在一个无限的多元宇宙中，物理将再也无法帮助我们理解未来。
物理学家们总想将所有基本物理法则搞清楚，企望毫厘不差地对我们所处的物理世界做出预言。比方说根据一条用以解释为什么希格斯粒子的质量只能是125千兆电子伏而不是其他数值的物理法则，我们便能推导出其它新粒子的质量，比如暗物质。然而，现在看来，这个想法实在是太天真了。我们的“明星理论”——弦理论就从不做任何“预言”，而只留给我们“遐想空间”。这些“遐想空间”都拥有其各自的可观测物理学常数，它们在这个无限膨胀的多元宇宙中都是物理上可实现的。
那是不是说弦论就不可被观测呢？如果说多元宇宙足够大并足够多元，以至于在某些区域暗物质是由轻子构成的，而在另一些区域则是由重子构成的，那我们该如何预测自身所处区域的性质呢？事实上，弦论之所以引发长期争议也是因为这个原因。如果一项物理理论无法对现实世界做出预测，那么它顶多只能算是一种物理现象。
但其实多元宇宙论中还有一点争议是常被忽略的。宇宙学研究是需要对现实宇宙做出预测的:基本物理法则能让我们推知过去，预言未来。所以无论我们做出何种预言，我们都需要清楚地定义出其基态。但对于宇宙而言，何为基态呢？又是什么决定了宇宙的基态呢？这就好比经典哲学中关于世界本源问题的讨论了。
为此多元宇宙论给出了它的回答：它并不是预言的敌人，而是朋友。
解决问题的关键就是做概率预测。通过计算多元宇宙中哪些是小概率事件，哪些是大概率事件，我们可以做出相应的统计学预测。这在物理研究中并不是什么新鲜事。就好比我们研究一个箱子中的气体的运动状态，尽管我们无法跟踪每一个气体分子的运动轨迹，但我们可以精确地计算出气体整体的运动状况。对多元宇宙的研究，我们要做的就是开发出一套类似的统计学研究方法。
对此我们可以有三种理解。第一，尽管多元宇宙非常大，我们很可能只能探索到其部分区域的部分状态，就好比之前所描述的一个箱子里的气体。这种情况下我们可以对宇宙做预测，因为它的初始状态转瞬即逝，已无须考虑。第二，我们或许可以穷尽多元宇宙的无限多种状态，包括其初始状态，但这样的话在了知其初始状态之前我们就无法做出任何有效预测了。最后一种，我们虽可以探索到多元宇宙的无限多种状态，但由于宇宙自诞生起就在持续的膨胀中，所以今天我们已无法了解到其初始状态了。
但总的来说，第一种理解是获得最多物理学家们认同的，因为我们已经有了十分完备的统计学理论作为研究基础。但不幸的是，基于统计学理论做出的预测与我们的实际观测数据并不相符。至于第二种就更麻烦了，因为我们现阶段的物理法则还不足以让我们了解宇宙诞生之初的情况。反倒是最后一种理解现在看来最有希望了。
不过它仍旧面临不少难题。其根本就在于多元宇宙的时空处于持续膨胀状态。这导致了众多悖论和谜题的产生，以至于我们必须革新现有的物理学才可能取得突破。
基于统计学的宇宙学研究最早可以追溯至1895年，奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼发表的一篇论文。尽管他当时的论述是错误的，但从其错误中我们可以找到现处困境的问题根源。
玻尔兹曼基于其对气体的研究得出了一个大胆的推断。如果我们要得出某气体的精确状态，那么我们就需要知道其中每一个气体分子的状态。这是不可能的。但我们可以测量并据此预测出气体的一些宏观性质，包括温度、压强等。
烹煮气体
尽管你无法得知每一个气体分子的运动状态，但你却能几近精确地预测出气体整体的状态。只是当你将类似的研究方法应用到一个持续膨胀的宇宙中时，它却失效了。
统计学给我们提供了一个简便的研究方法。当一个分子不断地无规则运动时，它们能以任何可能的方式不断地重组或再重组。这样将使气体的最初运动状态难以被探测，也就让我们有了忽略其初始状态的可能。因为我们无法跟踪所有分子的位置，它们又一直处于运动状态，所以我们就假设它们出现在任意位置的可能性是相等的。
这为我们提供了一个估测气体某一粗粒度（宏观）状态的方法：我们只需计算某一宏观状态下的连续微观状态。举例来说，相比起在某个角落里聚集成团，气体分子更可能是均匀分布在整个箱子中的，因为只有在非常罕见的情况下气体分子才会聚集在箱子的一角。
若应用此方法研究，尽管合和得出的所有可能性将非常多，但它必须是有限的，否则这个系统将永远都无法计算出所有状态。在一个盒子中的气体，这一有限性是由量子机制的不确定性决定的。因为每一分子的位置不可能被精确地测量出，所以该气体只有限种组态。
最初聚集一团的气体随后很可能会四散开来，原因很简单：统计学数据显示它们四散的可能性比聚集的可能性高。如果这些分子的原初组态是一种非常罕见的状态，那么经过不断地无规则运动后，它们会趋向一种更普遍的状态。
一瞬间，那团旋动的云雾便幻化成了人
但当我们考虑到时间维度时，我们对于气体的直觉认识很可能会被改变。如果我们让盒子中的气体存在足够长的时间，一些不常见的状态很可能会出现。最终它们会出乎意料地聚集于盒子一角。
基于此，玻尔兹曼发表了他的宇宙推论。我们的宇宙结构错综复杂，就如同聚集在盒子中一角的气体——并非处于稳态。宇宙学家们逐渐倾向于将此设想为宇宙的基态，但玻尔兹曼指出，在历经纪元之后，即使是一个无比混乱的宇宙，也可能会随机地演化进一个高度有序的状态。玻尔兹曼将该结论归功于他的助理Schuetz博士，他写道：
“这很可能预示着我们的世界并非处于热力平衡状态，甚至相去甚远。但我们能否换个角度思考我们身处的这个世界与整个宇宙相比是何其渺小？宇宙既是如此浩渺，它其中一个极小的部分就能构成我们的世界，这么看来它就不再渺小了。
“如果这个设想是正确的话，我们的宇宙将会越来越接近热平衡状态；但由于宇宙是如此之大，那么在未来的某个时间节点，很可能会有其他一些世界朝远离平衡点的状态发展，就像我们现在这样。”
这是一个非常有说服力的设想，但很可惜的是它已被证实是错误的。
首先质疑该设想的是天文和物理学家Arthur Eddington爵士，他于1931年提出我们现在熟知的“玻尔兹曼大脑”。他将宇宙设想为一个盒子中的气体，大多情况下，它是处于热力学平衡状态的——就像一锅均一无异化的粥。至于一些复杂结构，包括生命在内，唯有在一些非常罕见的情况下才会演化出来。而此时，气体重新整合形成星星，以及我们所处的太阳系等等。这一过程中并不存在所谓的逐步演化。它更像是一团旋动的云雾，一瞬间便幻化成人。
问题的关键在于量化。一个微小的波动要在宇宙中极小的一角缔造出一个有序的结构，其几率之低好比一个大波动要在一个巨大的空间内形成有序结构。玻尔兹曼和Dr. Schuetz的理论认为这一几率低得就如同要在完全不形成其他任何星体的情况下在宇宙中诞生我们现在所处的太阳系。因此，这个理论是与我们的实际观测相矛盾的，若按此理论，我们夜晚观测到的天空应该空无一星。
若顺此观点继续推导，最终能于此理论下留存下来的应该是一个能处于稳态附近的观察者。我们可以把它设想为一个存在已久的孤独大脑，久远至刚好能够意识到自己已濒临死亡：这就是玻尔兹曼大脑。
照此理论，我们人类不过是某种特殊形式的玻尔兹曼大脑，并误以为自己看到了一个浩渺均衡的宇宙。但这一切幻像都可能在下一刻破灭，然后我们会发现这个宇宙其实空无一物。不过如果这一幻像直到你看完这篇文章时都没有破灭，那么你可以安心地把它丢一边去了。
有关宇宙初始状态的理论，物理学家们要革新思维模式了
由此我们可以得出什么结论呢？显然，宇宙并非一个盒子里的气体。玻尔兹曼理论的一个关键是所有气体分子的不同组态必须是有限的（尽管可能非常大）。这一假设必定是错误的。否则，我们就都是玻尔兹曼大脑。
所以，我们必须寻求新方法来开展宇宙学研究。前文中，我们提到的第二种情况就是宇宙具有无限种可能的状态。这样玻尔兹曼用于计算不同事物发生概率的方法就会失效。
但若如此我们就必须重新展开对宇宙初始状态的讨论了。当研究一个箱子中的气体时，我们可以忽略其中分子的初始状态，但对于一个具有无限种组态的系统我们无法对其初始状态忽略不计，因为若要穷尽所有组态我们需要无限的时间。若要做出预测，我们需要一个能给出初始状态的理论。但直到现在，我们仍未有合适的候选者。现在很多物理理论都是以以往的宇宙状态为参考得出的，但有关宇宙初始状态的理论却需以以往的宇宙状态为结论。为此物理学家们需要革新他们思维模式了。
多元宇宙还为我们提供了第三种解决方案，它允许我们在现有物理架构下，应用统计学方法做出宇宙层面的预测。在多元宇宙中，宇宙的空间处于无限膨胀中，每一个瞬间都可能膨胀出一个状态不同的空间。但最关键的是，宇宙的初始状态并不妨碍我们做预测。膨胀就是一个稳定递进的过程，处于高能状态的区域逐步膨胀并“吞并”那些处于低能状态的区域。宇宙的总体积在增加，它所包含的处于不同状态的空间数也在不断增加，但其比率（以及概率）始终保持稳定。
要基于这一理论做预测其实很简单。我们只需计算出多元宇宙中有多少个观测者。我们观测到某一结果的概率等同于多元宇宙中能观测到同一结果的观测者比率。
现实中并不存在定义一个瞬时状态的通用方法
打个比方，如果有10%的观测者存在于一个暗物质是由轻子（或轴子）组成的多元宇宙区域，另外的90%存在于暗物质是由重子（与轻子相反，也作WIMPs）的区域，那么我们观测到暗物质是由轻子组成的可能性就是10%。
对该理论的最佳应用实例来自于得克萨斯大学奥斯汀分校的斯蒂芬.温伯格，他早在宇宙学常数被成功观测到的十年前便预言出了其数值。正因为该理论强有力的说服力以及温伯格的成功应用使得多元宇宙论吸引了无数研究者孜孜不倦的钻研，其中也包括我在内。
我们现在所面临的主要问题是宇宙的空间在持续膨胀，所以观测者的观测结果也将是无限的，这便使得预测事件发生概率变得非常困难。这一对稳态行为的模糊表征，也被称为“测量问题”。
粗略来讲，我们做预测的大致步骤如下：我们先假设宇宙演化出了大量但有限的时间，并且包含了所有可观测内容；随后我们再计算若时间变得无限时可能出现什么情况。如此一来，我们便可以得知宇宙的平衡态应是怎样的。但难点在于我们还未找到合适的实现方法，因为现实中并不存在定义一个瞬时状态的通用方法。处于遥远时空中的观测者由于彼此相距太远，并且在加速彼此远离，所以我们无法与他们获取联系以同步时钟。从数学层面上，我们有多种方法来同步各个空间的时钟，且不同的同步方法会使我们预测出不同的观测结果。
永不够用的时间
在一个无限的宇宙中要同步所有时钟是不可能的，这很大程度局限了物理学的预测能力。
通过同步时钟得到的其中一个预言就是宇宙大部分空间将会被那些膨胀快的区域取代；而另一个则告诉我们，更糟糕的是很多预测均显示极大区域的观测者就是玻尔兹曼大脑，一个我们当初最想排除的可能性。
当艾伯塔大学的唐.佩奇于2006年的一篇论文中指出玻尔兹曼大脑的潜在问题时，加州大学伯克利分校的拉斐尔.布索和我都感到无比的激动，因为我们意识到我们掌握了“翻盘”的关键。我们发现其实可以利用玻尔兹曼大脑帮我们判定选择何种预测来同步不同时空下的时钟。从而任何认为我们就是玻尔兹曼大脑的预言都必是错误的。基于这一认识我们激动地开始写论文（因为担心其他人会不会也有类似的想法），两天便完成了。在之后的数年里，陆续有一些小团队利用我们的理论来排除干扰，以得出合理的推论。我们认为我们找到了驯服“无限”的方法。
然而，就当一切看起来都一帆风顺时，我们遇到了一个超出了我们理解范畴的概念问题：时间的终点问题。简单地说就是我们的理论预言，宇宙其实正处于自毁边缘。
这一困境起源于由麻省理工学院的Alan Guth和德卢斯密歇根大学的Vitaly Vanchurin提出的一个思想实验。这个实验即使是在理论物理中也非比寻常。它假设在你抛出一枚硬币尚未知道结果前，你被放置进了低温箱中。如果硬币是正面朝上，那么你会在一年后被叫醒，如果是反面朝上，那么你会在5百亿年后被叫醒。现在，假设你刚刚苏醒过来并有机会打赌自己刚刚到底是睡了1年还是5百亿年。常识告诉我们如果赌局公平的话，其赔率应该是50 / 50。
请别把我叫醒
沉睡实验揭示了一个无限宇宙中的概率悖论。
但当我们将我们的法则用于计算膨胀的宇宙时，我们发现我们应该赌睡了1年这个选项。之所以产生这一奇异的现象原因就在于宇宙一直在膨胀并从未停止，所以无论沉睡实验是什么时候开始的，其数量必定是在持续增加。因此相比起5百亿年前，1年前开始的实验数必定会更多，所以大多数现在醒来的人应是沉睡时间较短的人。
这听起来可能有点夸张，甚至有点愚蠢。但其实是因为这在宇宙学中是非常极端的情况，牵涉到了超出人类现有经验的时空范畴。你可以通过试想另一个与此相同的简单场景来理解这个问题。假设地球上的人口每30年会翻一倍，长此以往。人们不时地会进行类似的沉睡实验，但受试者的沉睡时间为1年或100年，并假设每天会有1%的人参与实验。
现在假设你刚从低温箱中苏醒过来，并被要求猜自己到底是睡了1年还是100年。一方面你可能会认为这概率无疑是50:50，但另一方面，真实情况却是更多的人从1年的沉睡中苏醒过来的。举个例子，假设那些在2015年以及1916年进入沉睡的人会在2016年苏醒，但由于更多人是在2015年进入沉睡的（每年都有总人口数1%的人会加入沉睡大军），所以大部分在2016年醒来的人是在2015年进入沉睡的。因此按理说你应该猜自己是于2015年进入沉睡的。
但事实是引发争议的两条逻辑线导向了两个完全相反的答案，并显示其实一开始我们就没有对问题界定准确，因为将人口定义为可以无止境地指数式增长是非常不明智的，而且现实中这根本无法实现。在这里，真正缺失的其实是阻止人口继续增长的因素。
因素可能有两种。其一，某一天起世界上再无新生儿诞生了，但沉睡实验还在一轮一轮的进行，直到终止的一天。其二，一颗巨大的流星突然降临并摧毁了地球，使所有沉睡者死亡。你会发现，在第一种可能中，有一半从沉睡中醒来的观测者沉睡自2015年，但在第二种可能中，大部分从沉睡中醒来的观测者都是沉睡自2015年的。如果你是一名沉睡自1916年的人，那么期间你很可能已经因为流星的冲击而身亡了。所以，当有人让你猜你沉睡自哪一年时，2016年会是一个较优的答案。当人口总数确定时，这个问题就容易被界定，预测概率也会变得唯一。
在一个无限膨胀的宇宙中，越来越多“短时”沉睡者将会醒来。我和凯维里理论物理研究所的Bousso，伯克利的Stefan Leichenauer和Vladimir Rosenhaus指出，这一诡异的结果其实有一个非常简单的物理解释：苏醒的人中之所以有更多的“短时”沉睡者是因为生存于一个无限膨胀的宇宙是非常危险的，因为他很可能会走到时间的终点。当明白到这一点后，我们就应意识到“时间终止效应”其实是我们计算概率时不可避免的“副作用”，而且无论是否有人参与“沉睡实验”，这个效应都会存在。事实上，若考虑我们现有的宇宙学常数，我们可以算出我们大概有50%的可能会在未来5万亿年内走到时间的终点。
我们发现，我们始终在做荒谬的预测
我们来整理一下结论：现在除了我们，没人认为时间会突然中止，更别提沉睡实验了。更重要的是我们的概率计算方法为这一理论带来了前所未有的灾难。这说明我们对理解大型时空的物理还有一些关键点没弄清楚。
如果宇宙真像一个盒子中的气体，具有有限的状态，那么按照理论推断我们就是玻尔兹曼大脑，而这是与常理乃至现实观测相违背的。相反，如果宇宙具有无限的状态，则我们现有的统计学工具并不允许我们做出正确的预测，这目前还没有有效的解决方法。然而多元宇宙似乎取了一条“中庸之道”，它具有无限的状态，以此避免了玻尔兹曼大脑带来的问题，但同时它的状态又可以稳定，以允许我们对其进行观测分析，只是所得的预测都荒诞不已罢了。但不管怎么说，若想让以上三种情况得以实现，我想我们需要革新对现有物理的认识了。
文章来源：Nautilus 文章作者：Ben Freivogel 编译：未来论坛 Baschon
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