新浪科技訊 北京時間 2 月 28 日消息，據(jù)國外媒體報道，多元宇宙論是一個看起來很瘋狂的假說，尚未經(jīng)過直接且實際的檢驗。不過，盡管備受爭議，但該假說其實有著很穩(wěn)固的理論基礎(chǔ)。

▲ 宇宙暴脹理論預(yù)測了多元宇宙的存在：無數(shù)的宇宙都經(jīng)歷了熱大爆炸，但大爆炸發(fā)生的每個區(qū)域都是完全分開的，它們之間只有不斷暴脹的空間。我們無法探測到其他宇宙，但在暴脹理論的背景下，多元宇宙的存在是不可避免的。

當我們觀察今天的宇宙時，其實是在同時關(guān)注兩個與宇宙自身有關(guān)的故事。第一個故事講述了今天宇宙的面貌，包括其中所有的恒星和星系，它們?nèi)绾尉奂谝黄?，如何移動，以及由什么成分組成。這是一個相對簡單的故事，是我們通過所能觀察的宇宙了解到的。

另一個故事則講述了宇宙如何形成今天的樣子，其中包含了更多有待解開的謎題。當然，我們可以觀察處于遙遠距離的天體，從中了解宇宙在遙遠的過去是什么樣子：我們現(xiàn)在所接收到的光來自其最初發(fā)出的時候。但我們需要將這些觀察與宇宙理論 —— 宇宙大爆炸框架內(nèi)的物理定律 —— 結(jié)合起來，對過去發(fā)生的事情進行解釋。在這一過程中，我們會看到一些令人驚奇的證據(jù)，表明大爆炸發(fā)生極短時間內(nèi)還出現(xiàn)過一個階段：宇宙暴脹。為了讓暴脹理論符合我們所觀察到的宇宙，有人給出了一個令人不安的附加條件：多元宇宙。接下來，就讓我們來了解一下物理學(xué)家們?yōu)槭裁磯旱剐缘卣J為多元宇宙很可能存在。

早在 20 世紀 20 年代，研究者就發(fā)現(xiàn)了壓倒性的證據(jù)，表明天空中大量的螺旋狀和橢圓形物體實際上就是星系本身，而且這些星系之間的距離正越來越遠，其發(fā)出的光會被有序地轉(zhuǎn)移到更長的波長。一開始，物理學(xué)家們提出了各種各樣的解釋，但都無法找到更有力的證據(jù)。最終被廣泛接受的一個解釋是：宇宙本身正在像一塊發(fā)酵的葡萄干面包一樣不斷膨脹，而宇宙中包括星系在內(nèi)的物體就如同葡萄干，隨著宇宙（面團）膨脹而不斷遠離。

▲ 膨脹宇宙的“葡萄干面包”模型，星系（葡萄干）的相對距離隨著空間（面團）的膨脹而增加。任意兩個星系之間的距離越遠，到接收到光的時候，觀察到的紅移就越大。由膨脹宇宙所預(yù)言的紅移-距離關(guān)系在觀測中得到了證實，并且與早在 20 世紀 20 年代就已經(jīng)知道的事實相一致。

如果今天的宇宙仍在膨脹，其內(nèi)部的輻射向更長的波長和更低的能量轉(zhuǎn)移，那么過去宇宙一定更小、密度更大，同時也更均勻、更熱。只要在這個膨脹的宇宙中存在任意數(shù)量的物質(zhì)和輻射，從大爆炸理論就可以推導(dǎo)出三個明確而普遍的預(yù)言：

（1）一個大型的宇宙網(wǎng)，其中的星系隨著時間的推移而增長、演變和聚集；

（2）一個低能量的黑體輻射背景，這是在熾熱的早期宇宙中中性原子第一次形成時留下的；

（3）最輕元素 —— 氫、氦、鋰及其各種同位素 —— 的特定比例，這些元素甚至存在于尚未形成恒星的區(qū)域。

所有這三個預(yù)言都被觀測證實了，大爆炸理論也因此成為最主流的宇宙起源理論，而其他理論都被拋棄了。然而，大爆炸只描述了宇宙在其早期階段的樣子，并不能解釋為什么宇宙具有這些性質(zhì)。在物理學(xué)中，如果知道某個系統(tǒng)的初始條件和它所遵守的規(guī)則，你就可以非常準確地預(yù)測它未來將如何演變 —— 直到達到計算能力和系統(tǒng)固有不確定性的極限。

▲ 一個隨宇宙加速膨脹而形成結(jié)構(gòu)的模擬片段，呈現(xiàn)了暗物質(zhì)豐富的宇宙中數(shù)十億年的引力增長。請注意，纖維結(jié)構(gòu)和較大的星團 —— 形成于纖維的交叉處 —— 主要是由暗物質(zhì)產(chǎn)生的，常規(guī)物質(zhì)只起著很小的作用。

那么，大爆炸在開始時需要什么樣的初始條件，才能形成今天的宇宙呢？根據(jù)目前科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，答案可能有點讓人意想不到：

（1）必須存在一個顯著低于（至少約 1000 倍）普朗克尺度的最高溫度；在粒子物理和物理宇宙學(xué)中，普朗克尺度是指約 1.22×10^19GeV 量級的能量尺度，在這一尺度下，重力的強度變得與其他基本作用力相當，物理定律失效。

（2）宇宙誕生時，所有尺度的密度漲落幅度都大致相同。

（3）膨脹速率和物質(zhì)能量總密度必須達到近乎完美的平衡：至少達到 30 位有效數(shù)字。

（4）所有位置 —— 甚至是不相關(guān)的位置 —— 的宇宙一定是在相同的初始條件下誕生的，包括相同的溫度、密度和波動譜。

（5）宇宙誕生時的熵一定比現(xiàn)在低得多，低了幾萬億倍。

▲ 如果這三個不同的空間區(qū)域從來沒有時間加熱，也不能共享信息或相互傳輸信號，那它們?yōu)槭裁炊际窍嗤臏囟龋窟@是大爆炸初始條件的問題之一；這些區(qū)域是如何達到相同溫度的，或者它們最初就是如此？

簡單來說，與初始條件有關(guān)的問題基本上就是在問：這個系統(tǒng)為什么會以這樣的方式開始？我們只有兩個選項。一個是求助于不可知的事物，說它就是這樣的，因為這是它可能存在的唯一方式，我們無法進一步了解。另一個則是嘗試找到一種機制，來建立和創(chuàng)造系統(tǒng)開始所需的條件。物理學(xué)家將第二個選項稱為“訴諸于動力學(xué)”；換言之，我們試圖設(shè)計一種機制，用于實現(xiàn)三個重要的目標：

（1）它必須重現(xiàn)它試圖取代的模型（在這個例子中就是大爆炸理論）所獲得的每一個成功。也就是說，大爆炸理論成功的每一塊基石都必須被納入這個新的機制中。

（2）它必須解釋大爆炸無法解釋的東西：宇宙開始時的初始條件。這些在大爆炸理論框架內(nèi)仍未得到解釋的問題必須用新的觀點來解釋。

（3）它必須做出與原始理論預(yù)言不同的新預(yù)言，而且這些預(yù)言必須導(dǎo)致某種可觀察、可測試和 / 或可測量的結(jié)果。

唯一符合這三條標準的理論就是宇宙暴脹理論。在這三條“戰(zhàn)線”上，該理論都取得了前所未有的成功。

暴脹理論的基本觀點是，在宇宙變得炙熱、稠密、到處充滿物質(zhì)和輻射之前，它處于一種由空間本身固有的大量能量主導(dǎo)的狀態(tài)：某種場或真空能量。只是，與能量密度很?。ㄏ喈斢诿苛⒎矫卓臻g有一個質(zhì)子）的暗能量不同，宇宙暴脹時期的能量密度是巨大的：大約是今天暗能量的 10^25 倍！

宇宙暴脹時的膨脹方式與我們熟悉的宇宙膨脹不同。在一個物質(zhì)和輻射不斷膨脹的宇宙中，粒子的數(shù)量保持不變，體積卻在增加，從而導(dǎo)致能量密度下降。由于膨脹速率與能量密度有關(guān)，因此隨著時間的推移，宇宙膨脹會逐漸減慢。但如果能量是空間本身固有的，那么能量密度保持不變，膨脹速率也會保持不變。其結(jié)果就是所謂的指數(shù)膨脹，即在很短的一段時間后，宇宙的大小翻了一番；再過一段時間，它又翻了一番，以此類推。在很短的時間內(nèi) —— 一秒的一小部分 —— 一個最初比最小的亞原子粒子還小的區(qū)域可以被拉伸到比今天整個可見的宇宙還大。

▲ 發(fā)生在暴脹期間的指數(shù)膨脹是如此強大，每過（大約）10^-35 秒，空間中任何特定區(qū)域的體積就會在每個方向上翻倍，導(dǎo)致所有粒子或輻射被稀釋，并導(dǎo)致所有曲率都迅速變得平坦。

在暴脹期間，宇宙被拉伸到巨大的尺寸。這個過程中也完成了很多事情，其中包括：

（1）拉伸可觀測的宇宙，無論其初始曲率如何，使其與平坦的宇宙難以區(qū)分；

（2）取開始暴脹區(qū)域中存在的任何初始條件，并將它們延伸到整個可見的宇宙中；

（3）創(chuàng)造出微小的量子漲落，并將其延伸到整個宇宙，從而使它們在所有的距離尺度上幾乎是一樣的，但在更小的尺度上（當暴脹即將結(jié)束時）則略小一些；

（4）將所有“暴脹”場能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和輻射，但只能達到遠低于普朗克尺度（但與暴脹能量尺度相當）的最高溫度；

（5）創(chuàng)造出一個密度和溫度波動的譜系，存在于比宇宙視界更大的尺度上，在任何地方都是絕熱的（熵恒定），而不是等溫的。

這就重現(xiàn)了“無暴脹”熱大爆炸理論的成功，提供了一種解釋大爆炸初始條件的機制，并做出了一系列不同于“無暴脹”宇宙開端的新穎預(yù)言。從 20 世紀 90 年代開始，一直到今天，暴脹理論的預(yù)言與觀測結(jié)果一致，但與無暴脹的大爆炸場景截然不同。

問題在于，必須存在一個最小規(guī)模的暴脹，才能重現(xiàn)我們所看到的宇宙。這意味著，要想成功實現(xiàn)暴脹，就必須滿足一定的條件。我們可以把暴脹理論模型化，比如視為一座山丘，只要你在山頂，就會發(fā)生暴脹；但當你滾到下面的山谷時，暴脹就結(jié)束了，并將能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和輻射。

▲ 在上圖中，今天宇宙在所有地方都具有相同的屬性（包括溫度），因為它們起源于具有相同屬性的區(qū)域。在中間圖中，可以有任意曲率的空間暴脹到了我們今天無法觀察到任何曲率的程度，這就解決了平坦性的問題。而在下圖中，原先存在的高能遺留因為暴脹而消失，這就為高能遺留的問題提供了一個答案。對于大爆炸本身無法解釋的這三大難題，暴脹理論都給出了合理的解答。

當你這樣做的時候，你會發(fā)現(xiàn)某些“山形”—— 或者物理學(xué)家所說的“勢”—— 是可行的，另一些則不可行，關(guān)鍵是山頂?shù)男螤钜銐蚱教?。簡單地說，如果你把暴脹場想象成山頂上的一個球，它需要在暴脹的大部分時間里緩慢地滾動；只有當進入山谷時，它才會加速滾動，從而結(jié)束暴脹。我們已經(jīng)量化了暴脹發(fā)生所需的最低“滾動”速度，從而對這種“勢”有了一定了解。只要頂部足夠平坦，暴脹理論就可以作為解決宇宙起源問題的可行方案。

不過現(xiàn)在，事情開始變得有趣了。與我們所知的其他場一樣，暴脹本質(zhì)上必須是量子場。這意味著它的很多屬性并不完全確定，而是呈概率分布的。你允許流逝的時間越多，分布的范圍就越大。滾下山的不是一個點狀的球，而是一個量子概率波函數(shù)。

同時，宇宙在暴脹，意味著它在所有三個維度上呈指數(shù)級膨脹。如果我們把一個 1×1×1 的立方體稱為“宇宙”，那就可以看到立方體在暴脹過程中的膨脹。如果經(jīng)過一些時間，立方體的大小翻倍，那它就變成了一個 2×2×2 的立方體，需要填充 8 個原始立方體。經(jīng)過同樣長的時間后，它就變成了一個 4×4×4 的立方體，需要填充 64 個原始立方體。再經(jīng)過相同的時間，就是一個 8×8×8 的立方體，體積是 512。只需要大約 100 次“翻倍”，我們就能得到一個包含大約 1090 個原始立方體的宇宙。

▲ 在暴脹過程中發(fā)生的量子漲落在整個宇宙中伸展開來，當暴脹結(jié)束時，它們就變成了密度漲落。隨著時間的推移，最終導(dǎo)致了今天宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，以及在宇宙微波背景中觀察到的溫度波動。這是現(xiàn)實的量子本質(zhì)如何影響整個大尺度宇宙的一個例子。

到目前為止，一切順利?，F(xiàn)在，假設(shè)有一個區(qū)域，暴脹的量子球在該區(qū)域滾向山谷。暴脹到此結(jié)束，場能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和輻射，然后就發(fā)生了我們所知的熱大爆炸。這個區(qū)域可能形狀不規(guī)則，但它需要足夠的暴脹來重現(xiàn)我們在宇宙中觀測到的成功結(jié)果。

那么，現(xiàn)在問題就變成了，在這個區(qū)域之外會發(fā)生什么？

這個問題的難點在于，如果要求宇宙有足夠的暴脹，使其具有我們所觀測到的各種屬性，那么在暴脹結(jié)束的區(qū)域之外，暴脹還會繼續(xù)。如果你問“這些區(qū)域的相對大小是多少”，那你會發(fā)現(xiàn)，如果想讓暴脹結(jié)束的區(qū)域足夠大，與觀測結(jié)果一致，那暴脹沒有結(jié)束的區(qū)域就會指數(shù)增大；而隨著時間的推移，這種差距會越來越大。即使有無數(shù)個區(qū)域的暴脹結(jié)束了，也會有更多的區(qū)域持續(xù)暴脹。此外，暴脹結(jié)束的各個區(qū)域，也就是大爆炸發(fā)生的地方，都將被更多暴脹空間的區(qū)域分隔開來。

簡單地說，如果每次大爆炸都發(fā)生在一個“泡泡”宇宙中，而且這些泡泡之間不會發(fā)生碰撞，那么隨著時間的推移，我們最終得到的是越來越多不相連的泡泡，它們之間被一個不斷暴脹的空間分隔開。

▲ 在不斷膨脹的宇宙“海洋”中，多個獨立的宇宙因因果關(guān)系而彼此分離，這是多元宇宙概念的一種描述。不同的宇宙可能有不同的屬性，也可能沒有，我們或許永遠都不知道如何驗證多元宇宙假說

這就是科學(xué)家們把多元宇宙的存在視為“默認選項”的原因。我們有壓倒性的證據(jù)證明宇宙大爆炸的存在，也有證據(jù)表明宇宙大爆炸的一系列初始條件尚未得到確實的解釋。如果我們加上一個解釋 —— 宇宙暴脹 —— 那這個形成并導(dǎo)致大爆炸的暴脹時空就會帶來一系列新穎的預(yù)言。這些預(yù)言中有許多是通過觀察得出的，但也有一些來自暴脹理論。

其中一個預(yù)言便是可能存在無數(shù)個宇宙，它們之間由互不相連的區(qū)域組成，而每個區(qū)域都各自發(fā)生了大爆炸；當把它們放在一起時，就組成了所謂的多元宇宙。不過，這并不意味著不同的宇宙有不同的規(guī)則、定律或基本常數(shù)，也不意味著你能想象到的所有可能的量子結(jié)果都發(fā)生在其他宇宙中。這甚至不意味著多元宇宙是真實的，因為這是一個我們無法驗證或證偽的預(yù)言。但如果暴脹理論是正確的，而且有數(shù)據(jù)上的支持，那么多元宇宙幾乎就是不可避免的。

你可能不喜歡多元宇宙論，也可能真的不喜歡一些物理學(xué)家濫用這個想法，但在一個更好、更可行的暴脹替代理論出現(xiàn)之前，多元宇宙在很大程度上還是有可能存在的。

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