隐藏的现实——平行宇宙是什么

美 B.格林（brian greene）

李剑龙译

人民邮电出版社

2013年

   

自古以来，“宇宙”意味着“所有的东西”。曾几何时，“宇宙”意味着一切。然而近年来，物理学和宇宙学的发现使得众多科学家断言，我们的宇宙可能并非唯一。“多重宇宙”，平行世界。多元宇宙观的时代。思想尺度被拉伸到极致，有一种站在无限时空之外的上帝的体验。

思想的大爆炸。

壮丽的宇宙云图（代序）：刘慈欣

文明的历程，就是人类越看越远的历程，随着视野的延伸，人们所知道的宇宙变得越来越大。

不同民族的神话传说中，都曾出现过覆盖全世界的大洪水，以至于人们曾认为地球真有过一个大洪水时代。其实这可能是一个误解，因为神话中的“世界”概念与我们今天的大不相同，比如《圣经》中的大洪水，也曾经是席卷全世界，但那个世界只是地中海地区极其有限的一个范围。离现在意义上的世界性洪灾还差很远。

后来人们的视野扩展到整个地球，并延伸到星空中。

对于多重宇宙理论，多数来源于量子力学的多世界假说。

九种平行宇宙，最为直观的应该是所谓的百纳布多重宇宙——在一个无限的宇宙中，相距遥远的区域必然形成无数的多重宇宙，最惊人的结论是：基本粒子的组合方式是有限的，如果宇宙无限，那么比人会出现粒子的组合与我们所在的子宇宙相同的其它子宇宙，而这样的子宇宙也有无穷多个。也即是说，我们的世界可能有无数个拷贝。这是一个在数学上最能为我们普通人理解的多重宇宙模型。

最具哲学性的是所谓终极多重宇宙，设想所有可能的规律和参数都是存在的，都能构成各自的宇宙，甚至包括那些无法用数学计算和表达的规律，这无疑是无穷大中的无穷大了。这样的宇宙动摇了认识论的哲学基础。

科学讲出的故事，甚至浪漫和多愁善感，都远远超出文学的 故事。

弦论中的高维空间形态有10的500次方中之多，由此可能产生同样数量的多重宇宙，而我们所在宇宙的所有基本粒子的总和也不过10的90次方。

现代科学，尤其是物理学，已经进化到远远超出了我们日常的经验范围，同时，描述这些理论所用的艰深的数学语言也让人望而生畏。

不能让精神上一辈子没有走出家门。

哥白尼的日心说、牛顿的古典力学、达尔文的进化论。

量子力学出现后，使得大众对理论物理和宇宙学渐渐陌生。量子力学以后的物理学显现出全新的哲学面貌，对于人类所习惯和熟悉的认知方式产生了巨大挑战，特别是一直接受单一哲学教育的中国民众，这种陌生感和挑战就更加明显。

在科学技术飞快地改变着人类生活的同时，但科学的最新世界观却不为人所知。社会公众和科学家眼中的大自然和宇宙的差距越来越大，这种差距可能成为社会进步潜在的最大障碍。

格林与平行宇宙（导读）：李剑龙

哥伦比亚理论物理学家——布莱恩·格林，1963年出生于纽约，研究方向是超弦理论。该理论认为组成世界的基本粒子都是在高维空间中不断振动的弦。掌握了数学这门描述自然规律的基本语言，开始痴迷于物理学的诗意。17岁考入哈佛大学物理系。

广义相对论蕴含一种平等的理念，它将不同运动状态的观察者置于同等的地位。

自物理学诞生以来，理论研究者都试图将千姿百态的物质还原为少数基本成分，并在看似无关的现象中寻找共同的规律。广义相对论用宏观的语言描写了物质和时空之间的亲密纠葛，量子理论用微观的笔触勾勒出基本粒子家族的枝繁叶茂。然而，这两套成功理论却在原则和细节上势如水火，难以相容。自爱因斯坦起，一代又一代都希望通过自己的努力修补二者的关系，取得一个包罗万象的统一理论。

1984年，弦论克服了数学自洽性的困难，从少数精英追捧的小众偶像成为声名鹊起的大众情人。弦论的迷人之处在于，不必刻意为之，它就能自然生成一种传递引力相互作用的微观粒子（引力子），这是人们梦寐以求的特征。但是弦论又预言，这些振动的弦必然生活在10维时空之中。为了解释我们为什么只能看到3维空间和一维时间，弦论学家认为其余的6个维度发生了蜷缩，因而暂时超出了我们探测能力。把这种高维空间形态称之为“卡拉比—丘”空间，正如圆号的蜿蜒铜管决定了空气振动的音色，卡拉比—丘空间也决定着弦的振动可以表现为何等模样的微观粒子。

但目前仍然没有人能构建出与实验结果完全一致的基本粒子。

格林从牛津毕业后，又回到哈佛做博士后，其导师正是大名鼎鼎的丘成桐，丘成桐在数学和物理以及两者的交界地带有着重要影响，将自己数十年来的研究成果和心路历程与人合作写成了《大宇之形》（the space of inner space）。

广义相对论之所以无法纳入量子框架中，原因之一在于其中会存在奇点这样的极端情形。例如，黑洞中心就存在一个体积无限小、密度无限大的奇点。这种情形就像零做除数，在数学上没有意义，在物理上更不能成立。

一年一度的世界科学节成为了纽约市的科学文化地标。

科学思想的戏剧性不亚于任何一部小说——额外的维度、空间撕裂等。

《宇宙的琴弦》

《宇宙的结构——空间、时间及其真实性的意义》（the fabric of the cosmos：sapce，time，and the texture of reality）。

弦论是21世纪的物理偶然落在了20世纪。

通过观察宇宙的微波背景辐射，我们知道宇宙开始于一场大爆炸，经历了一次剧烈的暴胀，然后又开始加速膨胀。这三句话分别促成了三个诺贝尔奖。

 几乎每个民族都有关于星空的神话传说。这些传说有两个特点：（1）它们看似无所不包，但实际上什么都不能解释；（2）由于地处高寒地区的民族没有办法去过赤道，这些传说都有只见树木不见森林之嫌。

亚里士多德的宇宙图景是由50多个层层嵌套的水晶球面组成，地球在中心，灵魂在最外面。第一推动者动用他的力量，使球面由外而内徐徐转动，直到永远。在此后的1000多年中，该图景逐渐被完善，但其中4个核心被人们保留下来（1）地球是中心（1542年的《天体运行论》的日心说）；（2）轨道皆正圆（1572年发现仙后座出现了一颗超新星）；（3）恒星永恒不变；（4）天上非人间。这四个信条分别被哥白尼、第谷、开普勒和牛顿打破。

1610年，伽利略发现太阳存在黑子之后，又通过望远镜发现了原来银河系是由无数遥远的恒星组成。

1687年，牛顿发现万有引力，天上和人间的运动遵循相同的数学规律。

以银河系为中心的宇宙观持续了几个世纪，直到1915年，爱因斯坦提出广义相对论，人们才放眼整个宇宙。——人们在广义相对论的框架内认识到，宇宙正在膨胀。1948年，伽莫夫将粒子物理学方法运用在宇宙起源研究中，预言的宇宙微波背景辐射在1965年得到了 证实。

1924年，哈勃证明仙女座星云是一个像银河系一样的恒星集团，银河并非唯一。1929年，哈勃测量了星系距离和红移的关系，即哈勃定律。

百纳布：碎布缝制的多重宇宙。

暴胀，是宇宙诞生后的大约10的负35次方秒到10的负33次方秒之间发生的一场剧烈加速膨胀。

弦论/M-理论得出的3中多重宇宙：膜的多重宇宙、循环的多重宇宙、景观多重宇宙。

量子的多重宇宙。《上帝掷骰子吗：量子力学史话》——理解量子现实和我们所经历的单一现实之间的关系。

全息多重宇宙。

虚拟多重宇宙、终极多重宇宙，脱离了物理学，有些浓厚的哲学味道。

真实：real reality  realize 、realization embody 和instantiate。

信息化身为真实的粒子。

  作者序

20世纪末和21世纪初，一个疑虑已成定局：当我们谈及揭示现实的真正本质时，日常经验是带有欺骗性的。

当我们的祖先在草原上捕食猎物，在森林里采集野果时，计算电子的量子行为、寻找黑洞的宇宙学意义之类的能力并不能增加他们生存的优势。然而，脑容量变大、智力提高和深度探索周围环境的能力的加强却会产生明显的优势。

有的个体制造了机器，使我们的感官得以延伸；有的个体掌握了数学这种系统表达方法，使我们得以发现和表达世间的规律。有了这些，我们开始窥视日常现象背后的本质。

有别于我们直接见证的一切，空间、世间、物质和能量具有一种特殊的行为品行。对这些品行的深入分析和相关的科学发现正引领我们通向下一个可能的认知巨变：我们的宇宙并非唯一存在的宇宙。

要抛弃最轻松的思维方式，进行一场惊心动魄而易于理解的旅行。

 第一章 现实的宇宙——关于平行世界

两个镜子之间一层又一层的镜像，透过镜子可把视线延伸到很远。光在镜面之间往复穿行，人眼的知觉存在局限性。反射形成的镜像并没有自己的意识。可是这种活力四射的幻想和想象中的平行现实。

从前，“宇宙”的意思是“所有的东西”，一切，全部内容。表面上看，宇宙不止一个、万物不止一种的观念似乎存在语法错误。现在，这个词的含义取决于上下文：有时仍然指绝对的一切；有时，只不过是指像你我这样的人，原则上能够接触到的那部分事物；有时被描述为一些独立世界，这些世界的一部分货全部对我们来说是无法企及的，也许是暂时的，也许是永远无法企及。

“宇宙”的霸权被我们削弱以后，就给其他词让出了位置。平行世界parallel  worlds、平行宇宙parallel universes、多重宇宙 multiple universes、另一些宇宙 alternate universes、还是虚拟实景metaverse 、无上宇宙megaverse——这些词都以一个意思。

量子力学提出：科学的预言必然是概率性的，打破了之前的物理学框架，推翻了经典力学的固定模式。但没有人能解释：为什么在给定条件下，众多可能的结果中只有一个能够实际发生。我们所熟知的任何实验有且只有一个实际发生的结果的观念是不合理的。量子力学背后的数学认为，所有可能的结果都发生了，只不过每一种结果都存在于各自独立的宇宙中。在每一个宇宙中，都有同样的一个你在见证其中某个结果的发生。你认为（错误的认为）自己所在的现实是唯一的。从太阳的核聚变到思想赖以存在的神经冲动，当你发现量子力学允许一切物理过程的发生，这种想法的深邃之处就显而易见。——不存在没有人走过的路，不过每一条这样的路——每一种现实，都深深地隐藏在其他现实背后。

如果空间无限延伸，那么别的地方必然还存在这样一些区域（或许有办法通向那里），那里有你、我和一切事物的拷贝，都沉浸在不同于我们目前所在之处的现实中。

我们的日常生活只不过是一个全息投影，真实的物理过程发生在包裹我们四周的一个遥远的曲面上。

平行宇宙问题是纯理论性的。实验和观测都还没有证明自然界存在其中任何一种版本的宇宙。并不是想让你相信我们所生活的宇宙是多重宇宙的一部分。我自己也不相信，而且，大家都不应该相信任何缺乏坚实数据支持的东西。但，许多物理学的研究进展——如果研究足够深入的话，都会落到某种平行宇宙的框架中。所有平行宇宙理论都源于数学，而这些数学都是用来解释通常现象和数据的科学理论的基础。

理性的步伐和理论思辨的链条指引着物理学家，从各种各样的角度设想我们的宇宙成为万千宇宙一员的可能性。在某种平行理论框架下，原先的一笔糊涂账能否变得井然有序，同时也列出一些至今仍未解决的关键性问题。

但有人认为，如果我们是多重宇宙的一部分，那么人类在宇宙中的地位和重要性就会被边缘化。 

第二章 魅影重重——百纳被多重宇宙

综合所有的细节问题之后，无限大的宇宙会导致一个鲜为人知，却又令人窒息的结论。

根据基本的物理原理，如果宇宙真的无限大，就可以成为无限多个平行世界的家园——有的和我们一样，有的和我们不同，许多地方跟我们的世界毫无雷同之处。

1927年，爱因斯坦对乔治·勒梅特说：“你的数学是对的，但你的物理很恼人”。当时勒梅特告诉爱因斯坦，他十几年前提出的广义相对论的方程，会戏剧性地重写书写创世纪的故事。根据勒梅特的计算，宇宙诞生时只有一丁儿大，密度却高的惊人，他称之为“原始原子”，这个原始原子在漫长的岁月里不断膨胀，形成了现在的可观测宇宙。

爱因斯坦的质能方程是一个新科学理论的基础，能够描绘宇宙的起源。1921年，苏联数学家也发现爱因斯坦方程的解，其中有的空间在扩张，因而导致了宇宙的膨胀。对于这些解，爱因斯坦逡巡而不敢前，一开始认为计算中存在错误，爱因斯坦不愿意把赌注都押在数学计算上，固执地相信宇宙是永恒的，从最宏观的尺度来看宇宙是固定不变的。爱因斯坦告诫勒梅特，宇宙并没有膨胀，而且从来没有膨胀过。

6年后，勒梅特提出了一个更为详细的理论——宇宙始于一团原始的火花，而星系是燃烧的灰烬，漂浮在一汪膨胀空间的海洋中。此时，爱因斯坦评论勒梅特理论是“他所听到的创世理论中最美丽最令人满意的”。勒梅特成为了大爆炸之父。

艾萨克·牛顿的理论提出的万有引力定律，第一次用数学语言描述了大自然中最常见的作用力。爱因斯坦发现牛顿的万有引力定律存在重要缺陷。“引力，是如何发挥作用的。”在1687年的《原理》中，牛顿认识到这个问题的重要性，但他又承认他的定律在这个问题上毫无建树。但牛顿确信，一定有什么东西把引力从一个地方传递到另一个地方，但没有确定那到底是什么东西。

爱因斯坦花了10年的时间来寻找引力的潜在机制。1915年找到了一个答案。引力到底通过什么样的机制在真空中传播？真空表面上看来一无所有，然而实际上，真空中其实存在一种东西：空间。于是爱因斯坦提出，空间本身就是引力的传播介质。

设想你在一个巨大的金属桌上玩弹珠。因为桌面是平坦的，弹珠会沿着一条直线滚动。但如果一场大火将这张桌子吞没，把它烤的凸凹不平，受到坑坑洼洼的桌面的影响，弹珠的运动轨迹会截然不同。爱因斯坦证明，空间的构造也是同样道理。绝对的真空非常像一张平坦的桌面，物体的运动不受任何阻碍，勾画出一条直线。但是，物体的质量会影响空间的形状，有点像高温对金属桌面的影响。比如太阳，在它周围产生一个巨大的突起，就像桌上烫出的一个金属泡。而正是因为桌面发生弯曲，才导致弹珠的运动轨迹也发生弯曲，因此，太阳周围空间的弯曲使得地球和其他行星的轨道形成了现在的样子。

以上的解释虽然简单，却道出了要点。不仅空间会弯曲，时间也一样（所谓时空弯曲（spacetime curvature）。弹珠会沿着桌子的弯曲表面运动，是因为引力在其中其作用（爱因斯坦认为，空间和时间的弯曲不需要引力宰额外帮忙，因为这种弯曲本身就是引力）。空间是三维的，因此，如果空间发生弯曲，物体周围各个方向的空间都会发生弯曲，而不像桌子比喻中只有“下面”发生弯曲。

第三章 永恒和无穷——暴胀多重宇宙

 

第四章 自然定律的统一——通向弦理论之路

 

第五章 宇宙，咫尺之遥——膜和循环多重宇宙

 

第六章 老常数的新思考——景观多重宇宙

 

第七章 科学和多重宇宙——推理、解释和预言

 

第八章 量子测量的多重世界——量子多重世界

 

第九章 黑洞和全息宇宙——全息的多重宇宙

 

第十章 宇宙、计算机和数学现实——虚拟的和终极的多重宇宙

 

第十一章 科学研究的局限性——各种多重宇宙和未来