漫威裏的平行宇宙真的存在嗎？這篇天體物理乾貨告訴你
在這個世界之外，是否還存在着許許多多的世界，存在着許許多多的“我”，彼此相似得如同一根樹枝上的分叉？
這種“平行宇宙”的概念，在電影中早已不算新鮮，許多人隨口就能報出幾個電影名，比如《彗星來的那一夜》、《復仇者聯盟4》、《蝴蝶效應》……
然而，現實往往比電影更科幻，平行宇宙的概念竟然真的能找到一定科學依據。
在天文學中，有一個科學猜想名為“多元宇宙”，簡單來説就是世界之外仍有世界，宇宙之外仍有宇宙，與平行宇宙的概念相差無幾。
多元宇宙猜想是怎麼提出來的？
薛定諤的貓和多元宇宙有何關係？
如果多元宇宙存在，我們怎麼看待自己的命運與存在呢？
在《太空是什麼形狀的？》一書中，天文學科普作家賈爾斯·斯帕羅從“太空是什麼形狀的？”這個簡單的問題入手，梳理了過去幾個世紀人類對宇宙的認識，對當下前沿研究進行了科普，並展望了宇宙的未來。
此外，賈爾斯·斯帕羅還接受了中信大方及造就聯合發起的提問，回答了一些讀者提出的問題：
1.學習太空科學知識對普通人有什麼意義？
2.人們會重燃對太空探索的興趣嗎？
3.埃隆·馬斯克認為人類應該成為跨行星物種——你怎麼看？
4.我們現在對宇宙的瞭解有多深？
賈爾斯·斯帕羅答讀者問
歡迎在本篇文章下留言，被zan最多的3位評論者，將獲得造就送出的《太空是什麼形狀的？》一本。
以下內容節選自《太空是什麼形狀的？》，由出版社授權發佈：
我們穿越太空時，會發現自己穿越了無數個哈勃體積——像我們在地球時所擁有的時空氣泡一樣重疊的時空氣泡，每個氣泡都從原始大爆炸的極小部分開始膨脹，並向各個方向延伸。
因此，把最大規模的空間想象成一個以驚人速度（遠遠快於光速）增長並由無數快速膨脹的氣泡組成的巨大球體似乎是合理的。
這解決了空間形狀的問題。但別急，看似平坦的宇宙（U.）的無盡延伸實際上只是宇宙無限性的幾種不同表現之一。其中一些意味着存在超出我們通常感知範圍的其他維度。
即使在我們熟悉的三維空間中，空間是平的，那麼在這些更高的維度中，它仍然可能呈現奇異的形狀。
做好準備，因為事情會變得很奇怪。
物理學家通常將集合多個獨立“宇宙”（無論你想怎樣定義它們）的複雜結構稱為“多元宇宙”。
這個術語最早是由美國哲學家威廉·詹姆斯（William James，1842-1910）在1895年創造的（儘管他相當粗略地談論的是超越世俗的感知概念）。
同時，第一個提出多元宇宙可能是物理現實的人是奧地利著名物理學家埃爾温·薛定諤。他在1952年的一次有影響力的演講中提出了這個想法。
以上所描述的無窮無盡的時空，和數量上無限的可觀測宇宙，是我們能想象的最簡單的多元宇宙類型。
關於它的性質，我們能推斷出什麼？
與我們所處宇宙質料相同並源自我們假定各處狀態均等的大爆炸，它們實際只是“更多的時空”。
如果我們能通過魔術門進入多元宇宙的另一部分，我們可以合理地期望它們的基本情況與我們的十分相似：空間仍是三維的，時間是一維的，以常見方式運算的物理常數也不變。
當然，可能會有一些有趣的變化。例如，儘管我們不能確定，但是多元宇宙的某些部分可能被反物質所主宰。
物質和反物質理論上是在大爆炸期間產生的，兩者的數量相同。物質在當今宇宙中的主導地位仍然是個謎。
有人懷疑這與某些亞原子粒子的相互作用從根本上打破了“對稱性”有關。這可能意味着整個多元宇宙都偏向由物質佔主導的方向，但我們還不能完全確定。
2011年，科學家們發現了一個“反質子”（粉色）儲層，它被地球表面幾百千米的磁場層困住了
對於多元宇宙來説，“更多的相同”乍一看似乎有點乏味，但我們必須記住，我們談論的是無限多的相同。在基本物理參數範圍內，無限多種可能的場景可能會出現在不同的可觀測宇宙（U.）中。
可能會有另一個星球或多或少和我們的一樣，在那裏有另一個你和另一個我——只不過在那裏我是左撇子，你乘飛艇去工作，我們都是恐龍的後代。
事實上，如果多元宇宙真的是無限的，那麼幾乎必然有那樣一個世界，以及所有其他可以想象的和物理上可能出現的結果。
然而，這種時空延展的多元宇宙只是多元宇宙的一種類型——在有影響力的宇宙學家馬克斯·泰格馬克所歸類的四種宇宙中，這種擴展是最低級也是最直觀的層次。
在泰格馬克的“數學宇宙（U.）”假説中，每種多元宇宙都可以嵌套在一個更高級、更深奧的層次上。
所以，以上討論中相當直觀的無限時空的“一級”多元宇宙，只是“二級”多元宇宙中眾多（可能有無限多）這樣的結構之一。依此類推……
但是這些更高的層級到底是什麼呢？層級越高，它們越難以理解，所以我們將從第二級開始討論。
從本質上説，二級多元宇宙是一個不斷產生“氣泡”的物體，這些氣泡本身就是一級多元宇宙，並且可能顯示出彼此顯著不同的特徵。
二級多元宇宙概念依賴於一種可能性，即具有獨特性質的新時空氣泡不斷從宇宙的原始多維物質中膨脹出來
雖然一級多元宇宙的所有部分有相同的基本物理性質，但二級多元宇宙中分開的氣泡可能顯示出截然不同的物理常數——甚至是不同維度數下的不同時空排列。
二級多元宇宙論點的證據來自宇宙（U.）早期歷史中發生的一個重要事件。它僅發生在大爆炸後的10-35秒。
這一事件被稱為暴脹，它見證了初期宇宙（U.）的一小部分突然劇烈膨脹，從一個小原子的大小膨脹到像銀河系一樣的星系大小，然後在大約大爆炸後10-23秒結束膨脹。
……
不管二級多元宇宙是否存在，還有另一個更奇異、層次更高的多元宇宙——它完全破除了我們所持的一切關於“形狀”的固有觀點。
三級多元宇宙從令人困惑的量子物理理論中浮現，確切來説是源自休·埃弗雷特三世在20世紀50年代提出的多世界詮釋。
量子物理是控制非常小物體的物理：亞原子粒子領域。人們在大約一個世紀前發現它。它的一個關鍵認識是波粒二象性，即我們通常認為是粒子的物體，如電子，也可以表現出類似波的特徵。
這意味着一個粒子的準確性質（如它的位置或動量）可以保持波形並擴散，直到我們通過某種觀測方式來“測量”它們。
量子波函數是一個複雜的“對象”，干擾模式可以增加粒子在某些地方出現的可能性，而減少粒子在別的地方出現的可能性
這樣做的一個重要結果是解釋諸如放射性衰變等現象的本質。單個原子會不可預測地經歷這種轉變，但要遵守特定概率規則，即描述特定樣品中有多少原子會在一定時間內衰變的規則。
此外，衰變過程實際上包括粒子“挖隧道”穿越把原子核結合在一起的能量屏障——經典物理學認為這是不可能的，但是量子物理學認為，逃逸粒子出現在能量屏障之外的概率不為零。
不可否認，量子物理是真實的，它是許多現代技術的基礎，包括電子學和激光。但這也深深困擾着我們理解宇宙（U.）是怎樣運作的。
在日常生活中，我們習慣了經典物理的可預測性：事情要麼發生，要麼不發生，除了預測可能的結果，沒有概率模糊的餘地。
為了解決這一點，物理學家提出了各種“解釋”——彌合量子不確定性和日常世界決定論之間差距的規則。
其中第一個也是最著名的解釋是哥本哈根詮釋，由量子先驅尼爾斯·玻爾（Niels Bohr, 1885—1962）、沃納·海森堡（Weiner Heisenberg, 1901—1976）等在20世紀20年代中期提出。
量子不確定性的這種“嚴格”觀點認為它是真實的，粒子的精確性質只能通過觀察或測量來解決。
1930年哥本哈根會議上量子物理學的先驅，包括尼爾斯·玻爾和沃納·海森堡（前排左）
量子物理的核心——“波函數”方程的提出者薛定諤在著名的薛定諤貓思維實驗中大致闡述了他對哥本哈根詮釋的懷疑。
他説，想象一下，我們把一隻貓密封在一個裝有少量放射性物質的盒子裏，還裝有一小瓶毒藥和一個一旦探測到放射性衰變就會釋放毒藥的機構。
這個實驗是這樣設計的，在實驗的持續時間裏，有一半的可能性會發生這種衰變。因此貓存活或中毒的概率是50∶50。
薛定諤認為，因為整個實驗依賴於一個受量子規則約束的現象，如果我們從表面上看哥本哈根詮釋，整個系統——放射性樣本、毒藥釋放機構和貓——在人們打開盒子和測量放射性樣本（或者更廣泛地説，其當前狀態的後果被觀測到）之前一直處於不確定狀態。
換句話説，在實驗進行期間，描述貓的波函數據説是以“量子疊加”的形式存在的，同時活着和死去。
著名的薛定諤的貓實驗
當然，薛定諤知道進行這樣的實驗既殘忍又毫無意義，因為在實驗過程中不可能對系統進行觀測且不結束實驗。然而，他認為一隻貓被困在兩種狀態之間的可能性是荒謬的，這足以貶低哥本哈根的觀點。
許多物理學家試圖用不同的方法來解決這個問題。有的方法認為量子不確定性無論如何會隨着其影響波及亞原子尺度之外而自然解決本身。
也有的方法認為宇宙（U.）無論如何會提前“知道”量子事件的結果，因此它們並不像看起來那樣不確定。但是埃弗雷特的解決方案可能是最廣為人知的，僅因為它令人驚奇的影響。
法國散文家貝爾納·德·豐特內勒在1686年思考了無限“多元世界”的可能性
埃弗雷特認為量子事件的不同結果是由整個宇宙（U.）分裂成兩條不同的路徑來“解決”的：一個宇宙（U.）對應一個可能的結果和它的後果。
薛定諤的貓永遠不會處在不確定狀態，因為放射性衰變的量子事件本身將我們帶到一個宇宙（U.）或另一個宇宙（在前者中貓是活的，後者中貓是死的）。
這兩個宇宙（U.）以光速從事件發生地被撕裂開來，就像兩片紙巾逐漸被撕裂一樣。
因此，多世界詮釋暗示了無限數量的獨立平行宇宙（U.），每一個獨立的平行宇宙自身都可能是一個較低級別的多元宇宙。自大爆炸以來的每一個量子級事件都創造了自己的一套分支宇宙（U.）。
因此，這種三級多元宇宙的結構可以被比作一棵樹，儘管其中最小的樹枝會繼續無數次長出分支，從而產生分形（注：一種數學結構，如“自相似”的方程或幾何圖形。在這種圖形中，相同的模式在越來越小的尺度上反覆出現）圖案。
那麼，顯而易見的問題是，我們宇宙（U.）的其他版本在哪裏？
奇怪的是，答案是它們和我們的宇宙（U.）佔據完全相同的時空。
實際上，大多數物理學家將多世界詮釋看成一種陳述，即我們的多元宇宙自身包含了量子事件的所有可能結果。因此，不是薛定諤的貓被困在量子疊加態中，而是我們處於無限變化的現實的一個特定分支。
這個觀點可以由以下論點支持，即為什麼我們最終會出現在這個特定版本的現實中——既然我們作為宇宙（U.）的具有意識的觀測者存在於此，我們就必然會處在這個導致我們存在的特定版本的現實分支上。
只能用“希爾伯特空間”來描述這種多元宇宙的波函數。希爾伯特空間是一種具有非常大（可能是無限）維數的數學結構。然而，從我們理解它們的意義上來説，這種情況下的維度通常不被視為空間維度。
1891年，戴維·希爾伯特描述了一條令人注目的分形曲線，通過一組簡單的指令，就能使一條可能無限長的線填充任何有限的空間
只有在少數“現實主義”版本的“多世界詮釋”中，多元宇宙（U.）才“真正”是希爾伯特空間。這種詮釋表明宇宙確實在歷史上的每一個時刻都通過分岔來創造新的物理現實。
量子疊加和多重物理現實之間的區別巧妙地預示了它們中最後也是最抽象的多元宇宙：一個被泰格馬克命名為“終極系綜”的四級多元宇宙。這是一個數學而不是物理對象，它可以產生所有其他可能類型的多元宇宙。
這可能看起來僅僅是數學家的一個打鈎練習，但它卻帶來一個令人驚恐的可能性：如果宇宙（U.）可以用一個數學公式來描述，那麼人們可以用一台足夠強大的計算機來計算它嗎？
一些科學家和哲學家認為這是可能的——此外，如果數學仿真是足夠詳細的，並且我們是其中的一部分，我們將無法把它與真實的東西區分開來。
自法國哲學家勒內·笛卡爾（René Descartes，1596—1650）想象出一個“欺騙人的惡魔”可能會給他的感官帶來一個明顯外部世界的幻覺以來，這種關於我們是否真的可以相信我們對宇宙的日常感知的爭論一直是哲學中最受歡迎的話題。
……
哲學家們提出了一個令人擔憂的有説服力的論點，即我們確實可能處於一個數學仿真出來的多元宇宙中。
這個想法只是説，如果在“真實”的多元宇宙歷史上，只有一種高級文明培養出了運行這種仿真的能力和興趣，那麼多元宇宙中仿真實體的數量將迅速增長並超過真實實體。
由於無法區分，我們不得不承認自己可能也在仿真之中。與此相反，其他哲學家和科學家認為“仿真假設”是不科學的，因為它不能被推翻，或者計算機的能力有內在的限制，這將阻止它們產生多元宇宙的真正仿真。
不管事實如何，多元宇宙的可能性給宇宙形狀的問題增加了新的複雜性。它還對宇宙的未來發展以及我們對自己在宇宙中的位置的理解有着重要的影響。
……
當然，這可能不是這件事的最後定論。在過去的幾個世紀裏，我們對宇宙的理解發生了如此多的變化，以至於很少有人認為我們目前的知識是全面的。
一個顯然有待解決的問題圍繞着仍然令人困惑的暗物質和暗能量的本質，特別是暗能量的強度是否會無限期地增長，或者它是否有一天會逐漸消失甚至逆轉。
引力理論也有對立的理論。它們試圖不借助暗物質或暗能量的概念解釋觀測到的宇宙（U.）現象（儘管目前這些只是少數人的興趣）。
所有這些都很重要，因為儘管探究太空的形狀看起來純粹是一個學術興趣，但它與其他極其重要的問題有着內在的聯繫，這些問題關乎宇宙（U.）未來的發展和宇宙中所有生命（尤其是我們自己）的位置。
宇宙是一個永恆結構的可能性，它產生了無數的氣泡宇宙（U.）。每個氣泡宇宙都有自己獨特的維度排列和其他基本屬性。
這些氣泡中，許多將是一片巨大空曠而沒有生命的虛無，而其餘的是如此不穩定以至於它們一旦形成就會坍塌。“我們的”氣泡碰巧是一個可居住的氣泡，而這只是弱原理所致。
書名：《太空是什麼形狀的？》
定價：68.00元
ISBN：978-7-5217-2121-5
作者：[英] 賈爾斯·斯帕羅著 / ?[英] 馬修·泰勒編
出版社：中信出版集團
內容簡介
2016年，LIGO和它的兄弟觀測台首次發現了引力波存在的證據；
2017年，卡西尼號在完成對土星的超近距離觀測後終結了它20年的使命；
2019年，首張黑洞照片拍攝製作完成；
2020年，SpaceX完成人類歷史上第一次民營太空公司載人航天任務……
21世紀以來，我們對太空的探索取得了驚人的成就，但我們對太空的困惑依然很多。
太空有邊界嗎?
宇宙的膨脹有終點嗎？
暗物質、暗能量是什麼？
如果平行宇宙存在，我們怎麼看待自己的命運與存在呢？
作者簡介
賈爾斯·斯帕羅曾在倫敦大學學院學習天文學，在帝國理工學院學習科學傳播。他是皇家天文學會成員，並已出版多部優秀的天文學科普著作，其中包括克爾瑟斯出版社的暢銷書《宇宙和火星：紅色星球的全新視角》和 DK 出版社的《太空飛行》。
因為常為《關於太空的一切》和《夜空》等各種天文雜誌供稿，他與研究宇宙奧秘的天文學家們有許多接觸。
（本文未經造就授權，禁止轉載。）
編輯 |?田曉娜
版面 |?顧天紅