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平行宇宙（英文名：parallel universes），也被稱為多重宇宙（Multiverse），是一種物理學界尚未證實的假說，根據這一假說，在人類的宇宙之外很可能存在其他的、不同宇宙。后續的分類中有科學家將“多重宇宙”作為平行宇宙的一個分類（如“多元宇宙”是第三類平行宇宙的描述）。這些宇宙可能有著不同的物理定律、常數、初始條件，甚至是完全不同的維度結構。平行宇宙已經出現了許多版本，在宇宙學、量子力學、哲學和科幻文學等領域都有涉及。

Multiverse這個名詞是由美國哲學家與心理學家威廉·詹姆斯（William James）在1895年所提出的。19世紀20年代后期，玻爾（Bohr）和海森伯格（Heisenberg）在哥本哈根解釋中提出，之所以沒有在宏觀物體中看到疊加態，是因為測量這些疊加態的時候，它們縮了；而與之形成鮮明對比的是，休·艾弗雷特三世（Hugh Everett）在論文中提出了疊加態確實影響著世界。正是休·埃弗雷特提出了在量子物理中一個宇宙可以分裂成并行共存的“多重世界”，提供了另一條途徑，他認為不會發生坍縮，宇宙中的每一個事物都以薛定諤方程給出的波動力學方式運動。他提出，人類看到的類似坍縮的現象只不過是因為其本身也是量子世界的一部分，因此也處于不同的疊加態中。埃弗雷特認為，量子理論為現實世界提供了它自己的解釋，即宇宙分裂成了多個平行的世界。

2003年《科學美國人》中，美國宇宙學家泰格馬克（Tegmark）發表了《Parallel Universes》（平行宇宙）一文，探討了平行宇宙的概念，論證了宇宙是“平行”的結論，并將其分為四個類別。第一類宇宙與我們的宇宙在物理常數上保持一致。第二類宇宙在物理定律上與我們的宇宙相似，但基本物理常數有所區別。第三類宇宙基于量子理論并且這些宇宙可能與第一類或第二類宇宙有關聯。第四類宇宙則具有與我們宇宙不同的基本物理定律，其物理定律可能通過M理論來描述，代表了理論上所有可能的宇宙類型。

概述

在現代宇宙學框架里，時間和空間是一體的，共同構成了我們的世界，統一稱之為時空（space 時間）。按照宇宙學模型，每一個事件的發生，都必須服從因果律，它會落在時空里的某條世界線上（world line），世界線代表著宇宙就由無數條世界線組成，根據“平行宇宙理論（緯線 world theory）”，這樣的宇宙可能不只有一個，而是無數個宇宙里面都存在有類似的世界線在有條不紊的運行。

物體處于確定的狀態，通過測量可以知道和它的相關物理量。然而，當量子力學誕生后，從根本層面上來說，宇宙是不確定的。一種關于平行宇宙的說法是：根據量子理論，一件事件發生之后可以產生不同的結果，而所有可能的結果都會形成一個宇宙，但是人類在自身宇宙中只看到了一種結果。如果有適當的條件，平行宇宙可能是存在的。

它是潛在多樣化的可觀察宇宙的假設集合，每個宇宙都包含由相互連接的觀察者群體通過實驗可訪問的一切。望遠鏡可觀測到的已知宇宙直徑約為900億光年。然而，這個宇宙僅構成多元宇宙的一個很小甚至無窮小的子集。

研究歷程

二十世紀的研究

盡管量子理論已經取得了巨大的成就，但是物理學家們始終對它的邏輯自洽性表示不滿。以埃爾溫·薛定諤的波動方程為例，量子理論認為諸如電子這樣的微觀粒子會具有奇怪的“疊加態”，這會使得它們可以同時處于兩個地方。薛定諤方程幫助我們解釋了原子的行為，但是對于例如椅子這樣由微觀粒子組成的宏觀物體卻無法解釋。

1920年代后期，奧格·玻爾和海森伯格在著名的哥本哈根解釋中提出，之所以沒有在宏觀物體中看到疊加態，是因為當人類試圖去測量這些疊加態的時候它們坍縮了。

而與之形成鮮明對比的是，埃弗雷特在論文中提出了另一個想法———疊加態確實影響著這個世界，正如他指出的，當人類遇到一個具有疊加態的粒子并且說它在這里在那里的時候，疊加態也會作用在人類自己身上，把人類分成一個看見這個粒子在這里和在那里的人。其實從后人的角度來看，正是埃弗雷特提出了在量子物理中一個宇宙可以分裂成并行共存的“多重世界”。

但這個想法被認為過于奇特而遭排斥，同時那個時候許多其他的理論也被提了出來。對此批評家認為，實驗無法把“多重世界”理論和其他的理論區分開。

從1950年代開始，以美國物理學家戴維·玻姆（David Bohm）為代表，試圖發展出一套自洽的量子理論。波姆提出了所謂的“隱變量”解釋，其中的微觀粒子一直具有唯一的位置和速度。波姆的理論不需要用到坍縮，但是它不同尋常的數學結構以及顯然無法在實驗中測量這些隱變量的特性僅僅吸引了少量的物理學家。在過去的20年里，科學家們也提出了許多種解釋。這些解釋都與奧格·玻爾的相一致，只是更為具體。他們提出修改薛定諤方程，使得不同的疊加態在遇到宏觀物體時可以自然而然地快速坍縮成一個，由此為什么人類沒有在現實世界中看到疊加態提供了一個更為精確的解釋。通過使用自洽的數學方法納入薛定諤方程中，這些理論不再需要坍縮假設。

1957年，美國普林斯頓大學博士研究生休·埃維雷特提出了平行宇宙的概念。這個概念的提出源于在觀察量子的時候，發現量子粒子能夠同時擁有兩種不同的狀態。打個比方，在現實世界里，你有3個藍色珠子和3個紅色珠子。你把它們都放到一個盒子里封好。這時你可以說：“我的盒子里有一些藍色或紅色的珠子。”然后，你把盒子放在量子世界里，這時你會發現在盒子里，每一個珠子既是紅色的又是藍色的，它同時擁有兩種顏色，這便是量子物理中的疊加狀態。

埃弗雷特則提供了另一條途徑。他認為不會發生坍縮，宇宙中的每一個事物都以薛定諤方程給出的波動力學方式運動。他提出，我們看到的類似坍縮的現象只不過是因為我們本身也是量子世界的一部分，因此也處于不同的疊加態中。埃弗雷特認為，量子理論為現實世界提供了它自己的解釋，即宇宙分裂成了多個平行的世界。

1970年代，德國海德堡大學的物理學家迪特·澤赫（Dieter Zeh）發展出了一套被稱為退相干的理論，之后美國拉斯·阿拉莫斯國家實驗室的物理學家沃奇克·祖瑞克（Wojciech Zurek）對其進行了擴展。這個理論認為，由于量子系統與其周圍環境的相互作用，它們不會長時間處于疊加態上，而是趨向于“退相干”。其結果是，環境的作用使得量子系統的行為就好像發生了坍縮，而實際上它們卻和周圍的環境更緊密地糾纏在了一起，以致于沒有實驗可以探測到它們，而且對于多粒子系統更是如此。

許多物理學家認為，在與退相干結合之后，“平行宇宙”理論會顯得更具有吸引力。這是因為退相干可以挑選出宏觀物體中常見的態，使得它變得更可靠而且因此變得具有可觀測性。這個理論甚至還得到了一些實驗的肯定，而且看上去還去除了多重世界理論中的不少不確定性。

另一個埃弗雷特理論中長期存在的問題是概率———量子物理的基石。使用坍縮假設，波函數的大小可以用來計算電子位置和速度的概率，但“多重世界”由于主張量子系統永不坍縮，因此根本沒有概率這一說法。“在埃弗雷特的理論中，”西安大略大學的物理利奧六世韋恩·邁耶弗德（Wayne Myrvold）說，“似乎根本沒有概率的容身之地。”

牛津大學的大衛·道奇（David 德語）和大衛·華萊士（David Wallace）提出一種方法可以在埃弗雷特的理論中建立量子概率。他們使用決策論———一種用于最優化決策的邏輯科學———來研究如果一個位于某個多重世界宇宙分支中的個體試圖盡可能精確地預言真實世界的結果。

正如埃弗雷特的理論所預料的那樣，使用原子束縛和量子光學技術，實驗物理學家在包含越來越多粒子的系統中觀測到了量子疊加態。“多元宇宙理論正在慢慢地成為物理學中的主流，”美國約克大學的數學家托尼·薩德拜瑞（Tony Sundbery）說，“部分原因是我們看到在沒有坍縮假設的前提下，量子理論在越來越大的系統中依然成立。”

“如果實驗不斷地證實量子理論，那么我們會處于一個極為困難的境地，不得不在不同的理論中做出一個決斷，”美國哥倫比亞大學物理學家大衛·阿爾伯特（David Albert）說。不過支持者卻認為，通過不斷發現否定哥本哈根解釋所需的“坍縮”的證據，實驗將有助于澄清各個理論。

阿爾伯特（Albert）指出，所有與“多重世界”理論一致的實驗同時也和量子理論相一致，而且其中還有一些與波姆的隱變量以及其他的一些理論吻合。在量子力學中，一個物理體系的狀態用波函數表示，波函數的模方代表粒子出現的概率。粒子的動量依賴于波函數的斜率，波函數越陡，動量越大。斜率是變化的，因此動量也是分布的。在實驗中觀測到波函數的坍縮將會否定埃弗雷特的理論，但是目前還沒有觀測到這一現象的原因可能僅僅是因為在量子疊加態中控制實驗上的困難所造成的。

20世紀90年代，在有關這個概念的小說作品廣受歡迎之后，有關多元宇宙的科學討論和期刊文章也開始受到關注。

二十一世紀的研究

2003年，賓夕法尼亞大學物理與天文學教授泰格馬克（Tegmark）發表了《平行宇宙》一文，是目前平行宇宙論較為完整的論述文章，他將平行宇宙分為四類，或者四個層次，論證了宇宙是“平行”的結論。

2010年，斯蒂芬·菲尼（Feeney Stephen M）等科學家分析了威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）的數據，并聲稱發現了證據表明該宇宙在遙遠的過去與其他（平行）宇宙相撞。

然而，對WMAP和普朗克衛星的數據進行更徹底的分析，普朗克衛星的分辨率是WMAP的三倍，并沒有發現任何具有統計學意義的證據表明這種泡沫宇宙碰撞。此外，沒有證據表明其他宇宙對人類所處的宇宙有任何引力。

平行宇宙的分類

平行宇宙形成了一個自然的四級多元宇宙層次結構，允許逐漸增加的多樣性。泰格馬克（Tegmark）發表了《Parallel Universes》（平行宇宙）一文，將平行宇宙分為四類，或者四個層次。

第一類宇宙與我們的宇宙在物理常數上保持一致，但由于粒子的排列方式不同，可能存在于可觀測宇宙之外。第二類宇宙在物理定律上與我們的宇宙相似，但基本物理常數有所區別。第三類宇宙基于量子理論，認為每個量子事件的可能結果都會在不同的宇宙中發生。第四類宇宙則具有與我們宇宙不同的基本物理定律，其物理定律可能通過M理論來描述，代表了理論上所有可能的宇宙類型。

第一類

對膨脹宇宙的一般預測是一個無限遍歷的宇宙，它包含了哈勃空間望遠鏡體，實現了所有初始條件。這一級平行宇宙為最簡單的平行宇宙，處于可觀測宇宙之外，其物理常數與人類所處的宇宙相同，但是物質的初始條件不同。第一級是可觀測宇宙之外的領域的衍生，如果空間是無窮大，太陽和物質的分布是足夠均勻的在大尺度上，即使是概率極小的事件也必然發生在某個地方。事實上，有無限個許多其他與我們可觀測宇宙大小相當的區域，所有可能的宇宙歷史都在這里上演，這是第一級的平行宇宙。

現代宇宙學理論認為我們的宇宙起源于一次約140億年前的大爆炸，爆炸之后空間極速膨脹，即發生了“暴脹”。人類所能看到的最遠距離就是自大爆炸以來光行進的路程，因為根據狹義相對論，信息傳遞的速度不能超過光速。第一層平行宇宙存在的另一個前提是物質分布的均勻性。三維星系分布圖顯示，觀測到的特殊大型結構（如巨數星系組成的超級集團）會消解在更大尺度上的單調均勻之中。背景輻射的測量也證實，均勻化的趨勢一直延伸到我們的可觀測宇宙的盡頭。

生活在這一級平行宇宙中的人，和人類一樣，遵循著完全相同的物理定律，只是初始條件與人類的哈勃空間望遠鏡空間不同。最流行的理論是，初始條件（早期不同類型物質的密度和運動）是由暴脹時期的量子漲落創造的。這種量子機制產生的初始條件對于所有實際目的來說都是隨機的，產生的密度漲落被數學家稱為遍歷隨機場。x遍歷意味著如果你想象生成一個宇宙的集合，每個宇宙都有自己的隨機初始條件，那么給定體積中結果的概率分布與你在單個宇宙中采樣不同體積得到的概率分布是相同的。

第二類

在混沌膨脹中，其他熱化區域可能具有不同的物理常數、維度和粒子含量。想象一組無限的不同的平行宇宙，其中一些可能具有不同的維度和不同的物理常數。這是暴漲理論所預測的，科學家們將其稱為第二類平行宇宙。第二類宇宙與第一類宇宙有著較大的不同，時空維度、基本粒子以及很多物理常數都是不同的。從某種意義上說，這些其他領域是無限遙遠的，即使永遠以光速旅行，也不會到達那里。原因是第一級平行宇宙和它的鄰居之間的空間仍在經歷膨脹，膨脹不斷地伸展，創造出比穿越它的速度更快的空間。

相反，如果有足夠的時間可以旅行到任意遙遠的第一級宇宙。其中空間的某些區域停止拉伸并形成不同的氣泡。這樣的氣泡是一級平行宇宙的雛形，不同的氣泡可能會經歷不同的自發對稱性破壞，從而導致不同的屬性，例如不同的物理常數。

具有相同物理定律的第一層平行宇宙是簡單的，但更為復雜的平行宇宙系統也可能存在。在流行的混沌暴脹模型中，暴脹在空間的某些區域會停止下來。這些區域雖然仍可能在加速膨脹（就像我們的宇宙一樣），但其速度已經大大低于暴脹，使得生命的出現成為可能。

這些暴脹停止產生的泡沫便是第二層平行宇宙的組成元素。泡泡之間的距離可以說是無限的；因為暴脹遠超光速，即便你以光速旅行無限長的時間也到不了鄰近的泡泡。每個泡沫都擁有無限的空間。更令人驚奇的是，一個暴脹中的泡沫可以產生出其它暴脹的泡沫，這些泡泡也可生出更多的泡泡，就像細胞分裂那樣。在這種情況下，時間也可以看作是無限的。“開端”失去了意義，過去、現在和將來都永遠存在無數的泡泡和暴脹區域。

量子理論經常會導致一些不可思議的事。如果將量子波動理論應用到暴脹宇宙中，似乎也難以避免平行宇宙的結果。暴脹還必須考慮量子效應，一來暴脹期前后的宇宙都是高熱、高密度狀態，正是量子理論的用武之地。二是暴脹理論還得靠量子漲落之類的說法來解釋暴脹機制和宇宙后來的結構形成。因此，科學家將此類平行宇宙歸為“暴脹平行宇宙”。古斯當初建立“舊暴脹”理論時，碰到一個如何讓暴脹“停止”的困難，林德（現任斯坦福大學教授）修正了古斯的模型，提出了混沌暴脹理論。

第三類

在量子力學中，波函數的其他分支沒有增加任何定性的新內容，這一級別在歷史上是最具爭議的。第三種平行宇宙從某種意義上說離現實世界不遠。這一級宇宙為美國量子物理學家休·艾弗雷特三世提出的多世界宇宙，屬于量子多重世界范疇，在量子力學框架下，每一個宇宙都對應著不同的狀態，量子宇宙會隨機“分裂”成更多狀態的宇宙。

如果物理學的基本方程是數學家所說的統一的，就像它們到目前為止所表現的那樣，那么宇宙就會像漫畫中那樣不斷分支成平行宇宙：每當一個量子事件似乎有一個隨機的結果時，所有的結果實際上都會發生，每個分支都有一個。這是第三級的平行宇宙。盡管比第一級和第二級更有爭議，但這一層沒有增加新的宇宙類型。

由于薛定諤方程是線性的，遵循薛定諤方程而演化的波函數便可以疊加。這意味著一個波函數也可以分解為幾個波函數的疊加，我們可以分別研究分解出的這幾個波函數，再將結果疊加起來就能得到原來波函數的情況。

艾弗雷特想出了一種新的解釋。他認為雖然觀察者只得到了一個確定的結果，但我們應該將觀察者連同他的觀測結果都看作一個狀態，每個觀察到不同結果的觀察者處于不同的平行世界之中。這些平行世界彼此之間是疊加的，它們便構成了第三層平行宇宙。

在討論平行宇宙時，我們需要區分觀察物理理論的兩種不同方式：研究其數學基本方程的數學家的外部視角或鳥類視角，以及生活在方程所描述的世界中的觀察者的內部視角或青蛙視角。從鳥類的角度來看，第三級平行宇宙很簡單：只有一個波函數，它隨著時間的推移平滑而確定地進化，沒有任何分裂或平行。這個演化波函數所描述的抽象量子世界包含了大量平行的經典故事線，不斷地分裂和合并，以及一些缺乏經典描述的量子現象。

第四類

第四類平行宇宙基于當代理論物理學的發展，在激進的柏拉圖主義者看來，數學存在與物理存在是等價的，每個物理世界都是一個數學結構，每個數學結構都有其對應的物理性存在——這就是第四層多重宇宙。這一類平行宇宙的數學結構給出了不同的物理基本方程。

20世紀的數學發展告訴我們，所有的數學都是形式系統的特殊情況。形式系統包括抽象的符號、操縱規則以及由已有符號（稱為“公理”）規定新符號的規則（稱為“定理”）。它去掉了傳統數學結構的意義，只留下根本性的抽象關系。在此基礎上，我們可以將物理世界看作一個數學結構；那些數學方程組成了物理世界的全部。在數學結構中，每個物理實體都能找到唯一的對應。從原則上講，自我意識也有其對應部分，只不過我們還沒有找到它。

如果找到了一個大統一的物理理論，它能夠描述人類所在的宇宙，其公理必然是數學性的。為了嚴謹起見，大統一理論最好用純形式術語描述，而不是借用模糊的人類語言。這個理論一定是一個數學結構，并隸屬于一個龐大的形式系統。那么，我們可以想象一個終極的系統，里面包含了任何可能的平行宇宙理論。因此，平行宇宙將終結于第四層，下一層的存在是不可能的。

爭議與挑戰

一方面，許多科學家堅持認為物理世界與“無限”的概念不相容；另一方面，隨著宇宙暴脹理論的發展，一些宇宙學家開始認真考慮存在無數個具有分形結構的宇宙的可能性。在他們的假設中，這些宇宙遵照各自的形態在不同的尺度上重現。如果這些宇宙學家的假設成立，那么所謂的“宇宙微調問題”（我們生活的宇宙中所有的物理常數都恰好在精妙的水準上達到了平衡，如此一來，人類的存在才成為可能）也會得到解決。

不少科學家對多重宇宙論采取駁斥的態度，他們認為該理論既不能幫助我們計算出不同類型宇宙存在的概率，也不能啟發我們對可能的實驗結果做出任何預測，因此并不是一個可行的模型。

盡管多重宇宙是一個飽受爭議的觀點，但無論如何，都不應該因為存在爭議就對它望而卻步。人類已經習慣了在某些知識領域可能存在觀點分歧。在氣候學中是如此，在經濟學中也是如此，不同的經濟學派在分析同一經濟現象的起因和影響時，常常持不同觀點；在醫學中更是如此，比如當人們患了比較嚴重的疾病去就醫時，不同醫生采取的治療方案可能不同。

研究進展

物理學教授麥克斯?泰格馬克（Max Tegmark）提出了數學宇宙假說（Mathematical Universe Hypothesis），認為數學不光描述了人類生活的世界，它構成了世界本身。宇宙要比現有科學所認識的更加宏大，更加陌生。數學宇宙假說認為，我們生活在一個直徑900億光年并且在不斷膨脹的空間里，這里或許存在著超過5000億個“銀河系”。與多重宇宙概念相比，天文望遠鏡所觀察到的宇宙，就如同大象背上的一只蚊子。宇宙中肯定擁有更多“物質”。泰格馬克說：“我們不能因為不喜歡某個理論就避而不談，我們總是提出假設，然后驗證。這才是科學。”

2015年，天體物理學家可能通過回顧大爆炸之后的一段時間，可能發現了交替或平行宇宙的證據，但其中仍然存在爭議。加州理工學院的宇宙學家蘭加-拉姆·查里（Ranga-Ram Chary）在分析了宇宙微波背景后，根據科學家認為存在于早期宇宙中的質子和電子的數量，發現了一個比應有的亮度高4500倍的信號，事實上，這種特殊的信號——在復合時代原子形成產生的射線——更符合物質粒子與光子的比例大約是人類宇宙的65倍。其中有30%的可能性，這個信號只是噪音，而不是真正的信號；但它也有可能性是真實存在的，因為有可能是一個平行宇宙將它的一些物質粒子傾倒到人類所處的宇宙中。畢竟，如果在重組過程中將更多的質子和電子添加到宇宙中，就會形成更多的原子，發射更多光子產生更強的射線，但Chary持懷疑態度，他本人表示：“像替代宇宙的證據這樣不尋常的主張需要非常高的舉證責任。”

參考資料 >

平行宇宙終結于哪一層?.微信公眾平臺.2024-03-05

多重宇宙.中國大百科全書.2024-03-08

宇宙的未來.中國大百科全書.2024-03-05

multiverse.britannica.2024-02-02

Do parallel universes exist? We might live in a multiverse.space.2024-03-08

“我在這里我在那里”——休·埃弗雷特的多重世界理論.worldscience.2024-02-02

宇宙學.中國大百科全書.2024-03-05

遇事不決…平行宇宙？.微信公眾平臺.2024-03-05

如果能穿越時空，你想回到過去，還是去向未來?.微信公眾平臺.2024-02-02

永恒的流動和循環.中國大百科全書.2024-03-05

Parallel Universes.archive.2024-03-12