2015年6月25日星期四

宇宙從何而來？虛空不穩定誕生最初大爆炸

北京時間6月23日消息，據英國廣播公司（BBC）網站報道，宇宙為何會存在？人們為這個問題已經爭論不休了幾千年。全世界幾乎每一個古代文明都會有著自己對於這個問題的解釋——但盡管存在差異，但從本質上來說，他們基本都將原因歸為某位神靈的創造。宇宙的起源問題同時也是哲學界長久以來探討的話題。然而在這場喧囂之中，科學界的聲音卻顯得格外微弱。

哈勃空間望遠鏡拍攝的圖像。大質量天體會造成背景星系光線的彎曲，這是愛因斯坦的理論所預言的情景，被稱作「引力透鏡」

蟹狀星雲，這是超新星爆發留下的遺跡。我們所在的宇宙或許只不過是一片無垠沙灘上的一顆沙粒而已

新浪科技訊北京時間6月23日消息，據英國廣播公司（BBC）網站報道，宇宙為何會存在？人們為這個問題已經爭論不休了幾千年。全世界幾乎每一個古代文明都會有著自己對於這個問題的解釋——但盡管存在差異，但從本質上來說，他們基本都將原因歸為某位神靈的創造。宇宙的起源問題同時也是哲學界長久以來探討的話題。然而在這場喧囂之中，科學界的聲音卻顯得格外微弱。

不過在最近幾年時間裡，一部分物理學家和宇宙學家們終於開始嘗試涉足這一終極問題的探討。他們指出我們目前已經大致了解了宇宙的歷史，並且也了解了可以對其進行基本描述的物理學定律。他們認為，借助以上這些信息，我們應該就可以探尋宇宙如何存在以及為何存在這類問題的答案。

天文學家們自己也承認，他們對於這個問題給出的回答聽上去是充滿爭議的：他們認為我們目前生活其中的，遍布恆星的宇宙最初是從一場劇烈的大爆炸中誕生的，而在那之前什麼都不存在。天文學家們指出，大爆炸必然會發生，原因是「虛空」（nothing）本質上是不穩定的。

這樣的觀點或許聽上去會顯得非常詭異，或感覺就是另外一個瘋狂的創世學說。但物理學家們指出，這一理論是直接從物理學的兩大支柱，即量子力學和廣義相對論中推導出來的。

可是，從「虛空」之中誕生，這怎麼可能呢？

真空中的粒子

「斯蒂芬五重星系」。哈勃空間望遠鏡拍攝圖像

在探討這個問題之前，我們首先應該了解一下量子力學的一些觀點。量子力學是物理學的一個重要分支，主要適用於非常微觀的世界，如原子甚至更加微小的粒子。這是一個極為成功的理論，它實際上構成了現在我們使用的大部分電子器件背後的理論基礎。

量子力學告訴我們，並不存在所謂的「真空」。即便是最完美的真空之中實際上也充斥著粒子與反粒子，它們不斷誕生，然後幾乎在同時不斷湮滅。

這些所謂的「虛粒子」（virtual particles）存在的時間太過短暫，因而無法被直接測量到，但通過一些效應，我們可以確信它們的確存在。

時空——從零空間和零時間開始

或許多重宇宙就像這些氣泡一樣

從微觀事物，如原子，到宏觀事物，如星系。與描述微觀世界的量子力學不同，我們用於描述宏觀世界的理論則是廣義相對論。這是愛因斯坦一生最重要的成就，該理論描述了空間，時間和引力是如何運作的。

相對論與量子力學不同，並且迄今都沒有任何人能夠將這兩者成功地統一起來。然而借助謹慎的近似方法，一些理論科學家的確已經成功地在某些具體問題上同時應用這兩大理論。比如英國劍橋大學的史蒂芬·霍金教授對於黑洞的研究便是如此。

在這樣嘗試的過程中，科學家們發現的一個情況就是，當將量子力學應用到在可能范圍內最小尺度的空間中時，空間本身將變得不穩定。在這樣的尺度上，空間不再顯示完美的平滑和連續，空間和時間都失去了其穩定性，它們混雜在一起，形成了時空的泡沫。

換句話說，微小的時空泡沫是可以自發形成的。美國亞利桑那州立大學坦普爾分校的勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）表示：「如果時空是量子化的，它們就會發生漲落。因此正如你可以創造出虛粒子一樣，你也可以創造出虛時空。」

除此之外，如果這些時空泡沫的形成是可能的，那麼它們就一定會形成。美國波士頓塔夫茨大學的亞歷山大·維蘭金（Alexander Vilenkin）指出：「在量子物理學中，如果某件事並非是被禁止的，那麼它真的發生的概率就不為零。」

從「氣泡」中誕生的宇宙

宇宙微波背景輻射分布圖，這是宇宙大爆炸留下的余暉

於是，並非僅僅只有粒子和反粒子能夠從「虛空」之中誕生並消亡：時空的「氣泡」也同樣可以。但即便如此，想象一下一個無限小的時空氣泡要變成一個內部包含有1000億個以上星系的巨大宇宙，這樣的跨越也實在太大了。難道不是嗎？即便這樣一個「氣泡」能夠形成，它也會在轉瞬之間再次消失。

但事實上，這樣的「氣泡」是有可能幸存下來的。但為了達成這樣的結果，我們還必須借助另外一項宇宙奇跡：暴漲。

大部分物理學家現在都同意我們生活其中的宇宙是從大爆炸開端的。起初宇宙中所有的物質和能量都被壓縮在一個無限小的點上，然後這個點爆炸了。之所以物理學家們能夠達成這樣的共識，主要源於20世紀早期的一項重要發現：觀測證據顯示宇宙正在膨脹。既然所有的星系都正在遠離我們，那麼在此之前的某一時刻，所有星系必定都曾經聚集在一起。

而暴漲理論指出，在大爆炸之後的一個階段，宇宙曾經經歷過一段急速膨脹的過程。這一聽上去有些荒謬的觀點最早是在上世紀80年代由美國麻省理工學院的阿蘭·古斯（Alan Guth）提出來的，隨後由現任職於斯坦福大學的安德烈·林德（Andrei Linde）進行了修訂。

這項理論的主要觀點包括：在大爆炸發生之後的一瞬間，量子尺度的空間突然經歷難以想象的極速膨脹過程。在極短的時間內，原始宇宙的大小便從比一個原子核還要小，突然膨脹為一粒沙子的大小。當這一膨脹過程最終減速時，驅動這一過程的力場轉變為充斥今天宇宙空間的物質與能量，也因此，古斯將這一暴漲過程稱作「終極免費午餐」。

然而更加讓人感到詭異的是，這一詭異的理論竟然與觀測現實的吻合度相當好。尤其是，它可以非常好的解釋宇宙微波背景輻射的存在，這是大爆炸留下的微弱余暉，這種微波輻射幾乎均勻地分布在宇宙的各個方向，構成一種近似背景的模式。如果宇宙沒有經歷過如此快速的暴漲過程，那麼這一輻射背景的均勻度應當會差得多。

宇宙是平坦的，這很重要

研究的結果顯示，從最大的可觀測尺度上來看，我們的宇宙是平坦的。宇宙是平坦的——這一點極其重要，因為只有一個平坦的宇宙才能從「虛無」中誕生

暴漲理論也給了宇宙學家們一把測量的工具，他們可以據此度量宇宙的幾何學特征。對這一問題的研究結果對於我們理解宇宙如何從虛無之中誕生將具有關鍵意義。

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，我們生活其中的時空可以三種形式存在。它可以表現為平坦的，就像一張桌子的台面；它也可以具有正曲率，就像一個球體的表面，在這種情況下，如果你旅行地足夠遙遠，你將會回到你最初出發的地方；最後一種，宇宙也可以表現為負曲率，此時宇宙在幾何特征上的表現就像一個馬鞍。那麼究竟哪一種才符合實際情況？

有一種方法可以找到答案。或許你還記得在你中學的數學課上，你的數學老師應該曾經告訴過你，三角形三個角的內角和等於180度。但實際上你的數學老師還遺漏了一項重要的內容，那就是這種情況只適用於平面。如果你在一個皮球的表面畫一個三角形，你會發現它的三個角的內角和會大於180度。反過來，如果你在一個具有負曲率的表面，比如一個馬鞍的表面畫一個三角形，你會發現它的三個角的內角和將是小於180度的。

那麼這樣一來，要想判斷宇宙是否是平坦的，我們就要測量一個巨大三角形的內角和。而這正是暴漲理論能夠發揮作用的地方，它決定了宇宙微波背景輻射中相對較為溫暖與較為寒冷的區域的平均大小分布。對這些區域大小的測定在2003年完成了，這樣天文學家們便有了許多的三角樣本可以進行測量。這項研究的結果顯示，從最大的可觀測尺度上來看，我們的宇宙是平坦的。

宇宙是平坦的——這一點極其重要，因為只有一個平坦的宇宙才能從「虛無」中誕生。

所有現在存在的事物——恆星，星系以及我們借以看到世界的光線，所有這一切必定源自什麼地方。我們已經知道粒子可以在量子層面上從虛空之中誕生，而要想產生出宇宙中的全部恆星和行星，將需要巨大的能量才能實現。

可是宇宙本身究竟是從何處獲得這麼多的能量的？詭異的是，它或許根本就不需要去獲取能量。這是因為宇宙中的任何物體都會產生引力，這種引力會對其周圍的其他物質產生一股拉力。這種引力將會平衡掉最初用於創造物質的的能量本身。

這就有點像是一把舊式秤桿，你在一頭放上重物，而在另一端放置砝碼，直到兩者的重量相等。而在宇宙的案例中，物質被放在了秤桿的一端，放在秤桿另一端的砝碼就是引力，它必須能夠平衡掉物質的重量。

物理學家們的計算顯示，在一個平坦的宇宙中，物質中所蘊含的能量恰好被這些物質產生的引力所具有的能量所平衡掉。但這一點也僅僅適用於平坦宇宙的情形。如果宇宙具有曲率，那麼這兩者將難以相互抵消。

單一宇宙還是多重宇宙？

在宇宙的案例中，物質被放在了秤桿的一端，放在秤桿另一端的砝碼就是引力，它必須能夠平衡掉物質的重量

到了這一步，創建一個宇宙看起來似乎很容易了。量子力學告訴我們「虛空」是不穩定的，於是一開始從「什麼都沒有」到「有什麼」這一步似乎是不可避免的。隨後在經歷暴漲過程之後，大爆炸中產生的那個微小的時空「氣泡」迅速膨脹並最終成為我們今天看到的這個巨大而繁忙的宇宙。正如克勞斯所指出的那樣：「根據我們所了解的物理學原理，我們的宇宙應當是從『空無一物』之中誕生的——沒有空間，沒有時間，沒有粒子，沒有任何我們已知的東西。」

那麼這一過程為何只發生了一次呢？如果可以有一個時空「氣泡」從虛無之中誕生，並經歷暴漲之後成為我們生活其中的宇宙，那麼有沒有可能這樣的過程會多次發生，並且產生多個類似的宇宙呢？

對於這個問題，林德給出了一個簡單但讓人有些難以理解的答案。他認為宇宙正在被不斷的創造出來，並且這樣的過程將會永遠地持續下去。

林德指出，當一個新生宇宙停止暴漲，它將仍然被一個持續暴漲的空間所包圍。這個暴漲的空間中產生出更多的宇宙，而它們的周圍也同樣是更多持續暴漲的空間。因此一旦暴漲開始，它應當會持續不斷地產生出大量的宇宙，也就是林德所謂的「永恆暴漲」。我們所在的宇宙或許只不過是一片無垠沙灘上的一顆沙粒而已。

那些宇宙可能會與我們生活的這個宇宙存在著深刻的差異。在另外一個宇宙中，空間或許有5個維度，而不是像我們宇宙中的3維，即寬度，長度和高度，那裡的引力作用或許要比我們強上10倍，但也有可能弱上1000倍，甚至根本就不存在引力。那裡的物質也可能是由完全不同性質的粒子所組成的。

因此完全有可能存在著許許多多形形色色的宇宙。林德表示所謂的「永恆暴漲」並非僅僅是「終極免費午餐」，它還是唯一一場你可以吃到任何一樣美食的方式。

盡管直到目前為止我們仍然還未能取得確鑿的證據證明其他宇宙的確存在，但這些理論本身卻已經為一句話賦予了全新的含義：「感謝一無所有」。

外星文明是否已造出宇宙加速器？

先進的外星文明是否已經利用黑洞建造了宇宙級別的粒子加速器，來研究普朗克能量（宇宙中的最高能量，約為10²⁸電子伏特）級別的物理學？如果這種宇宙加速器潛藏在宇宙的一個角落裡，我們是否能在地球上檢測到？

美國普林斯頓高等研究院的布萊恩·萊琪對此進行了研究，發現如果這種加速器存在的話，它會產生10²⁴電子伏特級別的中微子，並可以在地球上被檢測到。基於這種思路，萊琪建議搜尋外星文明的天文學家們應該去尋找這種超高能量的粒子。

超級宇宙加速器

一個十分合理的假設是，先進的外星文明與人類一樣對物理學有著極大的研究熱情。他們建造的加速器有能力達到普朗克級別，而在10¹²電子伏特到普朗克能量之間，傳統的物理學還無法預言出這裡會有什麼樣的粒子。不過在這個范圍內，引力的量子效應將會變得十分顯著，這將有助於把廣義相對論和量子力學結合起來。

很顯然，這種加速器會十分龐大，如果要用電場來加速粒子的話，那麼儀器的半徑至少得有太陽半徑的10倍；如果用磁場來加速的話，可能會略小一些。至於建造加速器的材料，普通的物質可能無法承受如此強的電磁場。不過，在一個黑洞附近的空間裡，可穩定存在如此之高的能量，使用一定的技術，在黑洞附近建造一個宇宙加速器，應該是最佳的建造方案。

而外星物理學家面對的主要問題是，能量要是達到普朗克能量級別的話，那麼產生的引力效應會極為強大，其加速器會有坍縮成黑洞的危險。當然以外星物理學家的智慧，他們應該會克服這個問題，因為從原則上來說，達到普朗克能量是完全可行的，雖然極為困難。

巨大的污染

建造出達到普朗克級別的加速器，只是完成了一半的任務。萊琪發現，加速器裡大部分對撞結果將是毫無價值的。在普朗克級別物理學中，要想得到有效的數據，這種加速器的對撞效率大約得是歐洲的大型強子對撞機的10²⁴倍。總之，這種檢測普朗克尺度（空間的最小尺度，10^-35釐米）下事件的加速器存在著極大的浪費現象，會產生大量「污染」。

大部分污染物將是具有極高能量的粒子，原則上說它們都有可能抵達地球。當然，就像地球上的加速器要安裝隔離設備一樣，外星建設者可能會給宇宙加速器安裝隔離設備來隔離有害的輻射。萊琪認為，只有中微子這樣很難被隔離卻又無害的粒子才能逃離出來，並最終抵達地球。

這些中微子所具有的能量將比人類目前在地球上檢測到的中微子的最大能量，要高出10億多倍，甚至更多。所以，這樣的粒子將會很好檢測，因為它們很容易與普通物質發生反應。比如說，這種中微子穿過地球的海洋時，它們會與水分子發生反應並產生另一種粒子。海洋可能對於物理學家來說過於渾濁，很難檢測到新的粒子誕生時釋放的光，不過它會產生聲音。因此萊琪建議，可以在水下建立一個由水聽器構成的網絡，來聆聽中微子的聲音。不過，產生這種聲音的概率十分低，他認為至少要部署10萬個水聽器才能有機會聆聽到中微子。

用月球來探測

還有另一種看似不合理但卻很簡單的方法，那就是把月球當作檢測中微子的儀器。事實上，這種「中微子-月球」實驗正在進行中。天文學家只需將地面的射電望遠鏡對准月球，來檢測是否有高能中微子撞到月球表面即可。

但即使檢測到10²⁴電子伏特級別的中微子，也不能直接就認為發現了外星文明建造的宇宙加速器，它們也可能是宇宙弦的衰變產生（宇宙弦是宇宙大爆炸後留下的一種時空結構，類似水結成冰時產生的裂縫）。當然，即使是其他原因產生的，檢測到這種高能中微子也將是物理學中的重大發現。

英國物理學家保羅·戴維斯卻對尋找宇宙加速器的希望潑了點冷水。他認為，外星物理學家一旦把實驗做完了，就沒有必要繼續運行宇宙加速器了。所以除非宇宙中有很多這樣的設備不停地建造出來並運行，否則宇宙加速器只能產生短暫的中微子脈沖，這很難被我們探測到。

還有一個疑惑，除了單純的對物理學的熱情以外，還會有什麼其他的原因使得外星文明決定花費很多精力去建造宇宙加速器呢？戴維斯推測，他們可能想制造一個新的宇宙，或其他奇異的時空結構。他認為，外星文明可能預感到了宇宙級別的危機，所以不得不這樣做。但這是什麼樣的危機，戴維斯還無法猜測。畢竟，這種外星文明可能比我們先進上百萬倍，他們所知曉的危機我們人類目前還很難猜測到。

2015年6月6日星期六

時空的漣漪：我們或將5年內檢測到引力波

據物理學家組織網站報道，引力波是根據愛因斯坦在1916年提出的理論預言存在的一種現象，它是時空的漣漪。而美國國家科學基金會(NSF)迄今資助的最為雄心勃勃的計劃便是一項名為「激光干涉引力波觀測台」(LIGO)的項目。LIGO包括兩台L型的干涉儀，各自擁有長達4公裡的長長軌道。而在軌道的盡頭懸掛有鏡片，這些鏡片的運動被以相當於一個質子直徑1/1000的精度進行測量記錄。

1997年，一套真空罐運抵華盛頓州漢福德

到1998年2月份，真空設備已經在L型設施的一端安裝。中央豎起的罐子中安裝的是分束器

厚4英寸，直徑10英寸的反光鏡，它將被安裝在長長管路的末端用於反射激光。經過嚴格拋光的鏡面上涂有35層紫色介電涂層，以便達到LIGO對於光線反射的苛刻要求

構成LIGO的兩台大型設施之一。這一台位於華盛頓州漢福德，由兩條各長4公裡的管路構成一個巨大的L型

這項史無前例的項目是由美國加州理工學院和麻省理工學院聯合實施的，初期的LIGO設施於2001年開始投入運行，而經過升級，技術更加先進的LIGO設施則於近日(5月19日)開始投入運行。

巴裡·巴裡希(Barry Barish)是一位已退休的著名物理學教授，在1994年~1997年之間曾經擔任LIGO項目的首席科學家，並在1997年~2006年間擔任LIGO項目主管一職。斯坦·維特康姆(Stan Whitcomb)在1980年~1985年之間擔任加州理工學院助理教授並在1991年返回校園擔任專業教職並在那之後多方參與到LIGO項目之中。以下便是對這兩位專家的采訪問答：

問：LIGO項目是如何開始的？

巴裡希：愛因斯坦並不認為引力波是可以被探測到的，因為引力太弱了。但在上世紀60年代，馬裡蘭大學的約瑟夫·韋伯(Joseph Weber)使用整整一公噸的鋁材制成了一根153釐米長的金屬棒。這根金屬棒的天然頻率是大約1000Hz。崩塌的超新星會產生處於這一頻率的引力波，如果這樣的引力波穿過這根金屬棒，金屬棒產生的共振效應或許可以對信號進行足夠的放大，從而讓我們能夠測量到。這是一個非常天才的想法，並且基本可以說是在實驗學上開啟了這一領域的研究。然而你所能制造的金屬棒尺寸畢竟有限，而且你能觀測到的信號也在很大程度上取決於你的探測器規模有多大。

我們後來從英國格拉斯哥大學招募來的物理學教授榮·德雷弗(Ron Drever)開始著手在這一棒狀探測器項目上繼續向前推進。然而當我們雇傭他時，他正和MIT的萊納·維斯(Rainer Weiss)各自獨立地進行著干涉儀型探測器的開發——這是此前由他人率先提出的想法。一般情況下你會牢牢固定你的鏡子這樣它們才不會亂晃，但在LIGO中使用的反射鏡必須是能夠自由晃動的，這樣引力波效應才能推動它。要想將非常巨大而笨重的設施與非常高精度的測量相結合是一件非常困難的任務。

維特康姆：盡管棒狀探測器方案似乎是當前看來靈敏度最高的方案，但要想最終達到探測器所需要的靈敏度，其實現的難度要大得多。吉普·索恩(Kip Thorne)非常明智地讓加州理工轉而進行干涉儀型探測器方案的開發並在那之後不斷予以推動。

榮在格拉斯哥大學的團隊已經建造了一台長10米的干涉儀型探測器，這已經是他們所擁有的全部空間了。而我們根據他們的設計，建造了一台長40米的探測器，但在建造的過程中盡可能的對原設計進行了改進。那段時間我們整天與氬離子激光打交道，這在當時是最好的選擇，但同時也非常危險。使用時，冷卻水會向系統引入很嚴重的震動干擾，導致我們難以達到原先設計的靈敏度目標。我們還需要設計控制系統，在當時的條件下我們必須采用模擬電路。並且我們還獲得了首批「超級鏡面」。這些實際上都屬於軍事技術，但我們成功地將其轉為科學用途。干涉設施的延展越長，它的靈敏度就越高，而整個設施的有效長度便是光線在其中累計距離。我們會讓光線在管道中往返反射數百次，從而使其干涉效應與一台長度數千公裡的干涉儀靈敏度相當。

問：與麻省理工的合作是從何時開始的？

巴裡希：維斯和德雷弗當時分別在MIT和加州理工運行著各自研發的項目，直到物理學教授，加州理工學院的教務長羅比·沃格特(Robbie Vogt)將他們兩人帶到了一起。這兩人對待世界的態度迥異，但羅比不知如何，最終成功地讓這兩人攜手開展合作。

於是羅比立即著手撰寫提交給國家科學基金會的項目提案，時間是1989年。那份分為兩卷，厚達300頁的文件中包含了一些關鍵性的設想，技術和概念——它們正是如今LIGO設施的基礎。盡管相比當時的設計，今天的LIGO設施在很多細節方面已經有所不同，很多東西已經被設計出來，但最基本的東西仍然源自當年的那份框架文件。

維特康姆：當我在1991年回歸時，LIGO已經成為一項由加州理工與麻省理工共同實施的聯合項目，但它只有一名主管，那就是羅比·沃格特。羅比當時找來很多工程師，其中很大一部分是從噴氣推進實驗室(JPL)租借來或是招募來的，這些人將進行具體的工程設計。已故的伯德·摩爾(Boude Moore)是我們聘請的真空工程師，他設計了如何利用低氫不鏽鋼材料建造LIGO設施高真空系統的方案。這是此前從未遇到過的問題。金屬中吸收的氫原子會在整個系統的生命周期內緩慢排出，但我們的這一系統靈敏度非常高，只要有一個流浪原子碰到我們的鏡子都會引發數據誤差。而伯德所從事的是一些相對大尺度上的測試工作，主要是在同步加速器建築內部，但我們也在加州理工的足球場旁邊建造了一台80米長的測試原型，就在體育館的後面。

於是所有各項測試便在不同的地點零散地開展起來了，並且在40米的干涉儀型探測器上實現了整合。當時我們使用的仍然主要是模擬電路，但我們有了一台新的真空系統。隨後我們重新設計了懸掛系統並在探測器中增加了幾項新的功能，此時我們擁有了所需的靈敏度指標，為建造4公裡管道長度的大型探測器LIGO做好了准備。最後，也是在1991年，我們得到反饋消息，國家科學基金會批准了我們建造這一超級設施的計劃。

問：華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的列文斯頓這兩處地點是如何選定的？

維特康姆：我和LIGO項目的首席工程師比爾·阿特豪斯(Bill Althouse) 共同負責地點評估委員會的工作。我們拜訪了大多數的候選地點並對它們開展評估，並向國家科學基金會提交一份推薦地點名錄。我們有著一系列的評定標准。工程方面的標准包括地面的平整性，在結冰條件下土地的膨脹隆起效應，需要額外修建多少道路以及整體施工成本等等。另外我們還要考慮場址距離人口居住區的距離遠近，以及鐵路或機場這樣潛在的干擾來源。我們在科學方面也有判定依據，比如說我們希望這兩個最終選定的地點之間能夠盡可能的遠。我們也希望LIGO的位置能夠確保它未來也可以與歐洲提出的的兩大探測器方案——GEO(位於德國漢諾威)以及Virgo(位於意大利突斯卡尼)之間能夠開展協同觀測。我們需要能夠利用三角法測定一個信號源在天空中的位置，因此我們不希望LIGO的兩個位置與這兩個歐洲項目中的任何一個處在同一條直線上。

問：為何升級後的LIGO變得更加靈敏了？

巴裡希：好的，這其中的原因比較復雜。大多數靈敏度非常高的物理學實驗項目都是由於背景干擾的存在而使其性能受到了限制，因此你需要將注意力集中在這一方面並想辦法消除或降低這種干擾。但相比之下，LIGO則面臨著三方面的局限性：我們正在嘗試在10Hz~10KHz之間的廣闊波段中搜尋引力波可能留下的蛛絲馬跡。我們的地球是一個難以置信的震動來源，因此在10Hz到大約100Hz之間的頻率上，我們必須設法將自己與這種來自地球的天然震動進行隔絕。另外在非常高的頻率上，我們的取樣速度必須足夠快，以便能夠獲取信號，這樣一來我們就受到了來自激光功率大小的限制因此它決定了我們能夠在極短時間內獲取的光子數量。而在中等頻率區，我們還要受到我們稱之為「熱干擾」的信號制約，那是因為我們使用的反射鏡自身內部的原子也存在運動。

升級後的新版LIGO設施安裝了功率強勁地多的激光系統用於應對高頻率方面的需求；我們改進了隔絕系統，包括自動補償系統來應對來自地球的本底震動信號干擾；另外我們有了更大的實驗載荷並使用了更好的反射鏡涂層，確保將熱干擾信號降到最低。所有這些改進在1989年的那份文件中都有。當時那份文件中建議我們使用當時已經成熟的技術來建造LIGO設施，那些技術都已經在40米試驗設施上進行了驗證。而現在建成的升級版LIGO設施也同樣是應用了在初始版LIGO投入運行之後我們在40米試驗設施上檢驗得到的新技術。而現在我們正在40米試驗設施上開展新一輪試驗，從而為下一次的技術升級做好准備。

問：你認為距離探測到引力波信號還有多遠？

巴裡希：我一直以來都非常希望我們能夠在2016年就能探測到引力波信號，因為那是愛因斯坦發表有關理論的100周年紀念。然而升級後的LIGO設施將需要大約3~5年的時間才能達到其設計靈敏度，但我們在此期間也會不斷收集數據，因此我們取得發現的機會將不斷增大。根據設計，升級後的系統靈敏度和檢測概率都將得到大幅提升。靈敏度意味著你能夠探測到多遠的信號，並且這種探測空間的增加是以距離的三次方進行的。

當我們從1989年起步時，一些人對此持有懷疑態度，認為這可能又是一項跟核聚變類似的項目。他們一直認為人類距離實現核聚變還有至少50年的時間。而對於LIGO，一般的看法是認為我們距離探測到引力波還有大約10年的時間，但我認為可能並不需要10年那麼久，或許5年之內我們就將迎來曙光。

2015年5月27日星期三

理論證實可降低量子計算機速度限制

重大發現，量子計算機在長距離傳輸上存在速度極限，不再是通常人們認為的利用量子糾纏可以無限制地實現長距離信息快速傳遞。

現今，量子計算開始逐步展現出未來將如何在特定復雜問題上超越普通計算機。但一項新的研究降低了未來量子計算機的理論限速。

如果有一天，我們可以像制造硅基計算機一樣輕易制造量子計算機，我們對理論極限的研究將告訴我們理想的量子計算機是什麼樣的結構。

——邁克爾·福斯·馮

量子計算機系統利用量子比特（一種二能級系統，同一位置可以同時代表1和0兩種狀態）來處理特殊計算時，其速度將遠超傳統計算機。這一系統還可以利用量子糾纏這一物理現象。在量子糾纏態下，一個單一的量子比特的狀態和其他的量子比特存在量子關聯，信息可以共享。美國標准與技術研究院（NIST）的計算顯示出新的速度極限，這將限定遠距離量子比特可以多快地響應量子糾纏。

「以前的計算結果表明遠距離下量子糾纏在系統內的傳遞時間極小，這為遠距離極速傳遞信息提供了可能，」邁克爾·福斯·馮是NIST馬裡蘭州蓋瑟斯堡分所的物理學家，他指出：「而我們的結果對給定距離系統傳遞信息和量子糾纏所需的時間提供了一個更嚴的約束。」

福斯·馮作為NIST發表在《Physical Review Letters 》四月13號刊上的論文的第一作者，帶領他的同事們基於之前的兩篇關於檢驗量子信息傳播速度極限的文章做進一步研究。第一篇文章發表於1972年，首次發現考慮臨近量子比特的近距離影響，量子信息的傳播有速度極限，即所謂的Lieb-Robinson限制。

第二個研究發表於2005年，表明傳播時間與距離成對數級關系或者關系不大。換句話說，這個結果顯示量子計算機利用量子比特的相互作用，遠距離信息傳播的速度將得到質的提升。

但近期NIST指出，量子信息遠距離傳播存在速度極限。數學計算證明，信息傳播的時間隨系統大小幾乎呈指數增長，使得遠距和近距傳播的速度極限更加接近。福斯·馮解釋道：

「我們的貢獻主要是我們注意到了2005年那篇文章中列舉的限制從本質上來說不夠嚴格。那些限制表明量子信息可以以超過理論極限的速度傳播。所以我們進一步精確了限制，並把它推向短距離量子比特相互作用。我們假定，在大多數的情況下，可以將短距離傳播的限定用於長距離傳播。而我們確實在這條路上走出了一小步。」

如今的量子計算機系統利用臨近量子比特的糾纏已幫助人們確定了短距作用的速度極限。例如，谷歌的研究人員正在對臨近量子比特的糾纏作用進行相關測試。

NIST研究小組希望在未來他們能進一步精確關於速度極限的計算。但需要留意的是，他們的計算基於的假設是長距量子糾纏作用以一確定的速度衰退。若是量子糾纏反應並不是一直衰減的，理論上，量子比特就可以將信息傳遞到很遠的地方。

福斯·馮認為所有關於速度極限的理論討論都不會澆滅人們量子計算機的熱情。現在制作實際的量子計算機真正的挑戰來自其他方面，如：提高量子比特保持在量子態的時間；減少錯誤次數。

「如果有一天，我們可以像制造硅基計算機一樣輕易制造量子計算機，我們對理論極限的研究將告訴我們理想的量子計算機是什麼樣的結構，」福斯·馮說，「但對我們現在研究的量子計算機系統沒有任何嚴重的約束。」

為什麼宇宙幾乎是平坦的?

由於空間的三維性，這個問題的答案可能性極多，但只有一個與我們的所見相符。

「不要忘記過去。是它造就了你的今天，並在影響你的未來。」

——Ziad K. Abdelnour

宇宙的形狀受限於它誕生時的條件。它的每一部分，每一次變遷，每一次互動，最終造就了我們今天所見的宇宙。但是確切地說，宇宙的形狀究竟是什麼樣子的呢？

讓我們把一個維度拿掉，先來想像一下如果宇宙存在於二維表面上，會是什麼樣子。當我們提到二維表面時，通常會聯想到平面，比如一張紙。我們可以把它卷成一個圓柱體，把它的兩端連接起來——我們可以從一側離開，並進入另一側。但是即便如此，它仍然是一個平坦的表面。

為什麼？我們可以在上面畫一個三角形，並把所有內角的度數相加，如果剛好是180度，那麼它就是一個平坦的表面。我們也可以在上面畫兩條平行的直線，如果它是平坦的，那麼這兩條線無論多長都不會相交。

但「平坦」並不是表面曲率的唯一可能。

球體表面也是二維的，但它卻並不是平坦的。假如朝向一個方向，球體表面的任何一點都會向兩個方向彎曲，如果方向與之前垂直，那它也會朝兩個方向彎曲。如果把它表面的三角形內角度數相加，得到的結果是大於180度的。如果在它表面畫一對平行線（或者說，一對起初是平行的線），那麼它們最終會相遇，並在兩個點上相交。就像地球上的經線一樣。（緯線並不是真正的直線，只有赤道除外。）這類表面名為「正曲率」表面。

「馬鞍形」則是另一種不平坦的二維表面。它在一個方向上向下彎曲（騎馬時腿的位置），而在垂直的方向上向上彎曲（沿著馬的脊背方向），這樣的表面名為「負曲率」表面。如果在它表面畫一個三角形，它的內角相加將小於180度。如果在它表面畫平行線，那麼它們在兩個方向上都會分岔，並且彼此間會越來越遠。

我們也可以用一張環形的紙來作形象的演示。假如我們剪掉這張環形紙的一段，並把兩端重新粘起來，就會得到一個正曲率表面。假如我們從另一張環形紙上剪下一段，並把它插入這個圓環中，產生的就是一個負曲率表面。就像上圖那樣。

但這只是兩個維度，用我們的三維視角來演示比較容易。宇宙有三個維度，它要復雜得多。

宇宙的曲率也存在三種主要可能性：

· 正曲率，如擁有更高維度的球體，

· 負曲率，如擁有更高維度的馬鞍，

· 零曲率（平坦的），如三維的網格。

我們可能會以為，宇宙大爆炸會產生一個「球體」。因為非常明顯，宇宙的所有方向看起來都是相同的，但這是一個題外話。宇宙各方相同有其非常特別的原因，卻和宇宙的曲率無關。

宇宙的所有地方（同質性）和所有方向（同向性）看起來都相同，是宇宙大爆炸理論的重要依據。大爆炸理論認為整個宇宙，我們所見的一切，都起源於一個熾熱、致密而統一的狀態，在那裡，各處的定律和初始條件都是相同的。

隨著時間的推移，宇宙中出現了微小的不完美，開始失去統一性，由此產生了宇宙的結構：恆星、星系、星系團，以及同時形成的巨大宇宙空洞。宇宙各個方向和區域看起來相同的原因是因為宇宙有一個統一的起源，而不是指它的曲率。

不過有一種方法可以測量宇宙的曲率。

如果我們觀察宇宙微波背景圖中的微小起伏就可以發現，這些起伏在非常特別的角尺度上，有它們的「峰值」點，也就是它們溫度最高的熱點，或溫度最低的冷點。如果我們宇宙的曲率是負的（馬鞍形），那麼這些尺度就會偏小。如果宇宙的曲率是正的（球形），那麼這些尺度就會偏大。

作此推論的原理，與之前提到的直線在三種表面的彎曲是相同的。它在二維上適用，在三維上同樣也適用。

所以，我們只需觀察宇宙微波背景中的起伏，便可直接測量可觀測宇宙的曲率。

觀測結果表明，宇宙的曲率，如上圖藍圈內所示，最高大約是0.5%，這是一個相當可信的結果。這意味著，宇宙幾乎是平坦的。

是的，宇宙在各個方向上的膨脹是均勻的，但它的平坦程度卻與此無關。當然，如果在極大的尺度上，在遠遠大於我們所能觀察到的尺度上，宇宙仍然可能有較大的曲率。因為導致宇宙大爆炸的暴脹，會拉伸宇宙的所有區域，與其最初體積相比，這種呈指數級的暴脹會使宇宙大得難以想像。

因此，宇宙的曲率既可能是正的，也可能是負的，既可能是球形的，也可能是馬鞍形的，或在某種意義上它是多種曲率「相連」的，我們可以從一種曲率進入另一種。我們無法確知，但我們可以根據觀測結果作一些推論。根據我們所見，宇宙幾乎是平坦的。正如你在上圖右下角看到的那樣，這個結論是指我們所在的這個「空間」是平坦的，而整個宇宙可能並不是。我們只能根據有限的信息得出結論。

2015年4月30日星期四

破布縫綴的平行世界

席卷歐美娛樂頭條的霍金，到底說了個啥？

Sheldon 發表於 2015-04-28 16:45

霍金又賣萌了。上周六，在回答「您對Zayn離開1D組合致使無數少女心碎有什麼看法」的時候，他的回答是：「我建議這些女孩多學物理，因為某天你可能會發現平行世界的存在，在那裡Zayn沒有退團，甚至你還有可能嫁給了他。」但是，你確信你懂得他在說什麼嗎？「平行世界」並不是什麼夢想成真的天堂，這裡面的講究可多了去了。

引言多重宇宙大家族

從中文講，「上下四方曰宇，往古來今曰宙」，宇宙二字本身已包羅萬象。從英文講，「universe」源於拉丁語詞匯「universum」，可理解為「變成一」。若要問除了一切之外還有另一個一切嗎，誰聽了都會搖頭。

但是，當我們說到「宇宙」時，並不能無止境地向過去追溯，而是止於138億年前的一場大爆炸。在此之前——如果有「之前」的話——我們不知道發生了什麼。如果彼時還有空間和物質存在，可否稱之為時間中的另一個宇宙呢？

或者，因為宇宙年齡有限，我們只能觀測460億光年裡的范圍；假如真正的宇宙比這個范圍大得多——我們之後會看到這樣假設的原因——在宇宙視界之外那些與我們沒有因果關系，各自獨立發展的區域，可否稱之為空間中的另一個宇宙呢？

又或者，我們觀測宇宙時看到了許多基本定律和常數，但我們並不知道為何要有這些規律。如果在我們所知的宇宙之外，還有另外的規律和常數，可否稱之為常數裡的另一個宇宙呢？如果我們能夠在計算機中模擬所知的一切，可否稱之為低一層的另一個宇宙呢？如果我們身處虛擬現實之中，那麼模擬者所在的現實可否稱之為高一層的另一個宇宙呢？

誠然，這樣的觀點恐怕很長一段時間內都不能證明，也不能證偽，因此也許不能稱之為真正的「科學」；但正如古代哲人對世界本源的探索一樣，這些思考也許會生根發芽，帶來真正有價值的東西。所以，此處我們不如卸下包袱，輕裝前進，單純地享受思考的樂趣。

五花八門的多重宇宙

為了彌補「universe」一詞的不足，人們常常用多重宇宙（multiverse）來概括所有關於「另一個宇宙」的想法。科學家所關心的多重宇宙理論幾乎都植根於20世紀物理學的革命性突破——量子理論之中。

在這個框架中誕生的第一個多重宇宙理論是休•埃弗雷特三世提出的量子力學多世界解釋。在量子力學中，人們可以用波函數和波動方程完全確定一個粒子的狀態，但這個狀態可能包含了許多種看似矛盾的可能性。比如，一個電子既在這裡，又在那裡。一個狀態確定的中微子，既是電子型中微子、又是μ子型、τ子型中微子。更不可思議的是，當人們用特定的方法測量粒子狀態時，只能隨機地得到其中一個結果。其它結果到哪兒去了呢？

量子力學多世界解釋的創始人Hugh Everett III。圖片來源：wiki

埃弗雷特三世認為，所有的結果其實都出現了。每一次測量都會導致多重宇宙「分裂」成多個子宇宙，其中每個子宇宙只實現其中一種可能的結果，每個子宇宙中的人只能看到他所在的子宇宙中的結果。這就是量子的多重宇宙。

如果將量子理論與宇宙學的觀測結果結合起來，無需提出新理論，就會自動得出宇宙之外別有洞天的結論。《宇宙的琴弦》作者，物理學家B•格林在2011年新作《隱藏的現實》一書中將它命名為「百衲被多重宇宙」。因為每一個宇宙都存在各自的視界，它們各自為政，就像一塊塊碎布縫成的被單。主流觀點認為，宇宙的空間如此平坦，是因為它誕生後不久就經歷過一輪短暫的加速膨脹，叫做暴脹（inflation）。暴脹不只產生了許許多多我們這樣的宇宙，還可能不斷產生數不盡的百衲被多重宇宙。這就是暴脹的多重宇宙。

為了將20世紀另一項革命廣義相對論納入量子框架，理論家對超弦理論寄予了厚望。使命尚未完成，超弦理論和它的高級形式M-理論卻帶來了3種新的多重宇宙理論。超弦（及M-理論）要求時空維度為10維（或11維），但我們所生活的宇宙卻是3維空間加1維時間。為了調和這一矛盾，理論家發現超弦（及M-理論）的數學結構剛好允許我們將宇宙描述為漂浮在高維時空中的一張3維膜。在3維膜之外，或許還存在別的膜，上面是另一番天地。如果兩張完全平行的膜如果相撞，就會引發一場大爆炸，將舊的秩序全部推翻，產生新的宇宙。兩張膜一開一合，膜上的宇宙前赴後繼——也許我們的宇宙只是序列中的一員。而如果額外維度蜷縮了起來，它的可能形式有至少10⁵⁰⁰種之多，每一種形式可以都相應地形成一種宇宙，它們可能有不同的宏觀維度，甚至有不同的物理定律和基本常數。這是迄今為止最為廣闊的多重宇宙圖景，叫做弦景觀（String Landscape）多重宇宙。

《三體》中設想了太陽系的3維空間被某種外部力量轉化為2維平面的場景。事實上，量子理論有一種觀點認為，我們的宇宙本來就是2維的，只不過表面上看是3維的而已。當我們看3D電影的時候，盡管獲得了立體的視覺體驗，但每一幀電影實際的信息量不會超過2維屏幕的呈現能力。3D電影的本質是2維的。同理，雖然我們相信3維空間真實存在，但當我們將廣義相對論和量子理論結合，試圖探索空間信息存儲能力的極限時，就會發現空間或許只是一張2維全息屏的投影。它就像3D電影一樣，所容納的信息不會超過一張2維屏幕的呈現能力，這就是全息原理（holographic principle）。

既然宇宙所容納的信息受到限制，那如果我們將這些信息用另一種方式表達出來，是不是就等於制造了一款宇宙呢？畢竟，鉛筆寫成的字和計算機中的字沒有語義上的區別。麻省理工學院的S. 勞埃德在《計算的終極物理極限》一文中估計，一個體積為1升，重量為1千克的「終極筆記本電腦」，計算能力大約是每秒10⁵¹次，所容納的信息為10³¹比特。這個消息對模擬宇宙來說可能是喜憂參半。一方面，一旦我們擁有如此強大的計算能力，就可以嘗試模擬一個栩栩如生的小型宇宙，獲得模擬多重宇宙。另一方面，與一公斤物質相比，全方位模擬整個宇宙所需的計算能力和存儲量是個更加宏大的天文數字。如果我們真的活在一個計算機中，那個程序員要麼下了血本，要麼在我們不知道的地方投機取巧了。

可以發現，多重宇宙不是一個理論，而是一類理論。當我們用量子理論作為框架去研究物理學基本規律的各個方面時，總會在不經意間得到各式各樣的多重宇宙。

但獲得多重宇宙只是第一步，如果我們的目的是想在其他的宇宙裡尋找完美版的自己，那得首先有別的自己——或者說，找到和我們世界相差無幾的「平行」宇宙。平行世界在科幻和美漫圈子裡早已經是流行概念，但那主要是因為敘事方便——而在現實中，物理學似乎真的能給出平行的可能性。

動畫片《飛出個未來》第4季15集中，主人公就遇到了自己的副本。圖片來源：動畫截圖

一百衲被的平行宇宙

不同的架構，同樣的材料

從微觀層面看，我們的宇宙充滿了副本。除了我們不怎麼了解的暗物質和暗能量之外，已知的物質都是由品種有限的基本粒子所組成。比如，水是由氫原子和氧原子組成，而原子都是由核外電子和核內的質子、中子所組成。質子和中子又是由更基本的誇克和膠子所組成的束縛態。不同種類的基本粒子存在質量、電荷、自旋等方面的差異，但同種基本粒子之間卻存在一種絕對的平等。我們經驗中多姿多彩的世界其實都是由有限的幾種基本粒子積木搭起來的，副本並不是變化的對立面，而是它的基礎。

比方說，人體內的物質在生化反應中不斷丟失和獲得電子，從內稟性質看，這些電子和電線中的電子、雷電中的電子、天體中的電子完全一樣。如果從你身上取出一個電子，再從火星的岩石中取出一個電子，放在相同的環境中進行比較，任何測量手段都無法分辨兩個電子的差別。事實上，物理學家約翰•惠勒曾經提出過一個相當瘋狂的猜想：也許所有的電子根本就是同一個電子在時空中不斷穿梭，形成一個巨大的纏結！（可惜這個猜想和我們的觀測不太符合。）

不過，即使基本成分相同，成分之間排列方式的變化也會造就驚人的差異。水和冰的分子都是H2O，生命卻無法容忍將體內的水分全部換成冰。石墨和鑽石的原子都是碳，但硬度和價格卻有天壤之別。在上千度的高溫下，磁鐵的成分沒有變化，磁性卻消失了。因此，我們把世間萬物都還原成基本粒子的時候，也要注意每個粒子所處的狀態。只有組成兩個物體的基本粒子完全相同，每個粒子所處的狀態也相同，才可以認為它們是一模一樣的副本。宇宙也不例外。

石墨和金剛石由碳原子通過不同的排列方式組成。圖片來源：作者供圖

但每個粒子的狀態和組合難道不是無窮無盡的嗎？物理學認為，並不是。

不同的狀態，有限的變數

我們所見到的宇宙，可以看作是從138億年前開始，到現在的半徑460億光年的空間中所有事件的結合。這些事件總共有多少呢？雖然沒數過，但我們可以斷定它一定是個有限的數目。這是因為時間和空間的范圍是有限的，而我們對時間和空間的分辨能力也是有限的，有限除以有限得到的結果仍然有限。

人眼睛的有限分辨能力可以作為類比。光既可以看成一種粒子，也可以看成一種量子的波動。當一個點光源發出的光穿過瞳孔落在視網膜時，並非匯聚在一個沒有大小的點上，而是像波一樣發生衍射，主要能量分布在一個圓形的范圍內，叫做艾裡斑。如果兩個點光源離得太近，以至於產生的兩個艾裡斑重疊在一起，我們就會把它認作同一個光源。

艾裡斑的圖示。當兩個斑臨近時，人眼就無法區分，所以人能判斷的狀態是有限的。圖片來源：作者提供

宇宙中的基本粒子像光一樣，都具有波粒二象性。主流觀點認為，這不僅意味著我們無法無限地分辨它們在時間和空間上的細微差別，更意味著它們並不存在這樣無限細微的差別。這就是海森堡不確定性原理的一種體現：如果你想更精確地測量時間，能量就會變得不確定；如果你想更精確地測量動量，位置就會變得不確定。物理學家認為，宇宙中最短的時間間隔是普朗克時間，約為10^-43秒；最短的空間間隔是普朗克長度，約為10^-35米。所以，如果我們給定了所見宇宙的時間和空間范圍，其中的事件數目一定是有限的，因此，宇宙中粒子的排列組合方式也是有限的。

有限的組合，無限的……宇宙？

有一個無限猴子定理說，如果讓一只猴子在打字機上隨機按鍵，總有一天會按出莎士比亞全集的內容。為了得到宇宙的副本，我們無須雇一只懂物理的猴子來組合基本粒子，只需要知道宇宙的空間曲率。

愛因斯坦的廣義相對論將萬有引力描述成時空彎曲的結果。這套理論優美的數學形式和驚人的預言能力讓每一個行家裡手都為之折服。廣義相對論開辟了現代宇宙學的研究，將從古至今許多哲學問題納入了科學的麾下。其中一個問題就是，宇宙到底有多大？

這裡說的宇宙大小，並不只是半徑460億光年的可見范圍，而是包括之外可能存在的空間區域。如果宇宙空間擁有正的曲率，就像2維的球面一樣，雖然沒有邊界，但是范圍有限，那我們在可見范圍之外找到宇宙副本的可能性就不會太高。如果宇宙空間擁有負的曲率，像2維的馬鞍面一樣朝四面八方無限延伸，前景就廣闊許多。20世紀末到本世紀初，科學家用地面、空中和太空的各個望遠鏡測量了宇宙的微波背景輻射，從中得到的信息卻是第三種情況：宇宙空間的曲率等於0。這就意味著宇宙的空間可能就像一張2維平面，無邊無際。

各向同性均勻的空間的曲率有3種取值，一種是像球面一樣的正曲率，一種是像馬鞍面一樣的負曲率，一種是像平面一樣的零曲率。圖片來源：作者提供

碎布縫綴百衲被

對於尋找宇宙副本來說，這是個好消息。設想一個非常大（或無窮大）的空間，我們人為地在其中逐個畫出互不重疊的半徑為460億光年的區域。這些區域都可以看作一個個獨立演化的宇宙，因為它們中心之間的距離非常遠，在有限的壽命中來不及相互影響。

這種情景就像一塊塊碎布被縫在一起。如果每一塊碎布的大小和年齡有限，所包含的物質和物質排列組合的方式和我們的宇宙一樣多，而物質的排列方式都是隨機的話，那麼宇宙的「無限猴子定理」就唾手可得。如果碎布的數量大於碎布中粒子的排列組合方式數目，我們就必然會找到兩塊一模一樣的碎布。如果碎布的數量趨於無窮，我們宇宙就必然存在完全相同的副本。就像經過拷貝的電腦數據，兩個區域的每個細節都一模一樣，而且這樣的區域可能有無窮多個。

碎布縫制（patchwork quilt）的原始含義，如果把每個格子想象成球形的空間，我們就得到了許多相互獨立的宇宙。圖片來源：cottonpatch.net

這樣的宇宙區域必然相隔很遠，至少要比460億光年遠得多。因此，如果其中存在一個跟我們完全相同的宇宙，要想與之發生聯系一定非常困難。據科學家估算，我們要從地球走出10^(10^122)米，才有50%的幾率見到一個與我們完全相同的區域。因此，雖然宇宙之外可能還有宇宙，甚至是與我們完全相同的宇宙，但彼此之前沒有建立聯系。這可以說是「平行」的另一個含義——它們就像一組平行線，沒有交集。

如果這樣的區域有無窮多個，結論就會更加驚人。例如一件事發生的概率趨近於0（但一定比0大），用這個概率乘以無窮多之後，就會得出這樣的事情已經在宇宙中發生了無窮多次。於是，在宇宙的其他角落可能分布著無數個你的「副本」（或者說你也是副本之一）。其中有的副本已經看懂了這篇文章，有的副本仍然懵懵懂懂。有的副本已經意識到了存在無窮多副本的可能性，有的副本仍然以為自己是獨一無二的。有的副本開始重新思考人生的意義，有的副本則付之一笑……

劍橋大學宇宙學家約翰•巴羅在《The Book of Universes》一書中，將這樣的場景戲稱為「不含原創事物的宇宙」。因為，所有正在發生的事情之前都可能在宇宙的其他角落發生過無窮多次。於是，無論什麼新事物新思想，從平行宇宙的角度來看都毫無新鮮感。就連平行宇宙理論本身也成了過時之物。

「碎布縫綴」的多重宇宙是所有多重宇宙理論中，引入的額外假設最少，最有可能成為現實的一個。除此之外，還有一些更加匪夷所思的平行宇宙理論——但那就是下一期的話題了。

霍金席卷娛樂頭條：全息投影發表講話

北京時間4月29日消息，據國外媒體報道，拋開「萬物理論」，史蒂芬·霍金教授（Stephen Hawking）眼下正面臨著另一個更加重要的問題——塞恩·馬利克（Zayn Malik ）退出了「單向組合」樂隊，這件事會產生什麼樣的宇宙效應呢？這名傳奇的物理學家近日在英國劍橋大學通過全息投影在悉尼歌劇院發表講話時，有人向他提出了這個問題。