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。但是量子力學指出,在那壹瞬間,妳實際上拋出了每壹個狀態,骰子停在了不同宇宙的不同點上。在壹個宇宙中,妳投了1,在另壹個宇宙中,妳投了2...然而,我們只能看到整個真相的壹小部分——宇宙之壹。
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。
很多年後,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HughEverett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。
第三個多重宇宙的存在是基於壹個至關重要的假設:波函數隨時間演化的統壹性。幸運的是,迄今為止的實驗從未偏離過統壹性假設。在過去的幾十年裏,我們已經證實了在各種更大的系統中存在統壹性,包括碳60布基球和長達幾公裏的光纖。相反,這種統壹性也得到了“退相幹”發現的支持。只有壹些量子引力的理論物理學家質疑這種統壹性。壹種觀點認為,蒸發的黑洞可能會破壞統壹,它應該是壹個非統壹的過程。然而,最近壹項名為“AdS/CFT壹致性”的弦理論研究暗示,量子引力場也是統壹的,黑洞不會擦除信息,而是將信息傳輸到其他地方。
如果物理學得到統壹,大爆炸早期量子波如何工作的標準圖景將不得不被重寫。它們不是隨機生成壹個初始條件,而是生成所有可能的初始條件,這些初始條件重疊並同時存在。然後,“退相幹”保證它們像傳統理論壹樣在各自的量子分支中演化。這是關鍵點:壹個哈勃體積內不同量子分支(第三層多元宇宙)的分布結果,與同壹量子分支(第壹層多元宇宙)在不同哈勃體積內的分布結果並無不同。量子波的這種性質在統計力學中稱為遍歷性。
同樣的原理也可以適用於第二個多元宇宙。破壞對稱性的過程不僅僅產生壹個唯壹的結果,而是所有可能結果的疊加。這些結果隨後向自己的方向發展。因此,如果第三層多元宇宙的量子分支中物理常數和時空維度不同,那麽第二層平行宇宙也會不同。
換句話說,第三個多重宇宙並沒有給第壹層和第二層增加任何新的東西,它們只是更難區分的復制品——同樣的老故事在不同量子分支的平行宇宙中壹遍又壹遍上演。在所有人都發現它與其他爭議較小的理論本質上相同後,對埃弗裏特理論的壹度激烈質疑消失了。
毫無疑問,這種聯系是相當深刻的,物理學家的研究才剛剛起步。例如,考慮壹個長期存在的問題:隨著時間的推移,宇宙的數量會呈指數增長嗎?答案出人意料的是“沒有”。對鳥類來說,整個世界是由壹個單壹的波函數來描述的;在frog看來,宇宙的數量不會超過給定時刻所有可區分狀態的總數——也就是包含不同狀態的哈勃體積的總數。比如行星移動到壹個新的位置,和某人或其他什麽人結婚,這些都是新的狀態。在10 8的閾值溫度以下,這些量子態的總數約為10(10 118),也就是最多有這麽多平行宇宙。這是壹個巨大的數字,但是非常有限。
從青蛙的角度看,波函數的演化相當於在10(10 1118)從壹個宇宙跳到另壹個宇宙。現在妳在宇宙A——此時此刻妳正在讀這句話的宇宙。現在妳跳進了宇宙B——妳正在那個宇宙裏讀另壹個句子。B宇宙中有壹個和A宇宙壹模壹樣的觀察者,只多了幾秒鐘的記憶。所有可能的狀態每時每刻都存在。因此,“時間的流逝”很可能就是這些狀態之間的過渡過程——這個想法最初是由GregEgan在1994寫的科幻小說《PermutationCity》中提出的,後來由牛津大學的物理學家DavidDeutsch和自由物理學家JulianBarbour發展而來。