世界存在著另一個「你/妳」？淺談物理學中的「真」·多重宇宙 （The true physics of multiverse）
(Credits: xkcd #105, https://www.explainxkcd.com/wiki/index.php/105:_Parallel_Universe)
在這日漸禮樂崩壞的城市，大家有沒有幻想過如果這世界的歷史不一樣，像雨傘革命最後結果完全不同，又或甚至沒「強國」存在，沒出現回歸會怎樣呢？可惜現實世界沒如果，除非這世上真的有多重宇宙啦！
多重宇宙（multiverse）*這名詞相信大家也聽不少，亦是不少科幻小說/電影作品的題材，尤其當故事情節出現前後矛盾，歷史被改變這些情況下，多重宇宙往往就成為作者「自圓其說」，用來解釋這些不合理地方的方便藉口。在小說、漫畫FF的世界中，多重宇宙等於無限可能性，在其中我們認知的東西可能很不同，如叮噹短篇故事般你的性別、能力可以完全相反，極端的甚至不受物理定律限制，可以「任意妄為」，簡單說即是作者想怎樣便怎樣⋯但你又知不知物理學家口中所談真正物理上可能存在的多重宇宙是怎樣的呢？
*坊間大部分人大多喜歡用平行宇宙（parallel universe）去統稱多重宇宙這世界觀，個人就覺得這詞彙不大正確。小弟早前也說過，因為「平行」字面上有「沒任何交匯點」的意思，如果兩個多重宇宙間在時空任何地方包括過去、現在或未來有接觸或交匯點的話，嚴格上就已經不再是「平行」，所以物理學界其實並不大會用平行宇宙這詞彙。
（圖擷取自：《叮噹》45卷單行本第17卷第8話《相反的星星》）
答案當然不會完全如科幻小說般啦！在理論物理學中，多重宇宙總捨來說是泛指我們身處宇宙外的世界，背後有不少理論假說模型，但全部都未經證實。雖然多重宇宙可以跟我們身處的宇宙很不同，但它們仍然需要遵守同一套真理#。另外理論物理學上多重宇宙還分好幾種，並且可以如著名理論物理學家及宇宙學家泰格麥克（Max Tagmark） 所說般按程度分等級的喔[1]！今次就等小弟跟大家簡單介紹一下吧！（註: 其實小弟覺得宇宙這詞某程度上應該包含我們身處現實世界中的一切，稱我們身處的「宇宙」外的「世界」作多重宇宙硬是怪怪的…）
#多重世界中的物理定律、物理常數或許會與我們宇宙的有出入，但它們在最基本的範疇上最終都需要遵守物理學上最根本的一套理論模型
多重宇宙級別（一）視界外的宇宙 （level I: the universe beyond cosmological horizon)
根據現時宇宙學的標準模型ΛCDM，物理學家了解到宇宙的演化過程，知道宇宙一直在膨脹中，而且膨脹速度還隨時間演變。在大爆炸發生後沒多久的10^–36秒 ，宇宙並曾經以超光速在接近瞬間的時間內膨脹了至少10^26倍@，這便是暴脹論（cosmic inflation）。這宇宙早期模型是用來解釋在大尺度如宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background ）上看，為何宇宙如此均勻一致，即使是位處視界（cosmic horizon）相反方向盡頭，大爆炸一刻後便完全分離從此沒相互影響的兩點。這大爆炸模型的問題在宇宙學叫視界問題（horizon problem）。暴脹論還能解釋因為重力坍縮而形成宇宙所有結構，包括星系團、星系，乃至是我們太陽系所需要的太初宇宙起伏（primordial fluctuations）從那裡來。透過極短時間以超光速將宇宙膨脹很多很多倍，除了衍生出暴脹的物理場 – 暴脹場（inflaton field）外，視界內其他所有物質的能量密度都會被稀釋至接近零，同時根據絕大部分初始條件（initial conditions）情況下它們在各地方間上會演化出的巨大差異起伏亦會被接近無限放大，被扯出我們宇宙的視界外。另一方面暴脹場本身因為量子力學不確定原理（uncertainty principle ）而存在的微觀世界細微量子起伏（quantum fluctuations ）會被放大扯到變成宏觀世界的能量差異。隨著暴脹場在暴脹結束後轉化成包括標準模型（Standard Model）在內的物質，這些差異便會變成形成宇宙一切結構的起源。
@這沒違反相對論，因為相對論限制的是粒子與訊息傳遞不能快過光速，但空間膨脹速度不受此限
PS: 甚麼是暴脹論下次有機會再詳談，大家亦可以先看一下此前小弟寫的part I[2]
(Credits: irkworks.com, https://knowyourmeme.com/photos/857225-gamergate)
要解答視界問題，暴脹需要持續多久只有下限沒上限，除了（我們可觀察視界內的）暴脹過程必需有終結外。換言之宇宙空間（假設不是無限大）經過太初的暴脹及後來的演化很有機會膨脹至比宇宙視界還大。另外假設暴脹論正確，暴脹場存在而且在某種條件下它會驅使宇宙暴脹，那根據量子力學中的不確定原理，因為暴脹場在不同地方的值、大小必然有分別，所以不同地點它衍生出的暴脹過程在時間長短、程度上也有區別。更甚的是會如隨機遊走般，只要宇宙空間足夠大，時間足夠長，在任何一刻都必然會有某地方的暴脹場滿足到發生暴脹所需的條件，觸發出暴脹，我們只是剛剛位處在一個暴脹已經停止了的地方而已。情況有點像只要給予足夠無窮的時間給猴子，牠必會打得出莎士比亞名著的無限猴子定理（infinite monkey theorem），以及波茲曼大腦（Boltzmann brain）[3]。由於暴脹可以輕易地令宇宙空間以指數級別膨脹很多很倍，所以上面說的宇宙永無止境地在某一地方發生暴脹中這種假說情況真的是有可能的。這宇宙模型叫永恆暴脹論（eternal inflation）。由此可以推斷宇宙有可能比我們現時可觀察的視界大很多很多，宇宙視界不等於宇宙的邊界，外面其實應該還有東西存在。這種現時可觀察視界外的世界就是理論物理學上最初階，屬第一級別的多重宇宙。它屬初階，第一級別是因為這些宇宙視界外的宇宙它們當中所有的物理常數、定律與我們宇宙的一樣，只是物質的分佈、粒子的排列有別。這第一級別的多重宇宙在物理學界中比較廣為接受，對比其他類別沒那麼大爭議，雖然尚未有實質觀察證據支持永恆暴脹論，嚴格上暴脹論亦未被證實。
多重宇宙級別（二）泡沫宇宙 (level II: bubble universes)
(Credits: 《Rick and Marty》, https://pics.me.me/brief-introduction-to-the-multiverse-by-rick-sanchez-the-multiverse-13570098.png)
另一種高一個級別的多重宇宙是泡沫宇宙（bubble universes），它是跟弦論這套物理學的萬有理論假說有關。萬有理論是所有物理學家所追求的終極理論，一套可以解釋一切物理現象的理論。稱得上終極理論，這理論模型最多只會得幾個，甚至大多是一個根本物理參數，其他物理常數都是由那根本物理常數衍生出來的。由於不是最根本，是衍生的，所以不同條件情況下這些我們平時認知的物理「常數」可以不一樣甚至完全不同。就如大家中學物理所學的地球嘅表面重力加速度g參數，雖然好像不變，但其實在不同海拔甚至不同星球上便已經大不同。在萬有理論，尤其弦論中，即使只考慮穩定的真空物理態理論模型也大多存在著各式各樣成千上萬不同的基態（ground state）。這個弦論的重要概念叫弦論地景（string landscape），反映了在弦論模型中除了基本弦（fundamental string）的長度外，所有的物理參數也是變量，應該將它們整體想像成一個有很多大大小小、形狀不同的高山和谷地，高維度複雜的山脈地勢流形。位處谷地的流形，就是屬於穩定真空的基態，根據理論估算在弦論中數目多達10^10到10^500個，我們的宇宙只是其一。
理論上隨住宇宙演化膨脹冷卻，宇宙中相隔非常遙遠沒相互影響的不同地方會根據自發對稱破缺（spontaneously symmetry breaking）因為自身附近環境而各自隨機跌落其中一個基態。如果那些基態的特性不同，那隨之衍生出的物理常數、定律也可以很不同。就如一杯溫度均勻的熱水，如果你把它細分成很多小杯然後再放它們在環境完全不同，相距甚遠的地方，隔一段時間後再看你也不會預期它們溫度會相似，甚至是處於同一形態。由此推論如果弦論真是現實世界最基本的物理理論模型，那這世界很有機會有某些宇宙處於不同的真空基態，遵守著不同的物理定律。這世界觀便是泡沫宇宙，是屬於第二級別，高一階的多重宇宙版本。
這種多重宇宙在學界比較有爭議，就算幾成功也好始終弦論還只是假說理論，而且不是個個人也認同這種看似「想怎樣就怎樣」，不可以輕易直接證偽的說法。小弟個人雖然支持弦論，但對這種多重宇宙是有些許保留。
多重宇宙級別（三）– 量子力學的多世界詮釋 (level III: the many-world interpretation of quantum mechanics)
(Credits: 《Rick and Marty》)
下一級別的多重宇宙是與量子力學有關，小弟早前曾在《叮噹法寶物理原理大解構》系列提及過的多世界詮釋（many-worlds interpretation）[4]。簡單重溫一下，這詮釋是指量子力學中現時認知的理論公式便是一切，沒需要如「搬龍門」般在薜丁格方程式上再額外強加一項不知從何來的波函數坍塌前設規則進去。每次「觀察」處於態疊加狀態的量子系統時，世界只是根據機率分裂出很多不同的世界，而觀察者只是被帶往其中一個分裂出來的世界而已，如下圖所示。
(Credits: [1], http://space.mit.edu/home/tegmark/crazy.html)
有興趣想知道多些的讀者可以看以下PBS Space Time的短片（英文）
這種多重宇宙世界觀就是不少科幻小說作品成日說的平行宇宙，亦是用來圓說為何過去歷史可以被改變的「藉口」。比起此前談的兩類，這種多重宇宙更有爭議，尤其物理學界對如何正確詮釋量子力學還未有共識，而且可能因歷史與教科書的關係，學界更多人傾向相信哥本哈根詮釋。
多重宇宙級別（四）– 數學宇宙（level IV: mathematical universe）
最後一種，屬最高級別的多重宇宙是數學宇宙（mathematical universe），由泰格麥克提出。這套數學宇宙假說是源自一個長久困擾住科學家、甚至哲學家的問題：為何數學可以如此成功地描述現實世界的一切現象。如果數學不是人類發明，而是真實存在的真理，那便有可能解釋到這問題。進一步推論，泰格麥克認為既然數學才是現實世界最根本的真理，那任何數學結構、理論都必然有一個對應的宇宙存在。這假說除了是最終極外，它還可以某程度上解答到為何我們身處的宇宙物理會遵循現時所見到的數學結構而不是另外一種，尤其我們宇宙那種數學結構在芸芸眾多的數學結構中不算獨特。
(Credits: http://www.integralworld.net/images/math-formula-chalkboard-600x350.jpg)
這套假說比起其他多重宇宙論更大膽，更「瘋狂」，理論上數目可以比此前談的那幾類還多出很多很多倍。數學宇宙亦是最具爭議性，較少學者相信的版本，始終「數學是一項發明抑或是發現」這涉及哲學層面上的問題很難會有答案甚至是共識。
總結：多重宇宙這概念雖然起源自科幻小說、人類的幻想，但物理學上的確是有相關的理論假說模型，有真實存在的可能。不過多重宇宙論始終是非常前沿，還在非常初步的研究階段，而且只是假說，沒人知現實世界有沒有多重宇宙。理論上要驗證多重宇宙論亦非常困難，尤其受身處宇宙的物理限制我們接近沒有辦法去直接觀察這些宇宙，即便竭盡全人類文明的能力也未必可行。雖然如此，但科學其中一個重要精神是求知，探索未知的世界，即使是多困難也好，在未有結論前也不應該放棄研究及限制各種可能性。古時候人們又怎會想象到有量子力學存在，時間是相對和宇宙是膨脹中這些概念呢？或許有一天人類真的會找到多重宇宙確實存在的證據呢！
最後有興趣的可以看看Sixty Symbols教授專業的簡單講解 （英文）
今次說到這裡，下次再談。
延伸閱讀：
[1] Tegmark, Max (May 2003). “Parallel Universes”. Scientific American. Vol. 288. pp. 40 – 51.，arXiv:astro-ph/0302131
[3] https://zh.m.wikipedia.org/zh-hk/玻尔兹曼大脑
https://blog.xuite.net/sames8888/twblog/243366404-玻爾茲曼大腦：我們的世界是真實的嗎%3F
[5] 《多重宇宙真的存在嗎？》George Ellis著，《科學人雜誌》2011年8月號，http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=3434 （link為中文版)
土生土長香港人，有幸在劍橋待過，閒時研究物理，憂心香港未來的「業餘足球員」，曾夢想成為另一個湯川教授。 劍橋大學數學系碩士、諾定咸大學博士，曾為APCTP博士後研究員，主修宇宙學。 現為data scientist www.facebook.com/godfreyleung.cosmo
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