其实，多重宇宙真的存在？

《瞬息全宇宙》

你有没有想象过，如果多重宇宙真的存在，在其他宇宙中的你，正过着什么样的生活？

也许在其他宇宙里，你在人生的岔路口做了不同的选择，过着完全不同的生活。或者干脆变成了一个杀手，一个大明星，甚至一块石头？

【资料图】

这两年随着《瞬息全宇宙》的爆红和成功，“多重宇宙”的概念不仅让观众们打开脑内的可能性，也越来越被编剧们偏爱，开始频繁的出现在我们熟悉的故事中，最擅长建立全新宇宙的漫威、DC也都开始借助“多元宇宙”概念寻找新的灵感，比如《蜘蛛侠》系列和最新上映不久的《闪电侠》。

《闪电侠》

“多重宇宙”、“平行世界”我们对其他世界的想象从来没有停止过，但如果这一切真的并不仅仅是编剧们的脑洞呢？说不定，多重宇宙的存在是有科学依据的？

01. 

“多重宇宙”没准是真的？

其实不少科学家们都真的讨论过“多重宇宙”理论，“多重宇宙”是否真的存在和“宇宙大爆炸之前是否还存在其他东西”“物质为何多于反物质”等诸多关于宇宙的根本性问题一样，始终使诸多科学家们困扰又着迷。目前对于“多重宇宙”的想象和探索讨论，最流行的观点被称为“永恒暴胀”。在吉姆·哈尔-哈利利的新书《欢迎来到物理学的世界》中，他这样解释“永恒暴胀。”

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“在这种图景中，我们的宇宙就是一个小泡泡，处在一个更高维的无限空间之中，这个空间叫“多重宇宙”，它永远在暴胀。在这种图景中，创造我们这个宇宙的大爆炸只是 138.2 亿年前的一次量子涨落，此次涨落在这个永恒暴胀的空间中创造了一个泡泡。这个泡泡中的空间就是我们的宇宙，它停止了暴胀，减缓到以一个更为镇定的速度膨胀，而外面的多重宇宙还在继续拼命暴胀。因此，并不是大爆炸之后发生了一段非常短暂的暴胀，而是要反过来看：我们这个大爆炸，标志着我们这部分多重宇宙暴胀的结束。

而且，永恒暴胀预示着，多重宇宙中还有其他的“宇宙泡”，很可能有无穷多个，所有这些宇宙都永远地彼此分离，并被不断膨胀的暴胀场快速驱散开来。这个想法有一个额外的好处，对许多宇宙学家来说颇有吸引力。物理学家不喜欢微调，因为某些物理量之所以是那些值，并无根本原因。但看到一批最基本常数的取值对于我们这样的宇宙来说恰到好处时，这就到了关键之所在。

假如引力稍弱一点点，各种星系和恒星就不可能形成；假如电子的电荷稍大一些些，原子就会坍缩，复杂物质就不会存在。永恒暴胀的多重宇宙论正回答了这个问题：为什么我们的宇宙调得如此精到，能适合恒星、行星乃至生命的存在？答案是，所有可能的宇宙泡都可以存在，所有的宇宙泡都服从相同的物理规律，但是每个都有自己的一套基本物理常数。我们恰巧在一个适于生命涌现出来的宇宙泡中——想想这有多么幸运吧。”

虽然目前这个理论仅仅是宇宙学中流行的一种观点，并没有得到证实，也收到了很多科学家的质疑，但它仍然留给了我们无限可能和想象的空间，没准很多年后“多重宇宙”的论调可以被验证。

但为了避免误会，需要强调，这里提到的“宇宙泡”和“多重宇宙”的概念和我们日常生活中提到的“平行世界”并不是一回事。量子力学中关于“多世界”的诠释更类似于我们日常生活中所理解的平行现实，这种诠释是基于测量量子世界会有多种可能结果得来的。“永恒暴胀”理论中的宇宙泡则并不是平行、交叠的现实，而是完全相互独立的。

02. 

在“宇宙大爆炸”之前有什么？

上文中多次提到了一个特别的词——“暴胀”。“宇宙暴胀”是物理学家就宇宙的发端提出的一个概念。众所周知，目前关于宇宙的发端问题，最被大众所接受的说法即“宇宙大爆炸”。但这五个直白但又复杂的字，并没办法解决关于宇宙起源的所有问题，比如，“宇宙大爆炸”本身有原因吗？“宇宙大爆炸”之前有时间和存在吗？除了这些问题外，还有两个问题困扰了宇宙学家长达半个世纪之久。他们就是“平坦性问题”和“视界问题”。

平坦性问题：这是一个微调问题，和宇宙中物质及能量的密度相关，似乎有一个刚刚好的值，使空间几乎完全平坦。

视界问题：我们在太空中能看到的最远处可能只是整个宇宙的一小部分，宇宙中存在一个“视界”，超出它的范围是我们永远无法看见的，这个视界就标志着“可见”宇宙的边界。 

除此之外，宇宙在宏观尺度上的极端均匀性也是科学家们激烈探讨过的话题之一，圭多·托奈利在《宇宙创世记》中详细的解释了这一现象：

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“宇宙在宏观尺度上有极端均匀性，乍一看，这似乎很违反直觉。只需举目仰望天空，我们就能看到太阳、月亮、行星和恒星，感知到宇宙中极其多样的结构。但其实，这只是囚禁我们的众多偏见之一，这仅仅因为我们只有非常有限的视角，凭肉眼无法穿越遥远的距离。

但如果我们使用最现代的探索工具来扩大视域，把整个宇宙都囊括进来，那么这些“局部”的差异就变成了微不足道的细节。最近的实验已经记录了20万个星系，得出的结论是，在数亿光年的维度上，我们遇到的结构总是非常相似、几近相同。简而言之，尽管宇宙在局部的沟壑中奇妙而多变，但如果遨游在很大的尺度上，你就会发现，宇宙非常单调，近乎无聊。如果来看宇宙的温度分布，它的同质性会变得更加严格。

宇宙实际的温度分布完美地复刻了理论的预测：宇宙就像一台巨型微波炉，它在遥远的过去就停止了加热，并自那时起就随着自身的膨胀均匀地冷却下来。相隔十亿百亿光年的区域，即使以离谱的精度去测量，也具有完全相同的温度：比绝对零度高 2.72548 度。辐射是各向同性的，即在各个方向上都相同，差异小于十万分之一。是什么机制使能量得以在如此遥远的区域之间交换，直至将一切都加热到如此均匀的地步？”

在这样的背景下，一位年轻的物理学家艾伦·古斯在1979年提出了自己革命性的想法——“宇宙暴胀”概念。

03. 

但，“暴胀”到底是什么？

在《欢迎来到物理学的世界》一书中，详细的为我们解释了“宇宙暴胀”的概念，这个概念是这样的：“宇宙在刚刚诞生的那一瞬间，由于另一个量子场，即“暴胀场”，它经历了一个短暂的指数级膨胀，在这期间，宇宙以极其惊人的速度扩大了约 10 的 50 次方倍。”

或许直白的概念仍然很难理解，让我们再把它说的通俗一些，圭多·托奈利在《宇宙创世记》中这样解释“宇宙暴胀”的过程：

“艾伦·古斯设想的机制是，存在一个标量场，它会向真空提供正势能。这个标量场在演变过程中，会有一瞬间困顿在“假真空”状态中，这里是势能的某处凹陷，此处的势能是个非零的常值。让我们试想，一个滑雪新手正从一道缓坡上慢慢滑下，突然遇到一处平地或一个深坑，于是只得停下。一时间他被困在凹陷处，为从低处出来，他必须用滑雪杖推。克服了小小的碍事斜坡后，他可以重新向下滑，迅速到达山谷的底部。

暴胀 图源：《欢迎来到物理学的世界》

如果这个标量场类似滑雪者，会在凹陷处逗留片刻，那就会引发超级狂暴的现象。由于正的真空能，泡泡会受到外推，从而增加体积；由于场被困在凹陷处，能量密度就保持不变；又由于体积在增加，存储在其中的正能量就增加，于是扩张的冲动也进一步增加。

扩张运动没有将能量移出空间，而是注入了空间。泡泡膨胀得越大，扩张的动力就越大。这是指数增长的典型动态过程，在这种情况下，依靠多余的能量，泡泡从真空中提取填满它的其他标量粒子，而这些粒子又进一步增强了剧烈的外推。这种场被困在坑里后，就用一种能产生巨大压力的东西填满空间，这种压力不像物质和能量的压力那样是正的，而是像爱因斯坦用宇宙学常数引入的真空能那样，是负的。

这位伟大的科学家需要的是一种较弱的排斥力来抵消由质量和能量提供的吸引力，而且其真空能是恒定的：这种场会永远保持固定形态。而古斯假设的原始场却具有很强的动力。就像在童话故事里，王子的吻打断了美少女的睡眠，不过是在短短一瞬间，一个不可思议的咒语就诞生了。

这种隐秘的觉醒，将场封在了假真空中一瞬间，于是产生了一种会随时间显著变化的排斥力，这个力在场被封住的时段内大得惊人，而一旦退出假真空态，它就会迅速下降。这就是艾伦·古斯提出的反引力，说是它引发了宇宙最初的剧烈扩张，而它比宇宙学常数大一百个数量级。正是这种非同寻常的负压，让一切都以骇人的速度膨胀。宇宙大爆炸就是这么来的。

在一段微小的时间间隔内，那个不足一个质子十亿分之一的无穷小物体经历了持续不断且速度疯狂的指数增长。转瞬间，它变成了一个宏观物体。在走出这个发疯似的阶段时，它已经和足球大小相当，并且已经包含了在未来百亿年的演化中所需的所有物质和能量。

《宇宙的奇迹》

在短到荒谬的一瞬间里，这个微不足道的物体，已经以远超光速的速度，膨胀了几十个数量级。“一切都不能超光速运动”这条相对论施加的限制，对一切在空间之内运动的物体都成立，但它不适用于在真空中膨胀的空间本身，或者更准确地说是真空在转化为空间。

创生了宇宙的量子涨落会继续产生类似的量子涨落，后者很快把宇宙从身陷其中的坑洞中解放出来，让它回归正确的道路，使其奔向“真真空”的状态。宇宙在一瞬间就实现了这些。

为了给这种新现象命名，古斯将使用“宇宙暴胀”（in flazione cosmica）一词。”

暴胀理论同时也很好的解释了我们上文提到的“平坦性”问题和“视界问题”，我们今天看到的平坦时空，是因为任何微小的弯曲都会被暴胀拉伸。而对于“视界问题”，它则被这样解释：“宇宙中相去甚远的部分似乎从未有机会相互接触，进而也没有机会将彼此的物理特性同步起来；但其实，这些部分在一开始就有接触，是暴胀导致的空间急速扩张，让它们现在看起来彼此相距甚远，像不曾有过任何因果联系似的。”

看到这里，你或许被说服了，认为“暴胀理论”就是关于宇宙开端的最终秘密，但物理学的迷人之处就在于它的严谨和周密，暴胀理论虽然能帮助我们解决宇宙学中的一些难题，但仍有部分宇宙学家并不赞同这个理论，在这个理论中仍然有一些细微的问题没有得到解决。

《星际穿越》

也正是在对暴胀理论的疑问和反思中，不少科学家提出了不同的理论模型，比如霍金的长期搭档罗杰·彭罗斯，他认为宇宙经历着无限系列的世代，每个世代都始于一个类似于大爆炸的阶段 ；在每轮循环结束时，甚至在黑洞蒸发以后，剩下的只有热辐射，而彭罗斯推测，这种辐射就类似于大爆炸刚刚发生之后，充斥整个宇宙的高能辐射。我们在文章开头提到的“永恒暴胀”与“多重宇宙”则是另一种推测。或许会有一天，关于“多重宇宙”的猜想会被证实，而在这之前，关于宇宙，关于物理学，还留给我们无限的可能性等待着我们探索。

这是一本关于物理“学”本身及物理学史的基础读物，借管窥物理学的方法论、大范围尺度、重要概念、问题、理论系统及学科发展等，廓清了现代物理学的三大支柱：相对论、热力学、量子力学，清晰简明地为读者介绍了现代物理学的全貌，以及何谓科学精神 ：怀疑与自我怀疑，诚实面对证据和真理。

作者以诗意的笔触，结合学界的前沿发现，为读者介绍宇宙、地球及生命的起源，并将宇宙演进史划分为的七个重大时段，即“创世七日”：宇宙大爆炸和暴胀、物质与反物质的对称被打破（起作用的可能是希格斯子）、质子诞生、光与物质分离、第壹批恒星诞生、星系及星系团等大型秩序结构聚成，以及太阳系、地球、生命等复制形式的涌现。这一切都起于真空，但真空并不“空”……

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