#为何有时热水结冰比冷水更快#
如果有人问你：“冷水和热水哪个先结冰？”相信你一定会觉得这个人是不是傻了，当然是冷水先结冰了。然而，事实上有时候还真未必。特定条件下可能热水结冰比冷水还要快，这是怎么回事呢？
其实，历史上诸多学者如亚里士多德、培根和笛卡尔等都曾对类似现象有所描述但是均未能给出完美的解释。甚至现代科学家们面对这样一个“简单”的问题也仍然存在争议。
颠覆常识的姆潘巴现象
说起来，这个既简单又复杂的物理现象还有一个有趣的故事。
1963年的一天，坦桑尼亚的一个初中生姆潘巴和小伙伴们一起用牛奶制作冰激凌。当他还在煮牛奶时，身旁的小伙伴已经陆续把牛奶晾凉开始往冰箱里塞了，眼看就要没有位置了，一时心急，姆潘巴就把煮热的牛奶直接放进了冰箱。一个半小时后，他惊奇的发现，他的冰激凌已经冻结成块，而其他小伙伴的冰激凌却还是黏稠状。
这与我们对热现象的直观理解以及经验直觉完全相反。但为什么相反呢？姆潘巴带着这个疑惑从初中直到高中，先后请教了多位物理老师都没有答案，甚至有位老师讥讽地说：“看来有两种物理，一种是放置四海皆准的物理，一种是‘姆潘巴物理’。”
倔强的姆潘巴仍不停地寻找答案，直到他抓住达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯波恩博士到他们学校访问的机会，又提出了自己的疑问。博士并没有对姆潘巴的问题嗤之以鼻，而是回到实验室按照姆潘巴的陈述进行了冷热牛奶实验和冷热水实验，结果都观察到了姆潘巴提到的奇怪现象，于是，博士邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行研究，并于1969年共同撰写了关于此现象的一篇论文，引起学界广泛关注。于是人们将这个在同等体积和同等冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体（非纯水）先结冰的现象，命名为“姆潘巴现象”。
背后的几种解释
为了解释为什么有时候热水结冰比冷水快，50多年来，许多物理学研究者先后对此现象进行了大量的研究，尝试着从不同的角度去解释。
1
冰霜融化说
据了解，为了研究姆潘巴现象，很多学者进行了实验观察。液体表面凝结的冰霜会影响其向周围导热的速率。冰霜导热性比水差，热水使得冰霜融化，减少了其阻碍作用，优化传热。不过有充分的证据证明，在试验过程中全部排除冰霜的干扰或抑制冰霜的融化，姆潘巴现象依然存在。因此，这种说法并不成立。
2
水汽蒸发说
一些学者相信，由于热水温度较高导致水蒸发的速率变快是造成姆潘巴现象的首要原因，因为蒸发使得水分子减少，要冻结的水分子也相应变少，所以加速了热水结冰速度。不过，一些科学家对结冰前后水的质量进行了测量，发现质量差从未超过3%，尽管蒸发后的水减少了，但是这3%的水分子并不能够显著影响水结冰需要的时间。与此同时，水汽蒸发过程中消耗的热量也不能够忽视，可惜的是，对于热量消耗的对照试验并不容易实现，因为它需要对开放容器和密闭容器进行测量，但是在密闭环境下，水汽蒸发和热量的传导都会受到阻碍，无法测量单一变量的影响。
3
可溶解气体说
温度越高，气体在水中的溶解度就越小，因此热水里溶解的气体要少于冷水，由于水在溶解一些气体后凝固点会降低，而热水的气体含量更低，凝固点也相应变高，这可能是热水结冰较快的一个原因，同时也有实验发现脱气水比非脱气水结冰更快。
4
热梯度对流说
热梯度对流观点认为，热水比冷水结冰更快是因为对流的增加。由于水的冷却是从容器的表面以及侧面开始，使得冷水下沉，热水上升，因此产生对流。当热水放入低温环境中，靠近容器的水迅速降温，而内部水温不变，这样就产生了温度差并引起热对流。在冷却的过程中，这个热对流一直存在，温差越大对流就越激烈，水冷却就越快。
5
过冷现象说
在2013年初，英国皇家化学会特意举办了一场比赛，评选姆潘巴现象的最佳原理解释。而比赛获胜者提出的解释就是过冷现象。过冷现象指液体或气体的温度到其凝固点以下，但没有凝固的现象，而原本温度较低的水比原本温度较高的水更易发生过冷，那么它的确可能比热水结冰更慢。
目前，尽管对于姆潘巴现象并没有一个令所有人都信服的完美解释，但是科学家仍然在不断提出各种理论来解释这一现象。
并非总是如此
正如开头所申明的，热水结冰比冷水快只是“有时候”，也就是说这并不是一个必然现象。《物理通报》杂志社所属的《中学生物理》杂志曾对这一现象进行过历时1年的讨论，其中有12篇“实验报告”，偶有成功之例。这说明姆潘巴现象确实存在，但控制条件难寻，复现不易。这也就意味着，姆潘巴现象只是在特定条件下出现的物理现象，而不能一般性地得出“热水比冷水先结冰”的物理结论。
针对这一问题，9月4日，科技日报记者采访了中国科学院物理研究所李治林博士。他指出，因为水中不同的杂质离子可能带来实验上的干扰，甚至有一种说法认为，通常环境下，普通水中不可避免地有一些微生物，它们在热水中繁殖得更快，这些大小在微米量级的微生物恰好可以充当水结冰所需要的凝结核，成为其优先结冰的优势条件。而一些研究者用更加纯净的水进行实验时，常常不能重复这样的结果。此外，水本身因氢键的存在，性质复杂多变；而水降温结冰更是多因素且动态的过程。因此，李治林表示，姆潘巴效应并不普遍成立，应当以更加审慎的态度对待和研究这一现象。
研究姆潘巴现象有啥意义？
那么对姆潘巴现象的研究有意义吗？李治林认为，有意义，而且很重要。水是一种性质独特的物质，有着非常丰富的物理现象，且在工业生产和生命科学中扮演极其重要的角色，然而人类目前对水的研究还很不透彻。
“30摄氏度的水”与“从100摄氏度冷却到30摄氏度的水”一样吗？这个问题看上去毫无意义，似乎理所当然，但事实可能并非如此。实际上，许多物理量和物理现象不仅取决于物质所处的状态，而且与其历经过程密切相关，最终结果是否一样还是需要实验研究来确认。例如，由于冶金技术在工业上的价值，人类对钢铁的研究非常详细。众所周知，不同初始温度、不同降温速率处理过的钢铁，性质有很大不同，其中晶粒的特点和形成过程也有所不同。类似地，实验研究发现，不同过程和条件下产生的冰，晶体结构和物理性质也有很大不同。
尽管我们很早就知道“常压下水在0摄氏度结冰”但这个温度其实只是一个范围，冰也有各种不同的冰。
然而，对于水，很遗憾，由于微观上太复杂，我们对其更细节的性质还知之甚少。但有一点是肯定的，科学不能“想当然”，实验才是检验真理的最终标准。正是科学家们看似无聊的“较真”、严谨的质疑、严格的检验、不断的追求，才促进科学不断地接近真理。
如果有人问你：“冷水和热水哪个先结冰？”相信你一定会觉得这个人是不是傻了，当然是冷水先结冰了。然而，事实上有时候还真未必。特定条件下可能热水结冰比冷水还要快，这是怎么回事呢？
其实，历史上诸多学者如亚里士多德、培根和笛卡尔等都曾对类似现象有所描述但是均未能给出完美的解释。甚至现代科学家们面对这样一个“简单”的问题也仍然存在争议。
颠覆常识的姆潘巴现象
说起来，这个既简单又复杂的物理现象还有一个有趣的故事。
1963年的一天，坦桑尼亚的一个初中生姆潘巴和小伙伴们一起用牛奶制作冰激凌。当他还在煮牛奶时，身旁的小伙伴已经陆续把牛奶晾凉开始往冰箱里塞了，眼看就要没有位置了，一时心急，姆潘巴就把煮热的牛奶直接放进了冰箱。一个半小时后，他惊奇的发现，他的冰激凌已经冻结成块，而其他小伙伴的冰激凌却还是黏稠状。
这与我们对热现象的直观理解以及经验直觉完全相反。但为什么相反呢？姆潘巴带着这个疑惑从初中直到高中，先后请教了多位物理老师都没有答案，甚至有位老师讥讽地说：“看来有两种物理，一种是放置四海皆准的物理，一种是‘姆潘巴物理’。”
倔强的姆潘巴仍不停地寻找答案，直到他抓住达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯波恩博士到他们学校访问的机会，又提出了自己的疑问。博士并没有对姆潘巴的问题嗤之以鼻，而是回到实验室按照姆潘巴的陈述进行了冷热牛奶实验和冷热水实验，结果都观察到了姆潘巴提到的奇怪现象，于是，博士邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行研究，并于1969年共同撰写了关于此现象的一篇论文，引起学界广泛关注。于是人们将这个在同等体积和同等冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体（非纯水）先结冰的现象，命名为“姆潘巴现象”。
背后的几种解释
为了解释为什么有时候热水结冰比冷水快，50多年来，许多物理学研究者先后对此现象进行了大量的研究，尝试着从不同的角度去解释。
1
冰霜融化说
据了解，为了研究姆潘巴现象，很多学者进行了实验观察。液体表面凝结的冰霜会影响其向周围导热的速率。冰霜导热性比水差，热水使得冰霜融化，减少了其阻碍作用，优化传热。不过有充分的证据证明，在试验过程中全部排除冰霜的干扰或抑制冰霜的融化，姆潘巴现象依然存在。因此，这种说法并不成立。
2
水汽蒸发说
一些学者相信，由于热水温度较高导致水蒸发的速率变快是造成姆潘巴现象的首要原因，因为蒸发使得水分子减少，要冻结的水分子也相应变少，所以加速了热水结冰速度。不过，一些科学家对结冰前后水的质量进行了测量，发现质量差从未超过3%，尽管蒸发后的水减少了，但是这3%的水分子并不能够显著影响水结冰需要的时间。与此同时，水汽蒸发过程中消耗的热量也不能够忽视，可惜的是，对于热量消耗的对照试验并不容易实现，因为它需要对开放容器和密闭容器进行测量，但是在密闭环境下，水汽蒸发和热量的传导都会受到阻碍，无法测量单一变量的影响。
3
可溶解气体说
温度越高，气体在水中的溶解度就越小，因此热水里溶解的气体要少于冷水，由于水在溶解一些气体后凝固点会降低，而热水的气体含量更低，凝固点也相应变高，这可能是热水结冰较快的一个原因，同时也有实验发现脱气水比非脱气水结冰更快。
4
热梯度对流说
热梯度对流观点认为，热水比冷水结冰更快是因为对流的增加。由于水的冷却是从容器的表面以及侧面开始，使得冷水下沉，热水上升，因此产生对流。当热水放入低温环境中，靠近容器的水迅速降温，而内部水温不变，这样就产生了温度差并引起热对流。在冷却的过程中，这个热对流一直存在，温差越大对流就越激烈，水冷却就越快。
5
过冷现象说
在2013年初，英国皇家化学会特意举办了一场比赛，评选姆潘巴现象的最佳原理解释。而比赛获胜者提出的解释就是过冷现象。过冷现象指液体或气体的温度到其凝固点以下，但没有凝固的现象，而原本温度较低的水比原本温度较高的水更易发生过冷，那么它的确可能比热水结冰更慢。
目前，尽管对于姆潘巴现象并没有一个令所有人都信服的完美解释，但是科学家仍然在不断提出各种理论来解释这一现象。
并非总是如此
正如开头所申明的，热水结冰比冷水快只是“有时候”，也就是说这并不是一个必然现象。《物理通报》杂志社所属的《中学生物理》杂志曾对这一现象进行过历时1年的讨论，其中有12篇“实验报告”，偶有成功之例。这说明姆潘巴现象确实存在，但控制条件难寻，复现不易。这也就意味着，姆潘巴现象只是在特定条件下出现的物理现象，而不能一般性地得出“热水比冷水先结冰”的物理结论。
针对这一问题，9月4日，科技日报记者采访了中国科学院物理研究所李治林博士。他指出，因为水中不同的杂质离子可能带来实验上的干扰，甚至有一种说法认为，通常环境下，普通水中不可避免地有一些微生物，它们在热水中繁殖得更快，这些大小在微米量级的微生物恰好可以充当水结冰所需要的凝结核，成为其优先结冰的优势条件。而一些研究者用更加纯净的水进行实验时，常常不能重复这样的结果。此外，水本身因氢键的存在，性质复杂多变；而水降温结冰更是多因素且动态的过程。因此，李治林表示，姆潘巴效应并不普遍成立，应当以更加审慎的态度对待和研究这一现象。
研究姆潘巴现象有啥意义？
那么对姆潘巴现象的研究有意义吗？李治林认为，有意义，而且很重要。水是一种性质独特的物质，有着非常丰富的物理现象，且在工业生产和生命科学中扮演极其重要的角色，然而人类目前对水的研究还很不透彻。
“30摄氏度的水”与“从100摄氏度冷却到30摄氏度的水”一样吗？这个问题看上去毫无意义，似乎理所当然，但事实可能并非如此。实际上，许多物理量和物理现象不仅取决于物质所处的状态，而且与其历经过程密切相关，最终结果是否一样还是需要实验研究来确认。例如，由于冶金技术在工业上的价值，人类对钢铁的研究非常详细。众所周知，不同初始温度、不同降温速率处理过的钢铁，性质有很大不同，其中晶粒的特点和形成过程也有所不同。类似地，实验研究发现，不同过程和条件下产生的冰，晶体结构和物理性质也有很大不同。
尽管我们很早就知道“常压下水在0摄氏度结冰”但这个温度其实只是一个范围，冰也有各种不同的冰。
然而，对于水，很遗憾，由于微观上太复杂，我们对其更细节的性质还知之甚少。但有一点是肯定的，科学不能“想当然”，实验才是检验真理的最终标准。正是科学家们看似无聊的“较真”、严谨的质疑、严格的检验、不断的追求，才促进科学不断地接近真理。
#niya读书标记# 2131.《绝对不在场证明》大山诚一郎
看推理不能先入为主！因为翻拍了日剧，所以我脑子里都是滨边美波和显叔的形象。
设定还挺有意思的，钟表店的年轻店主帮助解决各种各样的看似毫无破绽的不在场证明，从而解决案件。
每个案件的篇幅都不长，可以跟着故事一起想一想究竟破绽在哪里。
大山的3/4本啦！
看推理不能先入为主！因为翻拍了日剧，所以我脑子里都是滨边美波和显叔的形象。
设定还挺有意思的，钟表店的年轻店主帮助解决各种各样的看似毫无破绽的不在场证明，从而解决案件。
每个案件的篇幅都不长，可以跟着故事一起想一想究竟破绽在哪里。
大山的3/4本啦！
#如何理解平行宇宙#
交替现实、平行次元、多重宇宙，虽然叫法不一样，但都表达了同一个意思：我们以截然不同的方式生活在其他宇宙中。近些年来，这种看似疯狂的想法已经从白日做梦逐渐转变为真正的科学，多重宇宙甚至成为了物理学领域的主流观点。荒唐臆想还是科学事实？
物理学家眼中的“平行宇宙”-领研网理论上讲，除了我们所在的宇宙外，还可能存在无数个宇宙，就像沸水中的一连串泡泡那样。每个泡泡都拥有自己的一套物理规律。虽然我们从未见过其他泡泡，但部分物理学家表示，越来越多的证据表明“多重宇宙”是合理的，甚至很可能存在。
塔夫茨大学物理学家 Alex Vilenkin 说道：“若是在15年前谈起多重宇宙，大部分物理学家会觉得荒唐可笑。但现在，他们的态度发生了巨大的转变。”尽管如此，多重宇宙的概念仍然充满争议——还是有很多科学家对此持怀疑态度，甚至有人明确反对。
但像 Vilenkin 这样的支持者认为，有充分的理由表明多重宇宙需要被认真对待。事实上，科学家几十年来一直在思考多重宇宙的各种存在形式。例如，物理学家 Hugh Everett 曾在1957年提出一种新方法，用以解释量子物理中的诡异悖论，比如粒子怎样才能同时处于两个态？
在宏观情况下，薛定谔的猫如何能够既生又死？Everett 认为，当你打开黑盒时，两种不同的现实开始分岔，猫在其中一个现实中活着，而在另一个现实中死了。物理学家将这种理论称为量子力学的多世界解释。这些多世界就是平行（多重）宇宙，它们共存于某个抽象数学空间中的不同区域，彼此之间永远隔绝。
今天，虽然只有少数人赞同 Everett 的观点，可量子物理学家仍在为此争论。而在20世纪80年代初，物理学家意识到还有可能存在另一种多重宇宙，这些多重宇宙和我们的宇宙处在同样的时空中，只是距离我们非常遥远。这个惊人的想法（即所谓的泡泡宇宙）源自宇宙学的新图像。
麻省理工的物理学家 Alan Guth 于1980年（当时 Guth 在康奈尔大学做博士后）提出，宇宙在大爆炸后进入一个短暂的迅速膨胀阶段（10-36~10-32秒），而后恢复正常，但膨胀速度慢了许多。“暴胀”由某种排斥力驱动，它能够解释为什么我们的宇宙光滑、平坦——当时的宇宙学家为此困扰不已。
对话暴胀模型先驱阿兰·古斯：无限宇宙的无限可能-领研网www.linkresearcher.com“基于谨慎的假设，我们将得到一个激进的结果。”今天，绝大多数宇宙学家接受了暴胀，还提出许多模型来解释暴胀如何发生。而越来越精确的宇宙学观测也验证了暴胀理论的预言。举例来说，过去的几十年中，WMAP、Planck 卫星对 CMB（宇宙微波背景）进行了精确的观测，结果和暴胀理论的预言符合得相当好。
宇宙学家还通过 CMB 数据获得了宇宙的物质密度，该数值与理论预言相差不到千分之五。“这些证据很有说服力，”爱丁堡大学物理学家 Andrew Liddle 说道，“大部分人都认为暴胀理论相当令人满意，几乎没有希望被推翻。”而在暴胀理论提出之初，Guth 等人很快发现方程指向一个令人惊讶的结果：暴胀是永恒的，只有在某些泡泡中才会停止。
“泡泡以外的空间一直在发生暴胀，更多泡泡将在其中形成，”Vilenkin 解释道，“暴胀空间膨胀得太快，没有什么能够到达它的边界，因此我们可以认为，这些泡泡宇宙彼此独立。”根据这一图像，我们的宇宙不过是无数泡泡中的一个。在1983年，Vilenkin 发现最普通的暴胀模型就预言了多重宇宙。刨除多重宇宙的模型很生硬，也不现实。
“基于最简单的假设，我们将得到永恒暴胀和多重宇宙，”加州大学戴维斯分校的物理学家 Andreas Albrecht 说道，“（对于暴胀模型的）谨慎会推出（多重宇宙）这一激进结果。”对多重宇宙最有力的支持与暗能量有关。天文学家在1998年发现，宇宙正在越来越快地膨胀。他们后来将这种加速膨胀归因于暗能量，而膨胀速度则取决于宇宙学常数。
但让物理学家感到困惑的是，基于对自然界基本力与粒子的理解，理论预言的宇宙学常数数值比实验测量值大了将近10122倍。为什么测量值这么小？大家并不知道确切的答案，不过多重宇宙倒是能提供一种解释。在20世纪80年代，诺贝尔物理学奖得主 Steven Weinberg 曾对宇宙学常数进行研究。
他提出，对于多重宇宙，宇宙学常数的数值在不同的泡泡中可以不一样。只有一小部分数值合适的宇宙才有希望孕育出生命。所以在我们的宇宙中，宇宙学常数这么小的原因就在于，只有这样星系才能形成、生命方可演化。数值稍大些则会导致宇宙在原子结合之前就已分崩离析。
我们何其幸运！类似的“人择原理”也能用于解释自然界的其他基本常数，比如中子质量。如果数值有一丁点儿的偏差，生命将不复存在，更不会有人测得偏差了多少。在物理学家找到更合适的理由之前，这至少算是一种解释，聊胜于无。
事实证明，Weinberg 的分析极有先见之明。天文学家测得的（1998年）宇宙学常数与 Weinberg 预测的（1987年）相差不大。从那时起，物理学家进一步完善了 Weinberg 的设想，得到的计算值与观测值更为接近：虽然并非完全吻合，但的确是至今为止符合得最好的。
同时，万有理论的最佳候选——弦论，提供了支持多重宇宙的理论框架。弦论中存在小到我们无法感知的额外维，这些维度以无数种方式卷起来，每种卷曲方式对应一个泡泡宇宙。但弦论的致命缺点在于缺乏观测证据。与暗能量相悖，弦论陷入危机？但研究人员还抱有希望。比如说，如果我们宇宙的“友邻”偶然间撞上我们，就会在 CMB 上留下蛛丝马迹。天文学家已经开始努力寻找，但还没有任何结果。
此外，在2015年末，Vilenkin 及其同事提出了另一种方法：利用黑洞来确定多重宇宙是否存在。一旦暴胀停止，泡泡宇宙将坍缩成黑洞。暴胀的时间越长，形成的黑洞质量越大，其内部甚至可以包含另一个正在暴胀的宇宙。因此，暴胀会在多重宇宙中留下一连串质量不同的黑洞。【那我们呢？在别的宇宙看来，我们自己的宇宙可能也是一个黑洞。】原则上，通过测量黑洞碰撞在时空中产生的涟漪——
比如 LIGO 在2016年发现的引力波信号——天文学家可以得到黑洞质量的统计分布，分析他们是否由暴胀产生，并以此作为检验多重宇宙的间接证据。（关于这项工作的更多介绍请戳这里）当然，这项工作只是种初步探索，对多重宇宙的支持与否无疑取决于将来的实验观测。
支持者所能期待的最好结果是存在某种间接证据：更好的模型或是暴胀理论的确证。“没有哪个科学理论被真正证明过。大家接受的只是可以解释自然界某些现象的最好的已知理论。”然而，多重宇宙的存在仍缺乏直接证据，也许根本无法被检验，这给反对者留下了把柄。最激烈的批评者是普林斯顿大学的 Paul Steinhardt。他和 Albrecht, Guth，以及斯坦福大学的 Andrei Linde 同为暴胀理论的创始人。
但当他意识到暴胀永不停止，还会孕育无数泡泡宇宙时，他认为理论存在问题：多重宇宙并非暴胀的特征，而是缺陷。在他看来，这就好比有人告诉你一个理论，它能解释天空为什么是蓝的。初看非常可信，但是仔细推敲后发现，它不仅仅产生蓝色的天空，还有紫色的天空，五彩斑斓的天空……
多重宇宙无法解释任何事情——任何事情都有可能发生。科学的特点就是能够对理论进行检验。而如果一个理论能够预言一切，那这样的理论就无法得到检验，或是证伪，因此也不是个有效的科学理论。Steinhardt 认为，多重宇宙只是平添混乱。支持者则认为这种观点太过狭隘。Guth 说道，“没有哪个科学理论被真正证明过。大家接受的只是可以解释自然界某些现象的最好的已知理论。”
可证伪性也许是个哲学问题。但想要在多重宇宙中研究物理同样存在现实问题，最核心的困难在于，物理研究依赖于计算某种现象的发生概率——比如说粒子衰变的可能性。但当你考虑的可能性有无数种时，计算概率就毫无意义，也就无从研究相应的物理图像。
Guth 表示，“概率的定义是我所知道的最让人受挫的问题之一。”试图解决概率“困境”（也就是度量问题）的成果有限。几年前，Albrecht 基于理论物理学家 Don Page 的工作提出，在考虑多重宇宙时，物理学家通常采用的概率工具将失效。
不过他表示，小心地定义概率也许能够解决度量问题。这增加了他对多重宇宙的信心（虽然仍持怀疑态度）——他认为有10%的可能性。（Guth 则认为有过半的可能性。）而 Steinhardt 认为，试图解决度量问题是对错误的想法进行特殊的修正。多重宇宙的问题过于严重，宇宙学家甚至应该将暴胀也一同放弃。“
反弹”模型是一种可能的替代理论。在这类模型中，宇宙并非始于大爆炸，而是一直存在着。只不过“大爆炸”之前，宇宙在收缩，直到触底反弹，开始膨胀。有些模型中，宇宙甚至经历了无数次“膨胀-收缩”的循环。这些理论不需要暴胀，因此也没有多重宇宙。只有一小部分物理学家正在研究反弹宇宙学。
事实上，这种理论并不像暴胀那样成功，但 Steinhardt 等人仍在继续探索并拥护它。研究符合“伪科学”定义的弦论和多重宇宙，是否伤害了科学此外，还有一些物理学家在尝试保留暴胀，但没有多重宇宙的宇宙论。这也许是可能的，但这么做需要引入新物理。
Albrecht 发现如果想要让这种理论说得通，我们需要对基本的物理定律做出某些极端的假设。这种方法相当激进。当然，暴胀导致多重宇宙的想法也很激进。Albrecht 表示，这一想法的根基还不够稳固，但这无伤大雅——物理学前沿研究本就如此。行路难！行路难！多歧路，今安在？对于多重宇宙，这恐怕是物理学家所能达成的唯一共识。
交替现实、平行次元、多重宇宙，虽然叫法不一样，但都表达了同一个意思：我们以截然不同的方式生活在其他宇宙中。近些年来，这种看似疯狂的想法已经从白日做梦逐渐转变为真正的科学，多重宇宙甚至成为了物理学领域的主流观点。荒唐臆想还是科学事实？
物理学家眼中的“平行宇宙”-领研网理论上讲，除了我们所在的宇宙外，还可能存在无数个宇宙，就像沸水中的一连串泡泡那样。每个泡泡都拥有自己的一套物理规律。虽然我们从未见过其他泡泡，但部分物理学家表示，越来越多的证据表明“多重宇宙”是合理的，甚至很可能存在。
塔夫茨大学物理学家 Alex Vilenkin 说道：“若是在15年前谈起多重宇宙，大部分物理学家会觉得荒唐可笑。但现在，他们的态度发生了巨大的转变。”尽管如此，多重宇宙的概念仍然充满争议——还是有很多科学家对此持怀疑态度，甚至有人明确反对。
但像 Vilenkin 这样的支持者认为，有充分的理由表明多重宇宙需要被认真对待。事实上，科学家几十年来一直在思考多重宇宙的各种存在形式。例如，物理学家 Hugh Everett 曾在1957年提出一种新方法，用以解释量子物理中的诡异悖论，比如粒子怎样才能同时处于两个态？
在宏观情况下，薛定谔的猫如何能够既生又死？Everett 认为，当你打开黑盒时，两种不同的现实开始分岔，猫在其中一个现实中活着，而在另一个现实中死了。物理学家将这种理论称为量子力学的多世界解释。这些多世界就是平行（多重）宇宙，它们共存于某个抽象数学空间中的不同区域，彼此之间永远隔绝。
今天，虽然只有少数人赞同 Everett 的观点，可量子物理学家仍在为此争论。而在20世纪80年代初，物理学家意识到还有可能存在另一种多重宇宙，这些多重宇宙和我们的宇宙处在同样的时空中，只是距离我们非常遥远。这个惊人的想法（即所谓的泡泡宇宙）源自宇宙学的新图像。
麻省理工的物理学家 Alan Guth 于1980年（当时 Guth 在康奈尔大学做博士后）提出，宇宙在大爆炸后进入一个短暂的迅速膨胀阶段（10-36~10-32秒），而后恢复正常，但膨胀速度慢了许多。“暴胀”由某种排斥力驱动，它能够解释为什么我们的宇宙光滑、平坦——当时的宇宙学家为此困扰不已。
对话暴胀模型先驱阿兰·古斯：无限宇宙的无限可能-领研网www.linkresearcher.com“基于谨慎的假设，我们将得到一个激进的结果。”今天，绝大多数宇宙学家接受了暴胀，还提出许多模型来解释暴胀如何发生。而越来越精确的宇宙学观测也验证了暴胀理论的预言。举例来说，过去的几十年中，WMAP、Planck 卫星对 CMB（宇宙微波背景）进行了精确的观测，结果和暴胀理论的预言符合得相当好。
宇宙学家还通过 CMB 数据获得了宇宙的物质密度，该数值与理论预言相差不到千分之五。“这些证据很有说服力，”爱丁堡大学物理学家 Andrew Liddle 说道，“大部分人都认为暴胀理论相当令人满意，几乎没有希望被推翻。”而在暴胀理论提出之初，Guth 等人很快发现方程指向一个令人惊讶的结果：暴胀是永恒的，只有在某些泡泡中才会停止。
“泡泡以外的空间一直在发生暴胀，更多泡泡将在其中形成，”Vilenkin 解释道，“暴胀空间膨胀得太快，没有什么能够到达它的边界，因此我们可以认为，这些泡泡宇宙彼此独立。”根据这一图像，我们的宇宙不过是无数泡泡中的一个。在1983年，Vilenkin 发现最普通的暴胀模型就预言了多重宇宙。刨除多重宇宙的模型很生硬，也不现实。
“基于最简单的假设，我们将得到永恒暴胀和多重宇宙，”加州大学戴维斯分校的物理学家 Andreas Albrecht 说道，“（对于暴胀模型的）谨慎会推出（多重宇宙）这一激进结果。”对多重宇宙最有力的支持与暗能量有关。天文学家在1998年发现，宇宙正在越来越快地膨胀。他们后来将这种加速膨胀归因于暗能量，而膨胀速度则取决于宇宙学常数。
但让物理学家感到困惑的是，基于对自然界基本力与粒子的理解，理论预言的宇宙学常数数值比实验测量值大了将近10122倍。为什么测量值这么小？大家并不知道确切的答案，不过多重宇宙倒是能提供一种解释。在20世纪80年代，诺贝尔物理学奖得主 Steven Weinberg 曾对宇宙学常数进行研究。
他提出，对于多重宇宙，宇宙学常数的数值在不同的泡泡中可以不一样。只有一小部分数值合适的宇宙才有希望孕育出生命。所以在我们的宇宙中，宇宙学常数这么小的原因就在于，只有这样星系才能形成、生命方可演化。数值稍大些则会导致宇宙在原子结合之前就已分崩离析。
我们何其幸运！类似的“人择原理”也能用于解释自然界的其他基本常数，比如中子质量。如果数值有一丁点儿的偏差，生命将不复存在，更不会有人测得偏差了多少。在物理学家找到更合适的理由之前，这至少算是一种解释，聊胜于无。
事实证明，Weinberg 的分析极有先见之明。天文学家测得的（1998年）宇宙学常数与 Weinberg 预测的（1987年）相差不大。从那时起，物理学家进一步完善了 Weinberg 的设想，得到的计算值与观测值更为接近：虽然并非完全吻合，但的确是至今为止符合得最好的。
同时，万有理论的最佳候选——弦论，提供了支持多重宇宙的理论框架。弦论中存在小到我们无法感知的额外维，这些维度以无数种方式卷起来，每种卷曲方式对应一个泡泡宇宙。但弦论的致命缺点在于缺乏观测证据。与暗能量相悖，弦论陷入危机？但研究人员还抱有希望。比如说，如果我们宇宙的“友邻”偶然间撞上我们，就会在 CMB 上留下蛛丝马迹。天文学家已经开始努力寻找，但还没有任何结果。
此外，在2015年末，Vilenkin 及其同事提出了另一种方法：利用黑洞来确定多重宇宙是否存在。一旦暴胀停止，泡泡宇宙将坍缩成黑洞。暴胀的时间越长，形成的黑洞质量越大，其内部甚至可以包含另一个正在暴胀的宇宙。因此，暴胀会在多重宇宙中留下一连串质量不同的黑洞。【那我们呢？在别的宇宙看来，我们自己的宇宙可能也是一个黑洞。】原则上，通过测量黑洞碰撞在时空中产生的涟漪——
比如 LIGO 在2016年发现的引力波信号——天文学家可以得到黑洞质量的统计分布，分析他们是否由暴胀产生，并以此作为检验多重宇宙的间接证据。（关于这项工作的更多介绍请戳这里）当然，这项工作只是种初步探索，对多重宇宙的支持与否无疑取决于将来的实验观测。
支持者所能期待的最好结果是存在某种间接证据：更好的模型或是暴胀理论的确证。“没有哪个科学理论被真正证明过。大家接受的只是可以解释自然界某些现象的最好的已知理论。”然而，多重宇宙的存在仍缺乏直接证据，也许根本无法被检验，这给反对者留下了把柄。最激烈的批评者是普林斯顿大学的 Paul Steinhardt。他和 Albrecht, Guth，以及斯坦福大学的 Andrei Linde 同为暴胀理论的创始人。
但当他意识到暴胀永不停止，还会孕育无数泡泡宇宙时，他认为理论存在问题：多重宇宙并非暴胀的特征，而是缺陷。在他看来，这就好比有人告诉你一个理论，它能解释天空为什么是蓝的。初看非常可信，但是仔细推敲后发现，它不仅仅产生蓝色的天空，还有紫色的天空，五彩斑斓的天空……
多重宇宙无法解释任何事情——任何事情都有可能发生。科学的特点就是能够对理论进行检验。而如果一个理论能够预言一切，那这样的理论就无法得到检验，或是证伪，因此也不是个有效的科学理论。Steinhardt 认为，多重宇宙只是平添混乱。支持者则认为这种观点太过狭隘。Guth 说道，“没有哪个科学理论被真正证明过。大家接受的只是可以解释自然界某些现象的最好的已知理论。”
可证伪性也许是个哲学问题。但想要在多重宇宙中研究物理同样存在现实问题，最核心的困难在于，物理研究依赖于计算某种现象的发生概率——比如说粒子衰变的可能性。但当你考虑的可能性有无数种时，计算概率就毫无意义，也就无从研究相应的物理图像。
Guth 表示，“概率的定义是我所知道的最让人受挫的问题之一。”试图解决概率“困境”（也就是度量问题）的成果有限。几年前，Albrecht 基于理论物理学家 Don Page 的工作提出，在考虑多重宇宙时，物理学家通常采用的概率工具将失效。
不过他表示，小心地定义概率也许能够解决度量问题。这增加了他对多重宇宙的信心（虽然仍持怀疑态度）——他认为有10%的可能性。（Guth 则认为有过半的可能性。）而 Steinhardt 认为，试图解决度量问题是对错误的想法进行特殊的修正。多重宇宙的问题过于严重，宇宙学家甚至应该将暴胀也一同放弃。“
反弹”模型是一种可能的替代理论。在这类模型中，宇宙并非始于大爆炸，而是一直存在着。只不过“大爆炸”之前，宇宙在收缩，直到触底反弹，开始膨胀。有些模型中，宇宙甚至经历了无数次“膨胀-收缩”的循环。这些理论不需要暴胀，因此也没有多重宇宙。只有一小部分物理学家正在研究反弹宇宙学。
事实上，这种理论并不像暴胀那样成功，但 Steinhardt 等人仍在继续探索并拥护它。研究符合“伪科学”定义的弦论和多重宇宙，是否伤害了科学此外，还有一些物理学家在尝试保留暴胀，但没有多重宇宙的宇宙论。这也许是可能的，但这么做需要引入新物理。
Albrecht 发现如果想要让这种理论说得通，我们需要对基本的物理定律做出某些极端的假设。这种方法相当激进。当然，暴胀导致多重宇宙的想法也很激进。Albrecht 表示，这一想法的根基还不够稳固，但这无伤大雅——物理学前沿研究本就如此。行路难！行路难！多歧路，今安在？对于多重宇宙，这恐怕是物理学家所能达成的唯一共识。
✋热门推荐