縱觀歷史，幾乎在每個(gè)古代社會(huì)，人們都相信有其他層次的存在，有天神和幽靈的居所?；浇掏较嘈盘焯谩⒌赜蚝蜔挭z。佛教徒相信涅槃和各種形態(tài)的意識。印度教徒則擁有數(shù)千種層次的存在。

近來，平行宇宙的概念成了理論物理學(xué)家之間辯論得最熱烈的話題之一。在科學(xué)文獻(xiàn)中，討論得最激烈的有至少三種類型的平行宇宙：

a. 超空間，或者高維空間

b. 多元宇宙

c. 量子平行宇宙

超空間

有一種平行宇宙是歷史最悠久的辯論對象——高維空間。我們生活在三維（長、寬、高）空間內(nèi)，這是常識。無論我們在空間中怎樣移動(dòng)物體，所有的方位都可以用這種三維空間坐標(biāo)表示。事實(shí)上，我們可以用這三個(gè)數(shù)字標(biāo)出宇宙中任何物體的方位，從我們的鼻子尖到所有星系最遙遠(yuǎn)的角落。

第四維空間似乎有違常識。如果一個(gè)房間充滿煙霧，那么我們不會(huì)看到煙霧消失在另一個(gè)維度中。在2 000 年的時(shí)間里，任何敢談?wù)摰谒木S度的數(shù)學(xué)家都要冒著被嘲諷的風(fēng)險(xiǎn)。然而，奧爾格·波恩哈德·黎曼寫下了基礎(chǔ)高維度數(shù)學(xué)（在數(shù)十年后被大量引入愛因斯坦的廣義相

對論中）。黎曼的一次著名演說就像一陣強(qiáng)烈的旋風(fēng)，推翻了擁有2 000 年歷史的古希臘幾何學(xué)，并且建立高等、彎曲的維度的基本數(shù)學(xué)，至今我們?nèi)匀辉谑褂盟?/p>

在歷史上，四維空間被物理學(xué)家認(rèn)為不過是一種好奇心的產(chǎn)物。有關(guān)高維空間的證據(jù)從來沒有被發(fā)現(xiàn)過。

弦理論

在《生活大爆炸》中，Sheldon的主攻研究方向就是弦理論。如果你是《生活大爆炸》的忠實(shí)觀眾，你能不能解釋出什么是弦理論呢？

超弦理論斷定，電子和其他亞原子粒子不過是一根弦的不同振動(dòng)形式，它像一個(gè)微型橡皮筋那樣起作用。如果擊打橡皮筋，那么它將以不同的方式振動(dòng)，每種振動(dòng)相當(dāng)于一種不同的亞原子粒子。這樣，超弦理論解釋了目前為止已經(jīng)在我們的粒子加速器中發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種亞原子粒子。愛因斯坦的理論事實(shí)上僅僅是弦的最低水平的振動(dòng)之一。

弦理論被認(rèn)為是一種“萬有理論”，是傳說中愛因斯坦在人生最后30 年中感到困惑的理論。愛因斯坦想要一種單一的、全面的理論，概括所有物理定律，能夠使他“讀取上 帝的意志”。如果弦理論能正確統(tǒng)一萬有引力和量子理論，那么它或許象征著自2 000年前古希臘人提出物質(zhì)由何組成的疑問以來科學(xué)的最高成就。

但是，超弦理論的古怪特點(diǎn)在于這些弦只能在特定的時(shí)空維度中顫動(dòng)，它們只能在十維中振動(dòng)。如果試圖在其他維度中創(chuàng)造一種弦理論，那么它會(huì)在數(shù)學(xué)上崩潰。

高中時(shí)我們學(xué)到，當(dāng)我們進(jìn)入太空的時(shí)候，我們承受的地球引力會(huì)減小。更精確地說，引力的減小與距離的平方成正比。但這只是因?yàn)槲覀兩钤谝粋€(gè)三維世界中。但是，如果宇宙有四個(gè)空間維度，那么引力的減弱就應(yīng)當(dāng)與距離的立方成正比。如果宇宙有n 個(gè)空間維度，那么引力應(yīng)當(dāng)以n-1次冪減弱。牛頓著名的反平方定律經(jīng)測試被證明在天文距離下極為準(zhǔn)確，那就是為什么我們能以驚人的精確度讓空間探測器飛過土星的光環(huán)。

2008 年在瑞士日內(nèi)瓦郊外投入使用的大型強(qiáng)子對撞機(jī)用于尋找名叫“超粒子”的新型粒子，它是超弦的一種較高的振動(dòng)形式（你在自己周圍所看到的一切都只是超弦的最低振動(dòng)）。如果超粒子由大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)，那它可能標(biāo)志著一場我們看待宇宙方式的革命。在這樣的宇宙中，標(biāo)準(zhǔn)模型僅僅代表超弦的最低顫動(dòng)。

基普·索恩說：“到2020 年，物理學(xué)家們會(huì)理解量子引力的定律，會(huì)發(fā)現(xiàn)它是弦理論的一種變體?！?/p>

除了高維空間，弦理論還預(yù)測了其他平行宇宙，那就是“多元宇宙”。

多元宇宙

普林斯頓高級研究所的愛德華·威騰和劍橋大學(xué)的保羅·湯森推斷，所有的五種弦理論其實(shí)是同一種弦理論——只要我們添加第十一個(gè)維度。在第十一維度中，可以存在一種新的數(shù)學(xué)對象，叫作膜（比如，一個(gè)球體的表面）。這里有一種驚人的發(fā)現(xiàn)：如果一個(gè)人從十一維掉入十維，全部的五種弦理論都會(huì)出現(xiàn)，從一層膜開始。因此，所有的五種弦理論都不過是將一層膜從十一維時(shí)空移到十維時(shí)空。

為了把這個(gè)發(fā)現(xiàn)形象化，想象一個(gè)在中間纏著一條橡皮筋的沙灘球。想象用一把剪刀把球一切為二， 一半在橡皮筋上，一半在橡皮筋下，因此，將沙灘球的上半部分和下半部分去掉后，剩下的就是橡皮筋—— 一根弦。以同樣的方法，如果我們卷起第十一維，一張膜所留下的就只是它的中緯線，那是一根弦。

第十一維度給予了我們?nèi)碌膱D景。它還意味著或許宇宙本身是一張膜，漂浮在一個(gè)十一維時(shí)空中。并且，并非所有這些維度都必須很小。事實(shí)上，有些維度可能是無限大的。

這提出了我們的宇宙存在于一個(gè)其他宇宙的多元宇宙中的可能性。想象一大堆漂浮的肥皂泡，或者膜。每個(gè)肥皂泡代表一個(gè)漂浮在一個(gè)更大的十一維超空間中的宇宙。這些肥皂泡可以與其他肥皂泡相互聯(lián)合，或者破裂，甚至短暫出現(xiàn)又消失。我們可能僅僅生活在這些肥皂泡宇宙之一的表面上。

根據(jù)弦理論的預(yù)測，有多少宇宙？弦理論有一個(gè)令人窘迫的特征——宇宙可能有成千上萬個(gè)，個(gè)個(gè)符合相對論和量子理論。

一般來說，這些宇宙之間的交流是不可能的。我們身體的原子就像被捕蠅紙困住的蒼蠅。我們能夠在自己的膜宇宙的三維中任意行動(dòng)，但是我們不能跳下宇宙進(jìn)入超空間，因?yàn)槲覀儽徽吃诹俗约旱挠钪胬?。但引力作為時(shí)空的彎曲可以自由地在宇宙間的空間里漂浮。，有一種理論認(rèn)為，暗物質(zhì)（一種包圍宇宙的不可見物質(zhì)）或許是漂浮于一個(gè)平行宇宙中的普通物質(zhì)。同樣，有推測稱，暗物質(zhì)或許是一個(gè)漂浮于我們之上另一個(gè)膜宇宙中的普通星系。我們能夠感覺到這個(gè)星系的引力，因?yàn)橐?huì)慢慢在宇宙之間流動(dòng)，但是另一個(gè)星系對我們而言是不可見的，因?yàn)楣庠谛窍迪旅嬉苿?dòng)。這樣，這個(gè)星系將具有引力，但不可見，這符合對于暗物質(zhì)的描述。

大多數(shù)平行宇宙可能已經(jīng)死去，由無形的亞原子粒子（比如電子和中微子）氣體組成。在這些宇宙中，質(zhì)子或許是不穩(wěn)定的，因此我們所知的一切物質(zhì)都會(huì)慢慢衰變和溶解。由原子和分子組成的復(fù)雜物質(zhì)在許多這樣的宇宙中或許不可能存在。其他平行宇宙可能恰恰相反，具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們想象的復(fù)雜物質(zhì)形式。它們可能并不只擁有一種由質(zhì)子、中子和電子組成的原子，而是具有一系列令人眼花繚亂的其他穩(wěn)定物質(zhì)形態(tài)。

多元宇宙的理論具備一項(xiàng)對其有利的事實(shí)。當(dāng)我們分析自然的常數(shù)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它們被“調(diào)節(jié)”得非常精確，允許生命存在。如果增加核力的強(qiáng)度，恒星就會(huì)以過快的速度燒盡，無法讓生命產(chǎn)生。如果降低核力的強(qiáng)度，那么恒星永遠(yuǎn)不會(huì)燃燒，生命無法存在。如果加強(qiáng)萬有引力，那么我們的宇宙會(huì)在一場“大擠壓”中快速死去。如果減弱萬有引力，那么宇宙會(huì)膨脹成一場“大凍結(jié)”。事實(shí)上，大自然的常數(shù)中有大量“偶然”，允許了生命存在。看起來，我們的宇宙存在于一個(gè)具有很多參數(shù)的“適居帶”內(nèi)，所有的參數(shù)都被“微調(diào)”成適合生命生存。因此，我們要么就接受這個(gè)結(jié)論：存在某種形式的上 帝，他選擇了我們的宇宙，讓它“剛好”適合生命；要么就有數(shù)十億個(gè)平行宇宙，其中有許多已經(jīng)死亡。正如弗里曼·戴森所說：“宇宙似乎知道我們即將到來?！?/p>

量子宇宙

“量子宇宙學(xué)”的概念最初似乎在名稱上是自相矛盾的：量子理論涉及的是極小的原子世界，而宇宙學(xué)涉及的是整個(gè)宇宙。但想想這個(gè)：在大爆炸的那一刻，宇宙比一個(gè)電子還小得多。每一個(gè)物理學(xué)家都認(rèn)同電子必須被量子化，即它們是由一個(gè)或然性波動(dòng)方程（狄拉克方程）描述的，并且能存在于平行狀態(tài)中。因此，如果電子必須被量子化，如果宇宙曾經(jīng)小于一個(gè)電子，那么宇宙一定也存在于平行狀態(tài)中——一種自然通往“多世界”的方式。

在量子宇宙學(xué)中，物理學(xué)家們從一個(gè)薛定諤方程的模擬入手，它支配電子和原子的波函數(shù)。他們使用作用于“宇宙波函數(shù)”的德威特－惠勒方程。通常，薛定諤波函數(shù)定義的是時(shí)間與空間中的每一點(diǎn)，因此你就可以計(jì)算在時(shí)間和空間的那一點(diǎn)找到電子的可能性。但是“宇宙波函數(shù)”定義的是所有可能存在的宇宙。如果宇宙波函數(shù)碰巧在定義某個(gè)特定宇宙時(shí)很大，就意味著那個(gè)宇宙很可能會(huì)是一個(gè)特殊的宇宙。

霍金推動(dòng)了這一觀點(diǎn)。他宣布，我們的宇宙是宇宙中特殊的存在。我們的宇宙波函數(shù)較大，而其他大多數(shù)宇宙的波函數(shù)則接近零。這樣，在多元宇宙中存在其他宇宙的可能性雖然很小，但有限。事實(shí)上，霍金試圖用這種方式得出膨脹率。在這幅景象中，一個(gè)膨脹的宇宙比不膨脹的宇宙更有可能存在，因此我們的宇宙是膨脹的。

我們的宇宙來自時(shí)空泡沫的“虛無”，這一理論似乎完全無法驗(yàn)證，但它符合一些簡單的觀測結(jié)果。

第一，許多物理學(xué)家指出，我們宇宙中的正電荷總數(shù)和負(fù)電荷總數(shù)相抵剛好為零，這非常驚人，至少在實(shí)驗(yàn)的精確性之內(nèi)是這樣的。我們認(rèn)為太空中的引力是主導(dǎo)力量，這是事實(shí)，但這不過是由于正負(fù)電荷正好相互抵消了。如果地球上的正負(fù)電荷之間有最微小的不平衡，那么它或許可以將地球撕裂，戰(zhàn)勝將地球維持成一個(gè)整體的引力。要解釋正負(fù)電荷之間如此平衡有一個(gè)簡單的方法：假設(shè)我們的宇宙來自“虛無”，并且“虛無”沒有電荷。

第二，我們的宇宙的旋轉(zhuǎn)為零。盡管庫爾特·哥德爾用了多年時(shí)間試圖通過累加各個(gè)星系的旋轉(zhuǎn)來證明宇宙在旋轉(zhuǎn)，但如今天文學(xué)家們相信整個(gè)宇宙的旋轉(zhuǎn)為零。如果宇宙出自“虛無”，那么這個(gè)現(xiàn)象就很容易解釋了，因?yàn)椤疤摕o”的旋轉(zhuǎn)為零。

第三，我們的宇宙出自“虛無”有助于解釋為什么宇宙的物質(zhì)－能量內(nèi)容總和如此之小，甚至可能是零。當(dāng)我們將物質(zhì)的正能量和與引力相關(guān)的負(fù)能量相加時(shí)，兩者似乎完全相互抵消。根據(jù)廣義相對論，如果宇宙是封閉的、有限的，那么宇宙的物質(zhì)－能量總量應(yīng)該剛好為零。

當(dāng)前，我們的科技遠(yuǎn)不足以證明這些平行宇宙的存在，但平行宇宙的存在不與物理定律相悖。

書名：《不可思議的物理》作者：加來道雄譯者：夏璐

作者簡介

加來道雄（Michio Kaku）

美籍日裔物理學(xué)家，科學(xué)暢銷書作者，超弦理論創(chuàng)始人之一，紐約城市大學(xué)研究生中心理論物理學(xué)教授。

他撰寫了多部廣受贊譽(yù)的科普著作，包括《平行宇宙》《不可思議的物理》《人類的未來》等，并多次入圍《紐約時(shí)報(bào)》和《華盛頓郵報(bào)》年度科學(xué)讀物。他還主持過多檔電視科普節(jié)目，并在美國《60 分鐘》《早安美國》以及《拉里·金直播在線》等節(jié)目中擔(dān)任嘉賓。他的文章《一名物理學(xué)家的教育歷程》被收錄至人教版高中語文課本。