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第33章 平行宇宙3（第2页）

假想你住进一座旅馆，被分到一个房间，门牌号码是1967。你惊奇地发现，这数字正是你出生的年份。不过你随即反应过来，这完全不算什么巧合。整个旅馆有成百上千的房间，其中有一间门牌数和你生日相同很正常。然而你若看见的是另一个数字，便不会引发上面的思考。于是你认识到，即便对旅馆一无所知，也可以推断出还有很多房间，因为如果只有一个房间，那么你就遇到了一个没有解释的巧合。

再举一个更贴切的例子，考虑太阳质量M。M影响太阳的发光度，通过基本的物理计算就可以得出，只有在M处于1.6×10^30～2.4×10^30千克这样一个狭窄范围内时，地球上我们所知的生命才可能存在——否则地球上的气温将比火星更冷，或者比金星更热。测量值正好是2.0×10^30千克。乍看之下，可居住的M值无疑是种令人困惑的巧合，由计算可知绝大多数恒星的质量分布于10^29～10^32千克的巨大范围内。然而有了旅馆的经验，我们便明白这种表面的巧合实为一个集合中的选择效应：如果存在许多太阳系，其中心恒星和行星轨道有一定分布，我们显然应该生活在适于居住的太阳系里。

图1.4

更普遍地来说，某些物理参量正好是可居住的观测值，这样的巧合可以被看作一个更大的集合的存在证据，而我们观察到的只是其中一个元素。虽然其他的旅馆房间和其他太阳系的存在，是毋庸置疑并被观测证实了的，但平行宇宙的存在还没有，因为它们不能被观测到。但是如果观察到物理常数的微调，那就可以通过和上面同样的逻辑来论证它们的存在（图1.4）。实际上，存在很多微调的例子，显示具有不同物理常数的平行宇宙确实存在，尽管微调的程度仍然在大家仍在激烈争论，并需要由进一步计算所澄清。

例如，如果电磁力减弱4%，太阳就会瞬间爆炸（双质子能形成束缚态，使太阳的发光度增大1018倍）。如果电磁力再强一点，那么稳定原子会少很多。实际上，大部分（如果不是全部）影响低能物理的参量都在某个水平上被微调过，也就是说即使只改变少许，我们的宇宙也会变得太不相同。

如果弱相互作用再弱一些，宇宙中就不会有氢，因为它会在大爆炸后迅速变成氦。无论它是变得更强还是更弱，超新星爆炸形成的中微子都不能喷出超新星，而且生命形成所需要的重元素，能否离开产生它们的恒星也值得怀疑。如果质子的质量增加0.2%，它们立即衰变成中子，没法束缚电子，原子也就无法稳定存在。如果质子-电子质量比更小一些，就不会存在稳定的恒星；如果它更大一些，像晶体和DNA分子这样的有序结构就不会出现。

一旦有人提到人择这一“A打头的词”，关于微调的讨论就常常变得激烈起来。所谓的人择原理定义五花八门，解释各种各样，它所引发的混乱已经盖过了它所带来的启迪。但下面所说的MAP一般没有争论，即最小化人择原理（minimalisticanthropicprinciple）：

MAP：用观测数据检验基础理论时，忽略选择效应会得出不正确的结论。

从我们前面的例子来看，这是很显然的：如果我们忽略选择效应，围绕一个太阳这么重的恒星旋转是非常令人惊奇的，因为更轻更暗的恒星也大量存在。同样，MAP说明，混沌爆炸模型并没有由于我们正好生活在暴胀停止的极小的分形空间而被排除，因为暴胀的部分不适合我们居住。幸运的是，正如玻尔兹曼一百年前就指出的那样，选择定则并不能拯救所有的模型。如果宇宙处于经典的热平衡（热寂），热波动仍然能够使原子随机结合在一起，从而千载难逢地形成了拥有自我意识的一个你，所以你正好存在这一事实并不能排除热寂宇宙模型。但是，你在统计上应该看到，世界的其他部分都应该处于高熵的混乱状态中，而不是看到的有序的低熵状态，从而排除了这个模型。

粒子物理的标准模型中有28个独立参量，而宇宙学中可能还有更多。如果我们真的住在第二层多元宇宙中的一个，那么对于那些在平行宇宙之间的数值不同的物理量，我们永远不能根据第一性原理预言出它们的观测值。将选择效应考虑在内，我们也只能计算出这些数值的概率分布。我们也会发现，这些可能有不同取值的物理量在我们宇宙中的观测值，应该普遍的和我们的存在一致。从下面的具体讨论中将会看到，如何定义“普遍”，具体地说也就是，如何用物理理论计算概率，变成了令人困窘的棘手问题。

第三层：量子力学中的多世界解释

即量子波函数的其他分支，没有增加任何实质的新东西

前两层平行宇宙如此遥远，但这一层平行宇宙却可能就在我们身边。如果物理基本方程一直都是被数学家称为“幺正的”，那么宇宙就会像漫画上那样，不断分叉处平行宇宙：只要一个量子事件可以有随机结果，那么所有结果实际上都会发生，每一个形成一个分支。这就是第三层平行宇宙。虽然与第一层、第二层平行宇宙相比，第三层平行宇宙备受争议。我们仍会看到，这一层次并没有增加新型的宇宙。

第三层平行宇宙存在的证据

在20世纪早期，通过解释原子领域出现的新现象，量子力学理论革新了整个物理学。量子力学的应用包括化学、核反应、激光，以及半导体等。在量子理论取得瞩目成功的同时，它的理论解释却引发了激烈的争论。直到至今，争论仍在继续。在量子理论中，宇宙的状态，不再用所有粒子的位置和速度那样经典词汇来描述，而是用一种叫波函数的数学客体来描述。根据薛定谔方程，宇宙的态按照名为“幺正的”方式随时间确定地演化，这对应着希尔伯特空间（波函数所在的无穷维抽象空间）中的一个旋转。比较别扭的地方在于，对于经典上违反直觉的情形，例如你同时出现在两个地方，描述它们的波函数却完全是合理的。更糟的是薛定谔方程能让无辜的经典状态演变成令人崩溃的状态。一个怪异的例子就是，薛定谔描述的那个著名的理想实验，如果放射线原子发生衰败，那个一个令人不快的装置就会杀死一只猫。因为放射线原子最终进入衰败和不衰变的叠加态，一只既死又活的猫就产生了。

图1.5

在20世纪20年代，为了摆脱这一不可思议的现象，物理学家们假设，一旦做出观察，波函数立即“塌缩”成某种确定的经典结果，其概率由波函数给出。爱因斯坦对破坏了幺正性的这种自然内在随机性很不高兴，他坚持认为“上帝不掷骰子”。其他人也抱怨没有具体指导塌缩何时发生的方程。1957年，普林斯顿的学生休·埃弗雷特（HughEverett）在他的物理学博士论文里提出，这个有争议的塌缩假设完全是多余的。量子理论预言，一个经典实在会逐渐分裂成许多态的叠加（图1.5）。他指出，观察者主观上只会将这个分裂体验成一种随机性，随机概率恰好等于原理的预言。这种经典世界的叠加就是第三层多元宇宙。

埃弗雷特的工作仍然留下了两个问题没有回答：首先，如果这个世界真包含了荒谬的宏观叠加，为什么我们没有感觉到。直到1970年才有人回答这个问题，迪特尔·泽（DieterZeh）指出，薛定谔方程自己引发了一种审查效应。这个效应叫“退相干”，在接下来的几十年中沃伊切赫·祖雷克（WojciechZurek）和泽等人对其进行了仔细研究。研究发现，相干的量子叠加只要不被世界中的其他部分知道，就会保持下去。和一个爱打听的质子或空气分子的一次碰撞，就足以让我们在图1.5中的人永远无法意识到，平行的故事线中还有自己的一个拷贝。埃弗雷特图像中第二个没有回答的问题更为微妙，但同样重要：什么物理机制选出近似经典的状态（例如一个物体一次只能在一个地方）。它在极端巨大的希尔伯特空间中是相当特殊。退相干同样回答了这个问题，它认为，经典状态就是最坚决抵制退相干的那些态。总的来说，退相干既确定了希尔伯特空间中的第三层平行宇宙，又给它们划清了界限。退相干已经无可争议，在各种情况下都被实验测量到。既然退相干实际上能起到波函数塌缩的效果，那么人们就失去了研究非幺正量子力学的动机，埃弗雷特的多世界诠释日益流行。要了解这些量子文献的详细内容，可以在泰格马克和惠勒的文章中找到流行观点，朱利尼等人的著作中有技术性的回顾。

如果波函数的时间演化是幺正的，那么就存在第三层平行宇宙，物理学家都在竭力地检验这个关键假设。目前还没有发现对幺正行性的偏离。最近几十年，巧妙的实验证明了更大体系的幺正性，包括极重的碳60巴基球原子，以及千米尺度的光纤系统。在理论方面，一个反对幺正性的重要争论涉及黑洞蒸发时可能的信息丢失，这意味着量子引力效应是非幺正的，从而使波函数塌缩。但弦理论上的一个突破，叫做AdSCFT对应的理论指出，量子引力也是幺正的，在数学上它和一个低纬的无引力量子场论是等价的。

（本章完）

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