新浪科技訊 北京時(shí)間 2 月 28 日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，多元宇宙論是一個(gè)看起來很瘋狂的假說，尚未經(jīng)過直接且實(shí)際的檢驗(yàn)。不過，盡管備受爭議，但該假說其實(shí)有著很穩(wěn)固的理論基礎(chǔ)。
▲ 宇宙暴脹理論預(yù)測(cè)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(gè)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(cè)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(dāng)我們觀察今天的宇宙時(shí)，其實(shí)是在同時(shí)關(guān)注兩個(gè)與宇宙自身有關(guān)的故事。第一個(gè)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?dòng)，以及由什么成分組成。這是一個(gè)相對(duì)簡單的故事，是我們通過所能觀察的宇宙了解到的。
另一個(gè)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(dāng)然，我們可以觀察處于遙遠(yuǎn)距離的天體，從中了解宇宙在遙遠(yuǎn)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(shí)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(duì)過去發(fā)生的事情進(jìn)行解釋。在這一過程中，我們會(huì)看到一些令人驚奇的證據(jù)，表明大爆炸發(fā)生極短時(shí)間內(nèi)還出現(xiàn)過一個(gè)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(gè)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(rèn)為多元宇宙很可能存在。
早在 20 世紀(jì) 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(shí)際上就是星系本身，而且這些星系之間的距離正越來越遠(yuǎn)，其發(fā)出的光會(huì)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(gè)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(tuán)）膨脹而不斷遠(yuǎn)離。
▲ 膨脹宇宙的“葡萄干面包”模型，星系（葡萄干）的相對(duì)距離隨著空間（面團(tuán)）的膨脹而增加。任意兩個(gè)星系之間的距離越遠(yuǎn)，到接收到光的時(shí)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(cè)中得到了證實(shí)，并且與早在 20 世紀(jì) 20 年代就已經(jīng)知道的事實(shí)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(shí)也更均勻、更熱。只要在這個(gè)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(gè)明確而普遍的預(yù)言：
（1）一個(gè)大型的宇宙網(wǎng)，其中的星系隨著時(shí)間的推移而增長、演變和聚集；
（2）一個(gè)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(shí)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(gè)預(yù)言都被觀測(cè)證實(shí)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(gè)系統(tǒng)的初始條件和它所遵守的規(guī)則，你就可以非常準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)它未來將如何演變 —— 直到達(dá)到計(jì)算能力和系統(tǒng)固有不確定性的極限。
▲ 一個(gè)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(qǐng)注意，纖維結(jié)構(gòu)和較大的星團(tuán) —— 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(shí)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(diǎn)讓人意想不到：
（1）必須存在一個(gè)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(jí)的能量尺度，在這一尺度下，重力的強(qiáng)度變得與其他基本作用力相當(dāng)，物理定律失效。
（2）宇宙誕生時(shí)，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(dá)到近乎完美的平衡：至少達(dá)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(dòng)譜。
（5）宇宙誕生時(shí)的熵一定比現(xiàn)在低得多，低了幾萬億倍。
▲ 如果這三個(gè)不同的空間區(qū)域從來沒有時(shí)間加熱，也不能共享信息或相互傳輸信號(hào)，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(dá)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(gè)系統(tǒng)為什么會(huì)以這樣的方式開始？我們只有兩個(gè)選項(xiàng)。一個(gè)是求助于不可知的事物，說它就是這樣的，因?yàn)檫@是它可能存在的唯一方式，我們無法進(jìn)一步了解。另一個(gè)則是嘗試找到一種機(jī)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(gè)選項(xiàng)稱為“訴諸于動(dòng)力學(xué)”；換言之，我們?cè)噲D設(shè)計(jì)一種機(jī)制，用于實(shí)現(xiàn)三個(gè)重要的目標(biāo)：
（1）它必須重現(xiàn)它試圖取代的模型（在這個(gè)例子中就是大爆炸理論）所獲得的每一個(gè)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(gè)新的機(jī)制中。
（2）它必須解釋大爆炸無法解釋的東西：宇宙開始時(shí)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(diǎn)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(cè)試和 / 或可測(cè)量的結(jié)果。
唯一符合這三條標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(chǎng)或真空能量。只是，與能量密度很小（相當(dāng)于每立方米空間有一個(gè)質(zhì)子）的暗能量不同，宇宙暴脹時(shí)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(shí)的膨脹方式與我們熟悉的宇宙膨脹不同。在一個(gè)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(shí)間的推移，宇宙膨脹會(huì)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(huì)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(shí)間后，宇宙的大小翻了一番；再過一段時(shí)間，它又翻了一番，以此類推。在很短的時(shí)間內(nèi) —— 一秒的一小部分 —— 一個(gè)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(gè)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(qiáng)大，每過（大約）10^-35 秒，空間中任何特定區(qū)域的體積就會(huì)在每個(gè)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(gè)過程中也完成了很多事情，其中包括：
（1）拉伸可觀測(cè)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(gè)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(gè)宇宙，從而使它們?cè)谒械木嚯x尺度上幾乎是一樣的，但在更小的尺度上（當(dāng)暴脹即將結(jié)束時(shí)）則略小一些；
（4）將所有“暴脹”場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和輻射，但只能達(dá)到遠(yuǎn)低于普朗克尺度（但與暴脹能量尺度相當(dāng)）的最高溫度；
（5）創(chuàng)造出一個(gè)密度和溫度波動(dòng)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(jī)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(jì) 90 年代開始，一直到今天，暴脹理論的預(yù)言與觀測(cè)結(jié)果一致，但與無暴脹的大爆炸場(chǎng)景截然不同。
問題在于，必須存在一個(gè)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(shí)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(huì)發(fā)生暴脹；但當(dāng)你滾到下面的山谷時(shí)，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?yàn)樗鼈兤鹪从诰哂邢嗤瑢傩缘膮^(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?yàn)楸┟浂?，這就為高能遺留的問題提供了一個(gè)答案。對(duì)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(dāng)你這樣做的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)某些“山形”—— 或者物理學(xué)家所說的“勢(shì)”—— 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(chǎng)想象成山頂上的一個(gè)球，它需要在暴脹的大部分時(shí)間里緩慢地滾動(dòng)；只有當(dāng)進(jìn)入山谷時(shí)，它才會(huì)加速滾動(dòng)，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(dòng)”速度，從而對(duì)這種“勢(shì)”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(chǎng)一樣，暴脹本質(zhì)上必須是量子場(chǎng)。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(shí)間越多，分布的范圍就越大。滾下山的不是一個(gè)點(diǎn)狀的球，而是一個(gè)量子概率波函數(shù)。
同時(shí)，宇宙在暴脹，意味著它在所有三個(gè)維度上呈指數(shù)級(jí)膨脹。如果我們把一個(gè) 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(shí)間，立方體的大小翻倍，那它就變成了一個(gè) 2×2×2 的立方體，需要填充 8 個(gè)原始立方體。經(jīng)過同樣長的時(shí)間后，它就變成了一個(gè) 4×4×4 的立方體，需要填充 64 個(gè)原始立方體。再經(jīng)過相同的時(shí)間，就是一個(gè) 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(gè)包含大約 1090 個(gè)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(gè)宇宙中伸展開來，當(dāng)暴脹結(jié)束時(shí)，它們就變成了密度漲落。隨著時(shí)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(dòng)。這是現(xiàn)實(shí)的量子本質(zhì)如何影響整個(gè)大尺度宇宙的一個(gè)例子。
到目前為止，一切順利。現(xiàn)在，假設(shè)有一個(gè)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(chǎng)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(gè)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?cè)谟钪嬷杏^測(cè)到的成功結(jié)果。
那么，現(xiàn)在問題就變成了，在這個(gè)區(qū)域之外會(huì)發(fā)生什么？
這個(gè)問題的難點(diǎn)在于，如果要求宇宙有足夠的暴脹，使其具有我們所觀測(cè)到的各種屬性，那么在暴脹結(jié)束的區(qū)域之外，暴脹還會(huì)繼續(xù)。如果你問“這些區(qū)域的相對(duì)大小是多少”，那你會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果想讓暴脹結(jié)束的區(qū)域足夠大，與觀測(cè)結(jié)果一致，那暴脹沒有結(jié)束的區(qū)域就會(huì)指數(shù)增大；而隨著時(shí)間的推移，這種差距會(huì)越來越大。即使有無數(shù)個(gè)區(qū)域的暴脹結(jié)束了，也會(huì)有更多的區(qū)域持續(xù)暴脹。此外，暴脹結(jié)束的各個(gè)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(gè)“泡泡”宇宙中，而且這些泡泡之間不會(huì)發(fā)生碰撞，那么隨著時(shí)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(gè)不斷暴脹的空間分隔開。
▲ 在不斷膨脹的宇宙“海洋”中，多個(gè)獨(dú)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(yuǎn)都不知道如何驗(yàn)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(rèn)選項(xiàng)”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(shí)的解釋。如果我們加上一個(gè)解釋 —— 宇宙暴脹 —— 那這個(gè)形成并導(dǎo)致大爆炸的暴脹時(shí)空就會(huì)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(gè)預(yù)言便是可能存在無數(shù)個(gè)宇宙，它們之間由互不相連的區(qū)域組成，而每個(gè)區(qū)域都各自發(fā)生了大爆炸；當(dāng)把它們放在一起時(shí)，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(shí)的，因?yàn)檫@是一個(gè)我們無法驗(yàn)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(gè)想法，但在一個(gè)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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