显着,正如着名科学史家爱德华·扬·戴克斯特豪斯所说:“保守与革新的结合典型地刻画了科学思想发生彻底变化的方式,通常使用的‘革命’一词根本不能完全概括它。”

除了数理天文学方面的一些优化,哥白尼也认为静止和中心的地位更适合拥有最高价值的太阳——它是光和生命之源。但是,哥白尼的宇宙依然被来自古希腊的有限天球包围。

除了数理天文学方面的一些优化,哥白尼也认为静止和中心的地位更适合拥有最高价值的太阳——它是光和生命之源。但是,哥白尼的宇宙依然被来自古希腊的有限天球包围。

在牛顿那里,宇宙已经变得开放。神造世界在时间和空间上都是无限的,属于上帝的绝对时间和绝对空间是事物存在的框架(当然,在哥白尼和牛顿之间还有许多伟大的思想家)。

在牛顿那里,宇宙已经变得开放。神造世界在时间和空间上都是无限的,属于上帝的绝对时间和绝对空间是事物存在的框架(当然,在哥白尼和牛顿之间还有许多伟大的思想家)。

爱因斯坦的相对论是现代物理学的两大基石之一,其中广义相对论更是革新了我们的宇宙观。宇宙究竟是有限还是无限?我们可以利用非欧几里得几何学带来的强大思维怀疑宇宙的无限性。

爱因斯坦的相对论是现代物理学的两大基石之一,其中广义相对论更是革新了我们的宇宙观。宇宙究竟是有限还是无限?我们可以利用非欧几里得几何学带来的强大思维怀疑宇宙的无限性。

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(图源:JAMES MERTENS)

(图源:JAMES MERTENS)

我们设想一种生活在平面空间的二维生物,它们的宇宙是一个无限延伸的平面。如果它们的世界是平直的,便可以将其想象为一张无限薄的平铺的纸,上面的线或圈便是这些生物的形态。

我们设想一种生活在平面空间的二维生物,它们的宇宙是一个无限延伸的平面。如果它们的世界是平直的,便可以将其想象为一张无限薄的平铺的纸,上面的线或圈便是这些生物的形态。

接下来,我们考虑另一种二维的存在,即一个球体的表面。我们可怜的二维朋友是无法离开这个球面的,它们所能观察到的整个宇宙便是这个球面。如果它们足够聪明,便可以通过测量得知这个世界是非欧几里得的世界,宇宙的面积也可以通过也可以通过测量得到。如果这个球面较小,这些二维生物也许可以在它们灭亡之前得到宇宙的面积。

接下来,我们考虑另一种二维的存在,即一个球体的表面。我们可怜的二维朋友是无法离开这个球面的,它们所能观察到的整个宇宙便是这个球面。如果它们足够聪明,便可以通过测量得知这个世界是非欧几里得的世界,宇宙的面积也可以通过也可以通过测量得到。如果这个球面较小,这些二维生物也许可以在它们灭亡之前得到宇宙的面积。

它们在球面上不断移动,环球旅行的结果始终是回到原地。它们并没有遇到阻止前进的界限,就像麦哲伦当年也未遇到一个牌子——上面写着:“此处不通,请原路返回”。显然,这些生物的宇宙是有限的,但也是无界的。

它们在球面上不断移动,环球旅行的结果始终是回到原地。它们并没有遇到阻止前进的界限,就像麦哲伦当年也未遇到一个牌子——上面写着:“此处不通,请原路返回”。显然,这些生物的宇宙是有限的,但也是无界的。

现在,我们可以自然地想象我们的三维宇宙中的类似情况。广义相对论告诉我们,空间并不是如牛顿所想的绝对舞台,其几何性质由物质决定;用着名物理学家惠勒的话说:“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。”

现在,我们可以自然地想象我们的三维宇宙中的类似情况。广义相对论告诉我们,空间并不是如牛顿所想的绝对舞台,其几何性质由物质决定;用着名物理学家惠勒的话说:“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。”

如果将我们的宇宙类比为一个二维平面,物质的存在会使上面出现轻微的褶皱,爱因斯坦将其比喻为一个“有细微波纹的湖面”。

如果将我们的宇宙类比为一个二维平面,物质的存在会使上面出现轻微的褶皱,爱因斯坦将其比喻为一个“有细微波纹的湖面”。

这样的宇宙可以恰当地称为准欧几里得宇宙。就其空间而言,这个宇宙是无限的。但是计算表明,在一个准欧几里得宇宙中物质的平均密度必然要等于零。因此这样的宇宙不可能处处有物质存在。

这样的宇宙可以恰当地称为准欧几里得宇宙。就其空间而言,这个宇宙是无限的。但是计算表明,在一个准欧几里得宇宙中物质的平均密度必然要等于零。因此这样的宇宙不可能处处有物质存在。

……

……

如果在这个宇宙中我们有一个不等于零的物质平均密度,那么,不论这密度与零相差多么小,这个宇宙就不可能是准欧几里得的。相反,计算的结果表明,如果物质是均匀分布的,宇宙就必然是球形的。由于实际上物质的细微分布不是均匀的,因而实在的宇宙在其各个个别部分上会与球形有出入,亦即宇宙将是准球形的。但是这个宇宙必然是有限的。

如果在这个宇宙中我们有一个不等于零的物质平均密度,那么,不论这密度与零相差多么小,这个宇宙就不可能是准欧几里得的。相反,计算的结果表明,如果物质是均匀分布的,宇宙就必然是球形的。由于实际上物质的细微分布不是均匀的,因而实在的宇宙在其各个个别部分上会与球形有出入,亦即宇宙将是准球形的。但是这个宇宙必然是有限的。

爱因斯坦《狭义与广义相对论浅说》

爱因斯坦《狭义与广义相对论浅说》

如果我们延一个方向做星际旅行,在经过足够长的时间后便会回到起点,就像前面旅行的二维生命那样。因此,这个宇宙也是无界的。

如果我们延一个方向做星际旅行,在经过足够长的时间后便会回到起点,就像前面旅行的二维生命那样。因此,这个宇宙也是无界的。

宇宙是否如爱因斯坦所设想的那样仍悬而未决,但通过上面的叙述,我们可以想象一个四维的超空间中漂浮着无数三维宇宙。

宇宙是否如爱因斯坦所设想的那样仍悬而未决,但通过上面的叙述,我们可以想象一个四维的超空间中漂浮着无数三维宇宙。

接下来我们将看到,这是平行宇宙的一种特殊形式。

接下来我们将看到,这是平行宇宙的一种特殊形式。

第一层平行宇宙:无限世界

第一层平行宇宙:无限世界

现代宇宙学理论认为我们的宇宙起源于一次约140亿年前的大爆炸,爆炸之后空间极速膨胀,即发生了“暴胀”。我们所能看到的最远距离就是自大爆炸以来光行进的路程;因为根据狭义相对论,信息传递的速度不能超过光速。

现代宇宙学理论认为我们的宇宙起源于一次约140亿年前的大爆炸,爆炸之后空间极速膨胀,即发生了“暴胀”。我们所能看到的最远距离就是自大爆炸以来光行进的路程;因为根据狭义相对论,信息传递的速度不能超过光速。

计算告诉我们这个距离大约是400000000000000000000000000米。以此为半径的球体便是可观测的宇宙,而整个宇宙现在已膨胀到约400亿光年之外(空间膨胀本身不传递任何信息,故可以超越光速)。两个不相交的球形空间之间不能发生因果联系,分别处于其中的两个观察者也不能互相看见。

计算告诉我们这个距离大约是400000000000000000000000000米。以此为半径的球体便是可观测的宇宙,而整个宇宙现在已膨胀到约400亿光年之外(空间膨胀本身不传递任何信息,故可以超越光速)。两个不相交的球形空间之间不能发生因果联系,分别处于其中的两个观察者也不能互相看见。

如果空间是无限的,且物质在大尺度上也分布得足够均匀,一切便皆有可能发生。应该存在无数个太阳系、无数个地球、无数个拥有和你一样外表与记忆的人。无限多世界存在于整个宇宙之中,任何可能的世界历史都会存在。这就是第一层平行宇宙。在某种程度上说,我们又回到了布鲁诺的宇宙——上帝将在无穷个世界中得到赞美。

如果空间是无限的,且物质在大尺度上也分布得足够均匀,一切便皆有可能发生。应该存在无数个太阳系、无数个地球、无数个拥有和你一样外表与记忆的人。无限多世界存在于整个宇宙之中,任何可能的世界历史都会存在。这就是第一层平行宇宙。在某种程度上说,我们又回到了布鲁诺的宇宙——上帝将在无穷个世界中得到赞美。

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(图源:pixabay.com)

(图源:pixabay.com)

这是疯狂的想法!在我们日常生活的尺度下,欧几里得几何是高度精确的;目前并未听说有哪位建筑师在设计时会考虑混凝土墙对周围空间的弯曲。在这种条件下,利用平直的几何学想象无限空间是件简单且自然的事。古代的哲学家们可以通过逻辑和推理得到多重宇宙的世界图景;但在这个科学的时代,我们更希望有较为可靠的证据支持这一观点。

这是疯狂的想法!在我们日常生活的尺度下,欧几里得几何是高度精确的;目前并未听说有哪位建筑师在设计时会考虑混凝土墙对周围空间的弯曲。在这种条件下,利用平直的几何学想象无限空间是件简单且自然的事。古代的哲学家们可以通过逻辑和推理得到多重宇宙的世界图景;但在这个科学的时代,我们更希望有较为可靠的证据支持这一观点。

前面已经提到,爱因斯坦的引力理论允许宇宙是有限的,但相应的空间必然是弯曲的。最近对于宇宙大爆炸的余辉——宇宙微波背景辐射的观测显示,在较大尺度上空间几乎没有弯曲。这意味着平坦的无限模型更为符合观测数据,而空间弯曲的模型还有很强的限制(我们还不能完全肯定或否定二者之一);空间无限的宇宙也是前面所说的暴胀宇宙理论的直接预言。

前面已经提到,爱因斯坦的引力理论允许宇宙是有限的,但相应的空间必然是弯曲的。最近对于宇宙大爆炸的余辉——宇宙微波背景辐射的观测显示,在较大尺度上空间几乎没有弯曲。这意味着平坦的无限模型更为符合观测数据,而空间弯曲的模型还有很强的限制(我们还不能完全肯定或否定二者之一);空间无限的宇宙也是前面所说的暴胀宇宙理论的直接预言。

第一层平行宇宙存在的另一个前提是物质分布的均匀性。三维星系分布图显示,观测到的特殊大型结构(如巨数星系组成的超级集团)会消解在更大尺度上的单调均匀之中。宇宙微波背景辐射的测量也证实,均匀化的趋势一直延伸到我们的可观测宇宙的尽头。因此我们可以大概率地相信,可观测宇宙之外仍然充满了星体。

第一层平行宇宙存在的另一个前提是物质分布的均匀性。三维星系分布图显示,观测到的特殊大型结构(如巨数星系组成的超级集团)会消解在更大尺度上的单调均匀之中。宇宙微波背景辐射的测量也证实,均匀化的趋势一直延伸到我们的可观测宇宙的尽头。因此我们可以大概率地相信,可观测宇宙之外仍然充满了星体。

那么,不同宇宙中的状况相同吗?

那么,不同宇宙中的状况相同吗?

在第一层平行宇宙,所有的居民都会观察到相同的物理定律。暴胀初期,以随机性为显着特征的量子力学会在这个较小的空间中产生不同的初始条件,它们以一定的概率随机分布。这样,相同的条件在别处也是完全可能存在的。这意味着虽然现在有许多宇宙的状况(由初始条件遵循物理定律演化而来)与我们大不相同,但这里发生的事情在别的宇宙也有可能重演。

在第一层平行宇宙,所有的居民都会观察到相同的物理定律。暴胀初期,以随机性为显着特征的量子力学会在这个较小的空间中产生不同的初始条件,它们以一定的概率随机分布。这样,相同的条件在别处也是完全可能存在的。这意味着虽然现在有许多宇宙的状况(由初始条件遵循物理定律演化而来)与我们大不相同,但这里发生的事情在别的宇宙也有可能重演。

第二层平行宇宙:暴胀的泡泡们

第二层平行宇宙:暴胀的泡泡们

具有相同物理定律的第一层平行宇宙是简单的,但更为复杂的平行宇宙系统也可能存在。在流行的混沌暴胀模型中,暴胀在空间的某些区域会停止下来。这些区域虽然仍可能在加速膨胀(就像我们的宇宙一样),但其速度已经大大低于暴胀,使得生命的出现成为可能。

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