不只一个世界
今天开始准备礼拜五在科大的一个报告，题目是
不只一个世界，不只一个梦想－乱弹多宇宙
欢迎在科大的学生届时来听。
多宇宙这几年被炒得很热，当然因为弦论里面有landscape，支持了多宇宙的想法。其实，研究宇宙学的人很早就知道多宇宙的可能了。
最早考虑多宇宙的人是Steinhardt，在研究新暴涨理论中发现这个可能：当一个空间区域处于假真空时，整个区域不可能同时衰变，只有一部分开始衰变，渐渐成为一个可观测到的宇宙，另外的部分暂时还处在假真空从而暴涨，过一段时间后这部分没有衰变的被放大了，其中一部分开始衰变成为新的可观测到的宇宙。过了一段时间后，没有衰变的又被放大了，其中一部分开始衰变……这样，新的可观测到的宇宙不断产生。由于衰变的部分总是一个泡泡（不一定是规则的球状），所以每一个渐渐到达真空的宇宙又叫泡泡宇宙。
我的所谓可观测宇宙只是一种叫法，我们没有必要假设每个泡泡宇宙都会有智慧生物产生。在更为一般的所谓chaotic 暴涨中，每一个泡泡宇宙中的物理学常数都可以变化。在chaotic暴涨中，主要机制是量子涨落，而新暴涨模型产生泡泡宇宙的机制是自发衰变。
所以，只需要一个简单的标量场，就会产生多宇宙图像。在弦论的landscape中，有很多标量场，从而多宇宙的图像更加复杂。
我在报告中还会讲到量子力学中的多世界解释。现在暂时不谈，报告之后将ppt在这里公布。
在多宇宙这个科学猜测远远大于事实的领域，Max Tegmark走得最远，他甚至认为，一切数学上自洽的宇宙物理上都应该被实现了。
Tegmark还是研究所谓量子自杀的人之一。今天没有时间仔细谈这个事情，下次专门谈。
也许在Tegmark心里，宇宙学中的多宇宙和量子力学中的多世界有关系，所以量子自杀和宇宙学也有关系。研究弦论的人，Susskind似乎也这么想。
接下来我谈谈两个最近和多宇宙有关的研究。
第一个和Boltzmann大脑有关。
Carlip写了一篇
Transient Observers and Variable Constants, or Repelling the Invasion of the Boltzmann’s Brains
他指出，如果精细结构常数越来越小，Boltzmann大脑就不会充斥宇宙，原因是，当精细结构常数变小时，靠量子涨落产生Botlzmann大脑的几率越来越小，小到仅靠宇宙指数膨胀也不能补偿。如果电子质量与质子质量之比越来越小，效果也一样。我们并不需要很大的变化率。在精细结构常数情形，相对变化率达到每年就可以了。
如果考虑Botlzmann大脑是热涨落产生的，要求质子的Compton波长越来越小（严格地说，质子的Compton波长与宇宙视界半径之比越来越小）。
有趣的是，当精细结构常数变得太小，开始与弱引力猜想矛盾的时候，也许Boltzmann大脑开始主导宇宙了。
第二个工作是前面提到黄庆国的工作。他说，弱引力猜想应用到暴涨宇宙时可能限制标量场不能大于Planck质量。
如果这是很多非平坦势能的一般结论，那么很可能和Linde的chaotic暴涨产生多宇宙矛盾。举一个例子，在情形，多宇宙产生的条件是标量场要大于Planck质量除以耦合常数的
方。观测说明，耦合常数非常小，所以标量场必须比Planck质量大两个量级。这和黄的结论矛盾，他自己并没有在文章指出这一点。
当然，要求耦合常数很小是我们这个宇宙观测给出的。也许在别的宇宙中，耦合常数并不小，这就不会和黄的结果矛盾。不过另一方面，如果耦合常数太大，虽然标量场小，能量密度就太大了，量子引力效应就重要了。我觉得这个问题值得进一步研究。
问题：量子引力会禁止多宇宙的存在吗？
2007年3月20日 18:16:01
“也许multiverse最好的翻译是多元宇宙”
十分赞同！！ 有多宇宙，平行宇宙等各种说法，但还是规范一下为多元宇宙好。
李老师可以在报告中倡导倡导～～～
2007年3月20日 22:27:38
个人观点，仅供李老师参考：数学的根基远未牢靠到可以让我们讨论‘另一个’世界的程度。
另外，《通向实在之路》的第三章里有这方面的观点，特别是关于‘自然数’和‘自然的物理世界’的关系那一段。
2007年3月21日 11:20:46
xexz：
我觉得这个问题主要还是物理问题。
2007年3月21日 19:22:00
我不相信存在多宇宙,我们对数学和逻辑的认识有待于突破.我认为连续,无限可能都只是幻觉,其实我们一直没发现真正的连续,无限.
2007年3月22日 18:41:37
李老师，CDL instanton与domain wall有什么关系?能不能介绍一下CDL instanton？
2007年3月22日 18:50:39
多宇宙中的不同宇宙当然是连通的，但由视界分开，即使量子隧穿也不能将两个不同的部分联系起来（有点像量子场论中，两个类空隔开的点的算子互相对易）。但我们这里说的是对于一个观测者定义的整体可观测时空。
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李老师，这里我想跟您讨论一下：
1）有人利用“两个类空隔开的点的场算子互相对易”来说明粒子的超光速传播虽然存在，但不违背因果律，因为“两个类空隔开的点的场算子互相对易”意味着一个观察者的测量不能类空地影响另一个观察者的测量，例如M. E. Peskin and D. V. Schroeder, An Introduction to Quantum Field Theory, Addison-Wesley Publishing Company, New York , 1995, pp. 27-33.
2）但是有人不同意这种看法，认为“两个类空隔开的点的场算子互相对易”只是描述S矩阵的Lorentz协变性而已，况且场算子不一定对应可观察量，不能作为因果律判据。例如S. Weinberg, The Quantum Theory of Fields (Vol.1) (Cambridge University Press, England 1995), pp.198-199.
3）更有甚者，在Coulomb规范下，可以证明电磁场的库仑场部分，其“两个类空隔开的点的场算子并不互相对易”，例如W. Greiner, J. Reinhardt, FIELD QUANTIZATION (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1996), pp.208-209——这里的作者认为，好在虚光子不可观察，所以因果律不违背。
4)至于李老师说“多宇宙中的不同宇宙当然是连通的，但由视界分开，即使量子隧穿也不能将两个不同的部分联系起来”，我猜您的意思是，多宇宙中的不同宇宙之间不能相互通传递信息。我想，量子隧穿可以使得不同宇宙之间交换物质，但不能交换信息。粒子可以超光速，信息（信号）则不行。可不可以这样认为：黑洞里面跟外面也隔着视界，但黑洞里面的粒子仍然可以通过隧穿跑出来？
也许一千年之后，人们觉得我们今天的宇宙学那是相当地幼稚，尽管对于每个时代的人而言，永远会觉得当代就已经快要穷尽所有真理。
2007年3月22日 18:56:27
我比较相信多宇宙或者平行宇宙这些东东，就如同我相信存在外星人一样。
另外，如果各个宇宙都是四维时空的，也许会存在这种情形：有些不同宇宙之间的时空是“线性无关的”，彼此可以视对方为“无”……再这么接着瞎想下去，就开始民科起来了。
2007年3月22日 20:13:39
suyong：
以后有机会再聊这些技术的事情吧。 CDL中有一个domain wall向外扩张。
呵呵：
1）既然不能影响，何来超光速？如果有超光速，而且一点的测量涉及到以此超光速发出信号，如何保证另一点的测量不受影响？
2）场算子不一定是可观测量，但可观测量肯定是用场算子来构造的，这样可观测量之间也是对易的。
3）我怀疑在Couloumb规范下不对易的场算子不是规范不变的。规范不变的算子之间的对易关系不会依赖规范的选取。当然，我同意虚光子不可观测。
4）同意你的看法。
2007年3月22日 21:43:34
谢谢李老师的回答！
我以上谈到的前三点，感觉教材上的论述不同意，似乎比较混乱:-)
1）假设ψ是标量场算子，可以看作态矢ψ(y)|0>向态矢ψ(x)|0>的跃迁概率幅，也即标量粒子从类空点y到x的传播概率幅。可以证明，对于类空间隔(x-y)，随距离呈指数衰减，但是=[ψ(x)ψ(y),ψ(y)ψ(x)]对类空间隔为零。这就是为什么粒子可以超光速传播，但是两个观察者之间的测量行为不能超光速地相互影响。
即由于量子力学效应，粒子可以超光速传播，但是信号不能。狭义相对论产生时，量子力学还没有完成，所以才有“真空光速最大”的结论(其实只能是“光速不变”结论）。量子力学效应能够颠覆很多经典物理结论。
2）S. Weinberg在（Gravitation and Cosmology, John Wiley, New York 1972, Section 2-13）中给上述超光速过程一个物理解释：借助于正反粒子对称性解决因果悖论：一个观察者看到一个粒子从A超光速地传到B，则另一个观察者看到时序颠倒的过程，没有关系，是反粒子从B超光速地传到A。
好像有一本书，是Feynman和Dirac两个人“论道”，里面的观点是，为什么会有反粒子，就因为没有它们因果律就无法保证，似乎正反粒子对称性专门为维护因果律而生。
2007年3月22日 21:48:01
上面开始部分有些数学符号没有显示出来，不过前述第一个文献里面有讲到的。
2007年3月22日 21:50:32
晕，33楼的数学表达式，有不少整个整个的都没有显示出来
2007年3月22日 22:11:40
呵呵：
简答：
1）Green’s function在类空间隔下不为零不等于粒子可以超光速传播，因为我们从2点函数的Fourier transform看出（即动量空间的传播子），不为零来自于off-shell粒子，也就是虚粒子。
2）这个我有点不明白，尽管将时序颠倒，但不能改变类空间隔的性质，反粒子也不能类空传播。当然，Weinberg比我思考这类问题多些，也许他有他的道理。
超光速传播的粒子往往说明系统是不稳定的，我怀疑超光束粒子还没有传播多远，就引起系统局部不稳定性，从而系统会产生局部的coherent改变（例如标量场整体下滑）。
2007年3月22日 23:38:13
谢谢李老师的再次回答！
2007年3月23日 19:45:12
李老师,听报告时,听到把几率解释成测度,我觉得非常有趣,不知道到哪里可以得到更详细的了解,谢谢!
2007年3月23日 20:23:45
暴想族：
现存的文献不太好找，例如Paul C.W. Davies, J.R. Brown, The Ghost in the Atom，谁能找到这本书我也想看看。
2007年4月2日 21:22:25
现在,退相干理论的物理基础要比多世界扎实的多.应该是更加”正宗”的解释吧.
李老师也应该在讲座中提及退相干.
2007年4月3日 16:48:17
瞌睡虫：
谢谢提醒，其实我提了一下，但没有多做解释。
2007年4月4日 22:39:35
请问李老师，是否所谓多个宇宙也只是一次大爆炸演化而来，是否这以成定论，就是在此之外再无其它，比如爆炸之前，比如其他爆炸。另外想问下弦论的入门读物和数学准备有哪些，谢谢^_^
2007年4月4日 22:43:13
wt：
多宇宙还不是定论。
可以说多宇宙来自于多个爆炸。我们宇宙的爆炸“之前”可以有其它爆炸。
弦论入门之前学好理论物理的基础课以及微分几何、群论就行了。行有余力，再多学些数学也不妨。
2007年4月5日 22:19:58
谢李老师，但如果这样，怎么避免我们有一个无限的“之前”呢