存在平行宇宙么，存在平行宇宙么,平行宇宙的理论基础

加来道雄

纵观历史，几乎在每一个古代社会，人们都相信世界还有其他层面，那里住着神和鬼。现在，平行宇宙的概念已经成为理论物理学家争论的最热门的话题之一。在科学文献中，至少有三种类型的平行宇宙被讨论得最为热烈:超级空或高维空、多元宇宙和量子平行宇宙。

Super 空或高维空

有一种平行宇宙是物理学中历史最悠久的——高维空空间。我们生活在三维空间(长、宽、高)空，这是常识。无论我们如何在空中移动一个物体，所有方向都可以用这个三维空坐标来表示。事实上，我们可以用这三个数字来标记宇宙中任何物体的位置，从我们的鼻尖到所有星系的最远角落。

那第四维空呢？这似乎违背了常识。2000年来，任何敢于谈论第四维的数学家都将冒着被嘲笑的风险。然而，黎曼的一次著名演讲却像一阵强劲的旋风，推翻了2000年之久的希腊几何，建立了可以解释弯曲空和高维世界的数学理论。我们今天仍然在使用它。

历史上，物理学家曾经认为四维空只是好奇心的产物。人们一直没有找到任何关于高维度存在的证据空。

弦理论

在美剧《生活大爆炸》中，谢耳朵的主要研究方向是弦理论。如果你是《生活大爆炸》的忠实观众，能解释一下什么是弦理论吗？

超弦理论得出结论，电子和其他亚原子粒子只是弦的不同振动形式，弦的作用就像一个微型橡皮筋。如果你敲击橡皮筋，它会以不同的方式振动，每一次振动都相当于一个不同的亚原子粒子。这样，超弦理论解释了迄今为止在我们的粒子加速器中发现的数百种亚原子粒子。爱因斯坦的理论实际上只是弦的最低水平振动之一。

弦理论被认为是一种“万物理论”，据说爱因斯坦在生命的最后30年里很迷茫。爱因斯坦想要一个单一的，综合的理论来总结所有的物理定律。如果弦理论能够正确地统一广义相对论和量子论，那么它可能象征着自2000年前古希腊人提出物质是由什么组成的问题以来的最高科学成就。

然而，超弦理论的古怪之处在于，这些弦只能在特定的时间空维中振动——它们只能在10维中振动。如果你试图在其他维度创建一个弦理论，那么它会在数学推导中崩溃。

我们在高中的时候就知道，当我们进入Tai 空的时候，我们的重力会降低。更准确地说，重力与距离的平方成反比。但这只是因为我们生活在一个三维的世界里。如果宇宙有四个空维度，那么引力应该和距离的立方成正比。如果宇宙有n 空维，那么引力应该被距离的n-1次方削弱。牛顿著名的反平方定律已经被测试并证明在天文距离上极其精确。这就是为什么我们可以让空探测器以惊人的精度飞越土星环。

2008年，在瑞士日内瓦郊外，大型强子对撞机投入使用，发现了一种被称为“超级粒子”的新型粒子，这是一种更高振动形式的超弦(你在自己周围看到的一切都只是超弦的最低振动形式)。如果大型强子对撞机发现了超粒子，它可能标志着我们看待宇宙的方式的一场革命。在这样的宇宙中，标准模型只代表超弦的最低振动形式。

美国理论物理学家、2017年诺贝尔物理学奖得主基普·索恩说，“到2020年，物理学家将理解量子引力定律，并发现它是弦理论的变种。”

除了高维空，弦理论还预言了其他平行宇宙，即“多元宇宙”。

多元宇宙

普林斯顿高等研究院的爱德华·威滕和剑桥大学的保罗·汤森得出结论，所有五种弦理论实际上都是同一个弦理论——只要我们加上第11维。在第11维中，可以有一个新的数学对象叫做“膜”(比如球面)。这里有一个惊人的发现:如果一个人从11维掉到10维，五个弦理论都会出现，从一个片子开始。所以五种弦论都无非是把一部电影从11维时间空移到10维时间空。

为了形象化这个发现，让我们想象一个中间包着橡皮筋的沙滩排球:想象用一把剪刀把球一分为二，一半在橡皮筋上，一半在橡皮筋下。此时，将沙滩排球的上下两部分都去掉，留下橡皮筋——根线。同理，如果我们把第11维卷起来——一部电影剩下的就是它的赤道，也就是一根弦。

第11维给了我们一个全新的画面。也意味着也许宇宙本身就是一部电影，悬浮在一个11维的时间空。而且，并不是所有这些尺寸都必须很小。事实上，有些维度可能是无限的。

这提高了我们的宇宙存在于另一个多元宇宙中的可能性。想象许多漂浮的肥皂泡，或者说电影。每个肥皂泡代表一个悬浮在更大的11维super 空空间中的宇宙。这些肥皂泡可以与其他肥皂泡结合，或者破裂，甚至短暂出现和消失。我们可能只生活在这些肥皂泡宇宙之一的表面。

根据弦理论的预测，有多少个宇宙？弦理论认为宇宙可能有上千个，都符合广义相对论和量子论。

一般来说，这些宇宙之间的交流是不可能的。我们身体的原子就像被捕蝇纸困住的苍蝇。我们可以在自己电影宇宙的三维里任意行动，却无法跳出宇宙进入超我空空间，因为我们被困在了自己的宇宙里。但引力作为空的弯曲，可以在宇宙的空空间中自由浮动。有一种理论认为暗物质(一种围绕宇宙的不可见物质)可能是悬浮在平行宇宙中的普通物质。同样，有人推测暗物质可能是悬浮在我们头顶的另一个电影宇宙中的一个普通星系。我们可以感受到这个星系的引力，因为引力会在宇宙间慢慢流动，而另一个星系我们是看不到的，因为光在星系下面移动。这样这个星系就会有引力，但是看不到，符合暗物质的描述。

大多数平行宇宙很可能是死的，由看不见的亚原子粒子(如电子和中微子)气体组成。在这些宇宙中，质子可能是不稳定的，所以我们所知道的一切都会慢慢衰变融化。由原子和分子组成的复杂物质可能在很多这样的宇宙中都不存在。其他平行宇宙可能正好相反，复杂的物质形态远远超出我们的想象。它们可能不仅拥有一个由质子、中子和电子组成的原子，还拥有一系列令人眼花缭乱的其他稳定物质形态。

多元宇宙理论有一个有利的事实。当我们分析自然界的常数时，我们发现它们被非常精确地“调整”，从而允许生命存在。如果加大核聚变的强度，恒星会燃烧过快，无法产生生命；如果核聚变的强度降低，那么恒星就永远不会燃烧，生命就无法存在。如果引力加强，那么我们的宇宙就会在一次“大挤压”中迅速死亡；如果引力减弱，宇宙将膨胀到“大冻结”。事实上，自然界的常数中存在着大量的“偶然”，它们允许生命的存在。似乎我们的宇宙存在于一个有很多参数的宜居带，所有的参数都被“微调”成适合生命存在的模式。正如弗里曼·戴森所说，“宇宙似乎知道我们来了。”

量子宇宙

“量子宇宙学”这个概念乍一看，名字似乎自相矛盾:量子理论涉及微小的原子世界，而宇宙学涉及整个宇宙。但是想想这个:在大爆炸的那一刻，宇宙比一个电子还小，而且小得多。每一个物理学家都认同电子必须量子化，也就是说电子可以以平行态存在。所以，如果电子一定是量子化的，如果宇宙曾经小于1个电子，那么宇宙也一定是以平行状态存在的——一种“多世界”的自然方式。

在量子宇宙学中，物理学家从模拟薛定谔方程开始，薛定谔方程决定了电子和原子的波函数。他们使用了作用于宇宙波函数的惠勒-德维特方程。通常薛定谔波函数定义了时间和空之间的每一个点，所以你可以计算出在时间和空之间的那个点找到一个电子的可能性。但是宇宙波函数定义了所有可能的宇宙。如果在定义一个特定的宇宙时，宇宙的波函数恰好很大，那就说明那个宇宙很可能是一个特殊的宇宙。

霍金推广了这一观点。他宣称我们的宇宙是宇宙中的特殊存在。我们宇宙的波函数很大，而大多数其他宇宙的波函数接近于零。这样看来，多元宇宙中存在其他宇宙的可能性虽然很小，但也是有限的。事实上，霍金试图通过这种方式得到通货膨胀率。在这个场景中，膨胀的宇宙比不膨胀的宇宙更有可能存在。因此，我们的宇宙正在膨胀。

我们的宇宙来自于时间空泡的“虚无”。这个理论似乎完全无法证实，但它符合一些简单的观察。

第一，很多物理学家指出，我们的宇宙中正电荷和负电荷的总数正好是0，这很神奇，至少在实验的精度范围内。我们认为Tai 空中的引力是主导力，这是事实，但这只是因为正负电荷刚好相互抵消。如果地球上正负电荷出现最小的不平衡，就有可能把地球撕裂，克服保持地球整体的引力。有一个简单的方法可以解释正负电荷的平衡:假设我们的宇宙来自“虚无”，“虚无”没有电荷。

第二，我们宇宙的自转为零。尽管数学家、逻辑学家和哲学家库尔特·哥德尔花了很多年试图通过积累星系的旋转来证明宇宙是旋转的，但今天天文学家认为整个宇宙的旋转是零。如果宇宙来自虚无，那么这个现象就很好解释了，因为虚无的旋转是0。

第三，我们的宇宙来自虚无，这有助于解释为什么宇宙的物质-能量含量之和如此之小，甚至可能是0。当我们把物质的正能量和与引力有关的负能量相加，两者似乎完全相互抵消了。根据广义相对论，如果宇宙是封闭的、有限的，那么宇宙中物质-能量的总量应该正好是0。

第四，目前我们的技术还远远不足以证明这些平行宇宙的存在，但是平行宇宙的存在并不违背物理定律。