在整个多重宇宙中，时间是不存在的 记者：韩晶晶
在物理学中，看似毫不相关的概念间有时存在惊人的内在联系，发现这样的联系，往往会让我们对自然的认识更进一步。 麻省理工学院物理学家克斯·泰格马克（Max Tegmark）曾提出，存在四个层次的平行宇宙。第一个层次的平行宇宙是被宇宙视界分隔出的区域，其他宇宙（视界外区域）的物理规律、物理学常数都与我们的宇宙（视界之内的区域）相同，只是我们没法看到它们。
第二个层次的平行宇宙是永恒暴胀产生的多重宇宙，我们的宇宙只是无数个气泡宇宙中一个，每个气泡宇宙都可能有着不同的物理学常数。第三个层次的平行宇宙源于量子力学的多世界诠释，我们的世界在每次测量时都会分裂成不同的世界。第四层次的平行宇宙，则是和我们宇宙的基本数学规律都不同的奇异世界。
泰格马克第一层平行宇宙从属于第二层平行宇宙，我们这个气泡宇宙中，有许多个被宇宙视界隔开，互不接触的区域。但第二层的暴胀多重宇宙和第三层的量子力学多世界诠释虽然都涉及了多个宇宙，或者说世界，却是完全不相干的两个概念。前者来自宇宙学，研究的是最为宏大的对象，而后者则是要解释量子力学，一个主要以微观粒子为研究对象的理论。前者的气泡宇宙存在于一个更大的真实空间中，而后者的平行世界是以概率的形式存在的，并非并存于真实空间中。
不过，本期封面故事作者、加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家野村泰纪认为，这两者在本质上是等价的，而这种等价性可以帮助多重宇宙理论解决缺乏预测能力这个关键问题。在接受《环球科学》采访时，他展望了在量子多重宇宙理论框架下，我们对宇宙的认识将会有怎样的变化。
《环球科学》：在量子多重宇宙理论中，还需要用人择原理来解释为何我们能存在于这样一个条件特殊的宇宙中吗？ 野村泰纪：“人择原理”（Anthropic Principle）这个名字本身是有误导性的。事实上，一旦我们接受了这样的观念，即存在着非常不同的环境（在这个例子中就是不同的宇宙），那么人择原理的思考方式是不可避免的了──这其实只是遵循正常逻辑的结果。
具体来说，如果有人提出这样一个问题：“一个有自我意识的观察者进行观测时会发现什么？”这个问题实际上就是在问：“当有观测者存在时的条件概率有多大？”在我们的语境中，要预测（或者说解释）我们所在的宇宙，我们需要解答的就是当我们自身存在时的条件概率。从这个意义上说，解释我们宇宙的理论总要是“人择的”。
《环球科学》：“······多重宇宙从某个初始状态中出现，并演化成众多气泡宇宙的叠加。”这个初始状态要非常特殊吗？是否需要一个高度“精细调节”的初始状态？ 野村泰纪：量子多重宇宙本身不能解释多重宇宙的初始状态，不过它提供了一个解决该问题框架。在最近的一项研究（“The static quantum multiverse”， Phys. Rev. D86 (2012) 083505）中，我在量子多重宇宙的框架内提出了一种理论，根据该理论，多重宇宙的状态从整体上看是穏恒的，并不存在时间这个概念，而我们感受到的时间实际上是从物体之间的关联（例如棒球的位置和钟表的表针之间的关联）中涌现出来的。
根据这种图景，多重宇宙状态是根据量子力学的一种特定的数学条件（也就是归一化条件，指的是量子系统的性质虽然要用概率描述，但所有可能情况的概率加在一起，一定还是等于1的）挑选出的。时间是多重宇宙（本身是稳恒）的一个分支中涌现出来的局部概念，在这些分支中，初始条件看似是精细调节的。然而，在最基本的层次上是不存在精细调节的，整个多重宇宙的状态仅仅是根据量子力学的归一化条件挑选出的。
实际上，这种状况与氢原子（或者任何量子力学中的束缚态系统）类似。我们都知道，按照经典力学，氢原子是不可能存在的──因为电子绕核运动时会发出同步辐射，任何一条轨道是不稳定的。不过，在量子力学中，氢原子的电子可以稳定地待在一系列特定的离散轨道上，也就是电子能级。从经典物理的角度看，这些轨道都是（极度）精细调节的，但按照量子力学，这些轨道只是源于一种特定的自洽条件。我们可以说，氢原子之所以存在就是由于量子力学机制。量子多重宇宙的状况可能与此类似──多重宇宙的存在是由量子力学控制的，从经典的角度看可能是精细调节的，但实际上并不是。
《环球科学》：在概率空间，所有的分支都是平等的吗？如果不是的话，我们怎么能知道哪个分支出现的概率更高一些？ 野村泰纪：并非所有概率分支都是平等的。不同分支叠加到一起时，是有各自不同的系数的，系数的大小决定了每个分支的相对概率。至少在理论上，给定了初始条件后，这些系数可以用量子力学方程计算出来。在前面描述的“稳恒”多重宇宙图景中，这些系数（仍然是在理论上）是由刚讨论过的数学（归一化）条件决定的。
《环球科学》：“有趣的是，万一测量出空间曲率是正的，多重宇宙理论就将彻底失败，因为根据暴胀理论，气泡宇宙只能产生负曲率。”如果是这样的话，那暴胀的替代理论是否还有机会，例如大反弹？ 野村泰纪：更准确的说法是，万一测量出空间曲率是正的，多重宇宙理论就将彻底失败，因为根据这里讨论的暴胀多重宇宙图景，我们的宇宙是从一次“气泡形成”过程中诞生的，这会导致空间存在负的曲率（但现有理论并不能预言曲率的大小，而即使观测结果与空间曲率为零相一致，也不能排除这个理论框架，因为有可能曲率虽然为负，但非常小，超出了我们的观测能力）。只要我们的宇宙是通过这种方式像气泡一样诞生的，结论就不会改变──只要发现空间曲率是正的，就可以排除掉任何一种这样的图景。
《环球科学》：如果多个宇宙同时存在于“概率空间”，而不是真实空间中，它们还能发生碰撞并在微波背景辐射上留下印记吗？ 野村泰纪：首先，宇宙和概率分支之间的对应关系并不是一对一的。例如，我们的宇宙可能对应着许多个分支，这些分支代表着这个宇宙中进行的物理实验产生的不同结果。类似的，一个分支也可能包含着多个宇宙，这些宇宙可以互相发生碰撞。量子多重宇宙图景指出，根据爱因斯坦广义相对论预言的无限多个气泡宇宙只是共存于概率空间中（而不是存在于一个真实空间里）。但是，这并不意味着一个分支不能包含多个宇宙，或者说不能产生可以证明多重宇宙存在的精确信号，例如微波背景辐射上的那些痕迹。
《环球科学》：在量子多重宇宙理论中，我们所在宇宙的终极命运会是怎样的。宇宙的命运是由暗能量的性质决定的吗？还是由别的什么决定？ 野村泰纪：根据现有的多重宇宙图景，我们目前观察到的暗能量最有可能是“真空能”。我们的宇宙最终将会衰变成另一个宇宙（例如，被另一个气泡宇宙吞并），但目前的理论工具还无法计算出另一个宇宙的细节特征。至于我们的宇宙衰变成的那个宇宙的最终命运，则是由控制着额外维（宇宙可能并不是只有3维空间加上1维时间这4个维度。如果宇宙本身是高维的，比如11维，那4维时空之外的维度就是额外维）形状与大小的势能函数决定的，不过这个函数的结构目前我们还不清楚。
为了娱乐，让我们来展望一下我们所在局部区域（宇宙）的未来。我们的宇宙当前的年龄约为140亿年。大约几十亿年后，我们的银河系将会与仙女星系并合。在此之后，除了那些距离我们较近的星系，大多数星系会退行到宇宙视界之外，远离我们的速度超过光速（因此变得看不到了）。我们眼中的宇宙只剩下了一个由附近星系合并成的超级大星系。再经过非常长的时间，大约1021年（这个数字不确定性很大）之后，这个“星系”会坍缩为一个质量超过太阳1015倍的巨型黑洞。黑洞最终会通过霍金辐射蒸发掉，这个过程要用上大约10100年。在这个过程期间，或者在这以后，我们的宇宙将会衰变为另一个宇宙，就像上一段描述的那样。 全文完