永恒暴胀，多重宇宙和量子的不确定性

——《宇宙之书》读书笔记7

文：郑娟娟

图片：对多重宇宙的艺术想象，一个泡泡代表一个宇宙。

《宇宙之书》开篇介绍宇宙学的时候，曾提到在相当长一段时间内，宇宙学都被认为就像是玄学，只有那些研究生涯走到尽头的人才会研究宇宙学。直到爱因斯坦提出广义相对论并被用来解答很多有关宇宙的问题之后，宇宙学才开始真正焕发光彩。科学界逐渐认真对待宇宙学，很多物理学家、天文学家、数学家都会加入研究宇宙学的队伍中，宇宙学不再与玄学挂钩。

随着粒子物理学的发展，尤其是在弦理论以至于“M-理论”提出之后，“多重宇宙”（multiverse）这个词越来越多地进入人们的视野，但在略微了解多重宇宙的可能图景之后，很多人又开始摇摇头，大部分表示难以置信，一些表示“研究这些到底有什么用？”“离我们的现实太远”，一些表示根本不相信。宇宙学似乎又进入了“玄学”的领域。

在这个连最强大的计算机都无法计算下去的时刻，我们不得不承认，人类对于宇宙的认知进入了一个新领域，我们或许找到了这个新领域的大门，可是由于能力所限，只摸到了钥匙孔，于是我们可以透过钥匙孔那一丁点的缝隙窥见门内射出来的光，至于里面到底是什么样，真不好说。

接下来我们随着巴罗教授《宇宙之书》的介绍，简单了解一下这个神秘的大门。

一、暴胀（inflation）

宇宙大爆炸和暴胀理论是多重宇宙理论的基石之一。暴胀宇宙学认为，宇宙的初始状态非常可能是混沌不堪、一团乱麻的，如果其中有一小片区域开始暴胀，体积就会迅速增大，空间就会变得更加光滑、具有各向同性，最后将其他暴胀区域挤到视界之外。

但是，这一片暴胀的区域不会是绝对光滑的，其中必然存在着极为微弱的统计涨落和量子涨落，这些涨落通过暴胀被放大，随着时间的推移，这些最初的涨落最终会变成我们今天观察到的宇宙尺度的密度变化——例如星系。（注：见书P237-238）

暴胀理论还预言，暴胀会导致宇宙微波背景辐射的温度谱上出现一种特定的与角度相关的变化。为了印证暴胀理论是否正确，宇宙学家们开始通过观测仪器寻找证据，美国航天局先后发射了两颗人造卫星——宇宙背景探测者（COBE）和威尔金森各向异性探测器（WMAP），用来探测宇宙背景辐射是否存在这种特殊的印记。

探测的结果大大支持了暴胀理论，但在趋近仪器灵敏度的极限时，观测结果的不确定度就增大了，也就是说，只有更灵敏的探测器，获得更完整更精确的辐射信号之后，科学家们才能更好地确定，宇宙是否真的发生过暴胀。（注：详见书P238-240）

二、永恒暴胀

描述宇宙早期行为的暴胀理论，除了解释我们可观察到的宇宙，还有2个不同寻常的推论。

该理论提出，早期宇宙经历过一次短暂的加速膨胀，我们现在可见的宇宙，就是由早期宇宙某个不起眼的角落膨胀而成的，这个角落必须足够小，以使光线和其他物理机制来得及将它“熨平”。

那么随之而来的问题就是，这个小角落旁边的空间后来怎样了呢？

推论1：甚早期宇宙每一个这样的“角落”都可能经历大同小异的暴胀，各自变得巨大而均匀，但最终和我们所在的这部分宇宙的性质并不相同。我们所在的局部宇宙并不能体现整个（也可能是无穷大）宇宙的性质。（注：见书P241）

推论2：暴胀的宇宙会自我繁殖。一次暴胀会诱发更多的暴胀，子子孙孙无穷匮也。一个形象的比喻，我们的小宇宙就像一个暴胀的泡泡，它可能存在一个开端，但整个多重宇宙就像无数个泡泡，没有任何开端，也不会有任何终点。（注：见书P241-244）

三、多重宇宙

如果暴胀理论被更多的证据证明是正确的话，我们就必须认真对待这个理论所带来的看似必然的结论：我们只是生活在无穷复杂的一堆膨胀“泡泡”的其中一个，每个泡泡的结构可能千差万别，统治它们的自然法则可能也不尽相同。我们得认真面对极有可能存在的“多重宇宙”。

对于多重宇宙来说，每一个泡泡可能具有属于自己的物理定律，这些定律互不相同，但可以自洽，其中的相互作用数目可以不同，时间空间的维度可以不同，还有很多其他的性质都可以不同。每一个宇宙泡泡的性质都存在着随机性。而我们所在的这个宇宙的各种性质，现在看来是随机产生的结果。

从某种角度来看，这种随机性正是宇宙的重要特点之一。在极早期的宇宙，爱因斯坦的相对论失效了，粒子物理学在这个领域却显得十分重要。依据现有的量子物理知识，我们可以知道，在极早期宇宙，所有随机事件都源自于量子的不确定性（感兴趣的朋友可以了解一下海森堡的不确定性原理，量子理论的核心所在），我们只能预测这种事件发生的概率。

物质和能量的本质是量子的，有一种与生俱来的不确定性，这就是随机性的根源。收集再多的信息也无法消除这种随机性，两个完全相同的起因并不能得出一样的量子结果。（注：见书P254，关于量子物理的科普知识，推荐几本我觉得还不错的书：《量子宇宙》、《宇宙的琴弦》、《宇宙的结构》）

甚早期宇宙中发生的随机事件波及遥远的未来，于是我们发现，密度微小的涨落最终形成了巨大的星系团，而它们也都起源于宇宙暴胀时的量子不确定性和量子随机性。

量子的不确定性也告诉我们，如果我们想预测永恒暴胀宇宙中的事件进程，我们应该只能用概率论的语言来描述。

未完待续……

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