导言 在广袤无垠的宇宙中，一切皆有可能
五百年前，人们普遍认为宇宙是很渺小的，而我们的家园——地球是宇宙中最重要的部分，同时也是宇宙的中心。太阳和五大已知行星（水星、金星、火星、木星和土星）都是环绕地球轨道运行的较小天体。地球被一个球形壳包围着，这个球形壳位于行星运行的轨道之外，且每天自转一次，而星星是附着于这个球形壳上的光点。除了昼夜更替和季节变换，这种结构似乎是永恒不变的。那种认为除地球之外还存在其他世界的观点简直就是异端邪说。16世纪末，布鲁诺（Giordano Bruno）被烧死在火刑柱上，就是因为他的思想与主流天主教学说背道而驰。他认为发光的星星都和太阳相似，宇宙中一定存在着其他类似地球的星体，生命也不仅仅是地球的专利——尽管这些信仰并不是给他定罪的主要原因。
即使是在古代，也曾有哲学家猜测地球是绕着太阳旋转的，但是16世纪以前，这种观点从未得到广泛认可。1543年，随着哥白尼（Nicolaus Copernicus）的著作——《天体运行论》（De Revolutionibus Orbium Coelestium）的发表，人们的观点发生了变化。正是哥白尼锲而不舍的深入研究，使我们形成了现代宇宙观。他的想法的令人震惊之处，不仅在于他提出了日心说（地球绕着太阳转）的假设，更在于这一假设的隐含意义：地球只不过是绕太阳公转的众多行星中的一颗；在太空中，其他行星可能与我们的家园——地球一样重要。
哥白尼另外一个令人震惊的观点是，他认为太阳并不是天空中最重要的天体，它只不过是一颗普通的恒星。1576年，托马斯·迪格斯（Thomas Digges）在英国用望远镜观测银河系时，观测到了大量的恒星。他在一本名为《永恒的预言》（Prognostication Everlasting）的书中写道，宇宙是无限的，恒星遍布其中。16世纪80年代，旅居英国的布鲁诺接受了这些观点。同样，伽利略（Galileo Galilei）和开普勒（Johannes Kepler）的研究也是以哥白尼的观点为基础的。17世纪，天文学家开始估算恒星间的距离，他们猜想，每一颗恒星都像太阳一样明亮，但是，因为这些恒星距离我们非常遥远，所以看起来光线才会非常微弱。1728年，艾萨克·牛顿（Issac Newton）估算出天狼星与地球之间的距离约为太阳与地球之间距离的一百万倍。这个推算与现代技术测量的距离相差无几。当时，随着人们对行星运行轨道的科学理解，天文学家开始利用几何技术计算太阳和行星间的距离，他们已经知道太阳距地球约1.5亿公里（用现代技术测量是149 597 870公里），而土星——古人认为离太阳最遥远的行星，与太阳的距离约为地球距太阳的十倍。短短两百年间，本来是完全以地球为中心的宇宙，在天文学家的眼中已经缩水，成了广袤无垠的宇宙中的小小一隅。
这些观点的消化吸收又经历了两百年，与此同时，望远镜、天文摄影和光谱学技术得到了长足发展，由此引发了天文学的下一个重大飞跃。两百年间，在土星的运行轨道之外，天文学家又发现了太阳系中的其他行星（天王星和海王星）。同时，恒星间距离的精确测量技术也在不断发展进步，天文学家可以利用光谱测量恒星的物质构成。与这两项技术相比，太阳系中更多行星的发现就显得无足轻重了。20世纪20年代之前，这些技术使我们了解了地球在宇宙中的时空方位。
托马斯·迪格斯从小型望远镜中看到，我们称之为银河系的光带是由无数恒星组成的。几十年后，伽利略在对迪格斯的研究一无所知的情况下，独自得出了相同的结论。迪格斯认为望远镜中观测到的星群是向四面八方分布并无限延展的。早在1750年，英国达勒姆郡（Durham位于英国东北部）的天文学家托马斯·怀特（Thomas Wright）在他的著作《宇宙新猜想》（An Original Theory or New Hypothesis of the Universe）中指出，银河系所形成的横跨天空的光带是一个尺寸有限的圆盘形系统，其形状就如同磨坊里的磨盘。该理论的关键之处在于：太阳并不是由恒星所构成的盘面的中心；而且从望远镜中观测到的模糊光块，现在我们称之为星云，位于银河系之外。
怀特的理论推理遥遥领先于他的时代，但由于18和19世纪技术水平的限制，他的理论无法通过天文观测加以验证，因此他的作品后来几乎无人问津。直到20世纪，人们通过观测发现，银河系的结构竟然与怀特所提出的假设不谋而合，除此之外，人们对于自己所生活的宇宙的本质也有了更为深入的了解。
20世纪20年代以后，通过天文观测，我们已经知道银河系的确是一个近似圆盘形的系统，它包含数千亿颗恒星，每颗都与我们的太阳类似，引力把它们聚集到了一起，它们围绕着共同的中心（银河系的中心）在各自的轨道上运行。这一圆盘的直径大约为10万光年（用天文学家常用的单位表示，约为30千秒差距），因此，如果光以每秒近乎30万公里的速度行驶，要横穿这个圆盘需要10万年（1光年大约是95000亿公里）。太阳位于这个圆盘的平面上，距银河系的中心大约3.3万光年，太阳附近的圆盘平面，厚度约为1000光年（约300秒差距）。这些令人印象深刻的统计数据，远远超越了前哥白尼学说的宇宙观。但是，如果再看看接下来的发现，我们对于银河系的惊叹就变得苍白无力了：整个银河系只不过是浩瀚太空中的一个小岛，作为众多星系中的普通一员，它是很难引起人们关注的；同样，太阳也只不过是众多恒星中甚为普通的一员而已。
怀特关于银河系本质的观点是正确的，与之类似，他对星云的猜想，即星云——至少部分星云——位于银河系之外，也被证明是正确的。虽然有些星云只不过是银河系中发光的气体和尘埃，至今也被叫做星云，但我们现在称那些“外部”星云为“星系”。星系有不同的形状和大小，而银河系是已知的类圆盘星系中的近乎中等大小的成员。我们的地球围绕一颗普通的恒星运转，这颗恒星只不过是一个普通星系中上千亿颗恒星中的一颗，而我们所在的星系也只不过是上千亿星系中的普通一员而已。我们在宇宙中的位置毫无特殊之处。这就是我们对地球在宇宙中的地理位置的最基本的认识。
据估计，虽然我们只对几千个星系进行了系统研究，但原则上说，当今的望远镜可以观测到上千亿个星系。它们以星系团的形式分布在整个可见宇宙，最遥远而且可拍摄到的星系的光芒要穿越超过100亿光年的路程才能到达我们的望远镜。这和我们所说的这些星系距地球100多亿光年可并非一回事，因为根据20世纪20年代的另一重大发现，星系团正朝着相反的方向移动，彼此间相距越来越远。宇宙正在膨胀，所以，经过100亿年，这些光到达我们这里时的距离已经与这些光刚刚从它们的星系出发时距我们的距离不一样了。
宇宙膨胀（理论）是了解我们在宇宙史中地位的关键。人们无意中发现宇宙在不断地膨胀，但实际上阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论已经推算出这一现象，然而，他忽视了这一推算结果。20世纪20年代晚期和20世纪30年代早期，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）对测量星系间的距离产生了兴趣，他与同事米尔顿·赫马森（Milton Humason）一起，发现星系间的距离与其光谱特征的红移成正比。这种红移顾名思义是指——光谱特征向光谱的红（长波）端的移动（这种移动是相对于实验室中测量的位置的移动）。哈勃并不关心发生红移的原因，也没有试图解释它——他只对如何利用红移来测量距离感兴趣。但不久后，其他天文学家意识到，产生这种效果的原因在于，随着时间的推移星系间的空间（严格地说，是星系团间的距离）在延伸（即星系间的距离在变大）。
宇宙学红移为何能如此之快地得到这种解释？原因在于，爱因斯坦20世纪20年代提出的广义相对论能够自然地推算出这种空间延伸效应。那时，大多数人仍然认为银河系就是整个宇宙，银河系肯定不会膨胀。因此，爱因斯坦曾在自己的方程中额外加入了由希腊字母兰布达（Λ）表示的参数，常被称为“宇宙学常数”。如果去掉这个常数，广义相对论方程就会很自然地推算出宇宙〔1〕在不断膨胀，而且这种膨胀方式与星系观测所观测到的膨胀方式是完全相同的。这种膨胀的确是由空间本身的延伸导致的，领会到这一点至关重要。尽管通过多普勒效应，星系的空间移动有可能产生红移（和蓝移），但是星系的空间移动并不能产生宇宙学红移。红光比蓝光的波长更长，而且由于我们的地球与遥远星系之间的空间在延伸，光波在到达地球的旅程中被拉长了，因此产生了宇宙学红移。
这种膨胀的一个重要特点是，它没有中心，与炮弹碎片从爆炸点向外扩散的方式不同。尽管天文学家知道星系的空间移动并不能产生宇宙学红移，但是为了便于同多普勒效应类比，天文学家引入了一个等效速度——“退行速度”，使得由星系的空间移动产生的红移同宇宙学红移具有相同的效果。在这里，速度与星系距我们的距离成正比——而且速度与任何星系间的距离都成正比。我们并非处于宇宙的中心，而且宇宙也没有中心。
一个简单的比喻就能使这一点清晰明了。想象一个球体，如篮球，上面点缀着许多随机点的油漆点。如果球体尺寸增加一倍，每一个油漆点好像都会朝着远离相邻的油漆点的方向移动。无论你选择从哪个点来衡量，其他点都似乎正在后退。这又是一个可以证明地球在宇宙中并非占据特殊位置的例子。地球并非处于一个特殊位置，它似乎是位于一个非常普通的地方，如此普通以至于俄罗斯宇宙学家亚历克斯·威廉金（Alex Vilenkin）造了一个新词“地球般的平庸”来描述我们的位置。
星系在空间中彼此互相远离的运动，似乎始于一次大爆炸的中心位置，虽然这种运动并不能形成宇宙学红移，但是，如果我们采取逆向思维来看待宇宙的膨胀过程，我们就会看到，宇宙学红移的发现，从表面上看，确实意味着很久以前我们周围可以看到的一切都被压缩到一个体积极小的空间中。那些描述当今宇宙膨胀的类似的等式也证实了这一点。现代科学对宇宙膨胀的测量和数学模型都表明，整个可见宇宙起源于137亿年前的一个炙热的能量火球，其体积比原子还小。
这个数字的精确度一直受到人们的关注。早在20年前，宇宙学家就争论“宇宙的年龄”到底是接近100亿年，还是接近200亿年，这场争论有时是非常激烈的，而把宇宙的年龄确定为接近200亿年，会给那些没有参与这场争论的人留下深刻印象。现在，这一数值已经非常明确，几乎没有改变的余地了，宇宙的年龄肯定是介于136亿年和138亿年之间。宇宙是从一个极小的起点大爆炸形成的，称为宇宙大爆炸。这个术语出自英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle），他杜撰这个词的初衷是为了嘲弄这种他认为非常荒谬的想法，然而，现在这个词已经得到广泛使用——即使宇宙并非起源于大爆炸，甚至没有任何东西发生爆炸。
宇宙的年龄是有限的，有证据表明随着时间的推移宇宙也在发生变化（“演化”）。以上两点使我们置身于宇宙史中。从某种意义上说，原来我们确实处于宇宙历史的某个特殊的时刻，尽管这种观点与地球平庸的观点（有时称之为“原则”）并不矛盾。正如我将会在本书中解释的那样，恒星和星系的演化以及构成我们身体的化学元素在恒星上的形成都是需要时间的。太阳和地球的年龄约为45亿年，因此它们诞生于宇宙大爆炸后的大约90亿年。这一时间点正是类似地球这样的富含构成生命的化学成分的行星得以形成的时间点。从这个意义上说，地球形成于一个特殊的时间点，但没有理由认为当时只形成了地球一颗行星。
这使我们回想起布鲁诺。布鲁诺猜想宇宙中充满了无数的恒星和行星，每一颗恒星都与太阳类似，很多行星上都有生命。他写道：
在太空中有无数的星座，有些是类似太阳的恒星，有些是行星；我们只能看到恒星，因为它们发光；行星是不可见的，因为它们都很小而且是黑暗的。宇宙中还有无数的“地球”在围绕它们的“太阳”旋转，这些“地球”并不比我们的地球差，和我们的地球同样重要。
这是一个早期有关“多世界”假设的例子，“世界”这个词有多种含义，此处世界是“行星”的同义词。17世纪初，如果你拥有一架足够强大的望远镜，原则上说，你肯定能从地球上看到其他的世界，甚至是所有的世界；如果你有耐心，经过一段很长的旅程，你甚至能够拜访这些世界。恒星都集中在像银河系这样的星系中，这个事实并不影响布鲁诺论点的要旨；但他却不知道宇宙诞生于过去的某个确定的时间，他也不知道光速是有限的。这些事实确实改变了我们对“多世界”意义的理解，到底“多世界”能否被我们观测到？我们的看法也改变了。
17世纪下半叶，通过对木星卫星的日食观测，丹麦人奥莱·罗默（Ole Rømer）确立了光速的有限性；20世纪初期，爱因斯坦确立了光速是极限速度，什么都不能超越光速这一事实。由于宇宙诞生于137亿年前，大爆炸后光线穿越空间的距离应该是有限的。这段距离并非137亿光年，因为正如我们所看到的，自从光踏上旅程以来，空间在不断膨胀。由于这个原因，细心的天文学家更喜欢使用术语“回顾时间”而不是“距离”。但无论使用什么术语，都不影响我们所探讨的问题。从我们的角度来看，即使我们拥有完美的望远镜，我们在宇宙中所能观察到的距离，也就相当于137亿年的回顾时间。来自宇宙中更遥远地方的光线还没有足够的时间到达我们这里。但这些光线是有可能到达我们这里的！如果从现在算起的10亿年后，地球上能有些聪明的观察者，他们将能够看到距离我们相当于回顾时间147亿年的天体。空间泡泡一直都在增大，原则上说，它能够为我们所知，并且会影响我们。
这一点同样适用于宇宙中以任何星系为中心的空间泡泡。如果宇宙的确是无限的，应该存在着无数个这样的泡泡，它们有的互相重叠，有的彼此完全分离，但所有的泡泡都处于由时间和空间构成的同一个宇宙中。从布鲁诺给世界下的定义看，有可能确实存在着无限数目的世界，但永远也不会有一个观察者能够了解所有的世界。
尽管我们所看到的宇宙体积是有限的，但宇宙很有可能是无限的。当宇宙学家谈及宇宙起源于一个比原子还小的能量火球时，他们所说的宇宙指的是整个可见宇宙。原始的超密状态可能本身就已经无限大，而我们的可见宇宙可能只代表了这个无限区域中微小的一部分而已，该区域已经膨胀到一个比原来大得多的尺寸。这一点我会在本书第五章中探讨。
无限数量的世界允许无限数量的变化，事实上，就会存在无限数量的相同的复制品。从这个意义上说，在一个无限的宇宙中，一切皆有可能，即会存在无限数量的“地球”，在那里生存着与你我完全相同的人类，他们像我们一样生活在那些“地球”上；还会有无限数量的其他的“地球”，在那里，你是首相，而我是国王，等等。但是这些类似地球的星球光临“我们的”泡泡的概率微乎其微。根据美国宇宙学家马克斯·泰格马克（Max Tegmark）的计算，离我们最近的“另一个”你可能生活在一个非常遥远的泡泡里，如果用米表示这段距离，你需要在一个数字后加上1029个零——不是29个零，而是10的29次方个零。与之相比，可见宇宙中全部恒星和星系的原子的总数量仅仅约为10的80次方，即1后面有80个零。
如果这就是有关多重宇宙的所有观点，写这本书就毫无意义了。但是，关于多重宇宙，还有更多可供探讨的内容——多得多。有争议的是，存在于同一个不断膨胀的空间和时间中的其他泡泡，并不被看作是其他的宇宙，它们只不过是我们宇宙中无法到达的地方。真正的多重宇宙的观点与我们对科学的核心理解发生了碰撞，从而引出了许多难题，如物理定律为什么是这样的？为什么宇宙是一个能够孕育生命的舒适的家。尤其是第二个问题，一百多年前，引发了一场争论，在这场争论中“多重宇宙”这个术语第一次用于天文领域。但从那以后，这个词已经有了许多不同的含义。在进一步阐释多重宇宙之前，首先要弄清楚我所说的多重宇宙到底是什么意思，这一点至关重要。
根据《牛津英语词典》,1895年，美国心理学家威廉·詹姆斯（William James）〔小说家亨利·詹姆斯（Henry James）的哥哥〕最早使用了“多重宇宙”这个词。但他当时感兴趣的是神秘主义和宗教体验，而不是宇宙的物理本质。同样，虽然这个词出现在G.K．切斯特顿（G.K.Chesterton）、约翰·考珀·波伊斯（John Cowper Powys）和迈克尔·莫考克（Michael Moorcock）的著作中，却与科学一点也不沾边。在我们看来，这个词第一次非常有趣地用于科学领域源于艾尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace）提出的一个论题。1903年，华莱士出版了《人类在宇宙中的位置》（Man's Place in the Universe），这本书进一步拓展了他发表于报纸上的两篇文章中的观点。在此书中，他提出进化是自然选择的结果。但与达尔文（Charles Darwin）的观点截然不同，他还认为“不仅在太阳系，而且在整个恒星宇宙中，我们的地球是唯一有人居住的星球”。与达尔文不同，华莱士从事宗教劝导工作，在探讨“假定的世界的多元性〔1〕”时，他的判断也许会带上宗教色彩。但是，我们应该看到，在研究“我们的存在”这个谜题时，他所使用的方法是非常现代的。他写道：
多年来，我特别关注的问题是地质时代的测量、温和的气候以及在所有地质时代中都普遍存在的相同的条件。但是鉴于同时存在的起因的数量和保持这种一致性所需要的各种条件的微妙的平衡，我更加坚信，所有的证据都充分否定了存在其他可居住星球的概率和可能性。
我们的生存需要一连串的巧合，这是第一次对这些巧合所做的正式的、科学的解释。从这个意义上说，艾尔弗雷德·拉塞尔·华莱士应被视为“人择宇宙学”（我们现在的说法）之父。
华莱士的书引发了一系列争论。其中，公开反对他的结论的有H. G． 威尔斯（H. G. Wells）、威廉·拉姆齐（William Ramsay）（惰性气体氩的发现者之一）和奥利弗·洛奇（Oliver Lodge）。洛奇是一名物理学家，他为收音机的发展做出了开创性的贡献。正是洛奇使用了“多元”这个术语，但是他的多元是指行星的多元，而不是宇宙的多元。
科学界将这个词遗忘了半个多世纪。随后苏格兰业余天文学家安迪·尼莫（Andy Nimmo）重新创造了这个词。尼莫是英国星际学会苏格兰分会的副主席，1960年12月，他正准备在这个分会发表讲话，探讨美国人休·埃弗莱特（Hugh Everett）提出的一个有关量子理论的新观点。这就是对量子物理的“多世界诠释”，在这里“世界”这个词是“宇宙”的同义词（从此处开始，本书中所提到的世界也是这个意思）。但是由于词源的原因，尼莫反对使用“many universes”（许多宇宙）。因为“宇宙”这个词的本义是“所有存在的一切”，如果宇宙指的是所有存在的一切的话，你所能拥有的宇宙就不可能超过一个。1961年2月，为了在爱丁堡（Edinburgh）发表演讲，他发明了词语“multiverse”（多重宇宙）。“multiverse”的意思是“许多世界中的一个”。用他自己的话说，他想用这个词来表示“一个显而易见的宇宙，一种多样性，这种多样性可以构成一个整体……你可能会居住在一个充满了多重宇宙的宇宙中，但从词源意义上说，你却不能生活在一个包含‘很多宇宙’〔1〕的多重宇宙中”。
呜呼哀哉，都是词源惹的祸。后来，“multiverse”这个术语时常被提到和使用，但是，以后的意义却与安迪·尼莫所要表达的意义大相径庭了。1997年，这个词的现代用法得到了广泛使用。当时，戴维·多伊奇（David Deutsch）发表了《真实世界的脉络》（The Fabric of Reality）。书中，他说，“造multiverse（多重宇宙）这个词的目的，是为了把物理现实表示为一个整体”。他还说，“这个词其实并不是我发明的。休·埃弗莱特的支持者们都在非正式地普遍使用这个词，我记得我只不过是借用而已”。他在此书中用了戴维·多伊奇对“multiverse”诠释的意义。现在，这种意义也是对其他的世界〔1〕感兴趣的所有科学家所采用的意义。“multiverse”就是存在的一切；一个“universe”（宇宙）是一群特定的观察者可观察到的“multiverse”（多重宇宙）的一部分。“我们的”universe （宇宙）是我们周围所能看到的宇宙。由此可见，要研究多重宇宙，还有什么能比从研究休·埃弗莱特本人开始更好的呢？
〔1〕我用“宇宙”这个术语来指代我们原则上能够看到的所有的一切。“宇宙”一词用来指对时空区域的可能行为的数学描述（数学模型），而且它还指可能存在于超越我们的空间和时间之外的其他的世界。广义相对论所描述的膨胀的宇宙是一个模型，但它与真实宇宙的行为相符。
〔1〕华莱士自己所做的强调标记。
〔1〕此处的universes指的是universe在词源上的意义——译注
〔1〕我建议所有受到冒犯的词源学家参考一下汉普·达谱（Humpty Dumpty）在《由镜中看世界》（Through the Looking Glass）中所做的评论。“当我使用一个词的时候，”他嘲讽说，“它的意思恰恰就是我想要它表示的意思，不多也不少。”