物理宇宙（一）

平行宇宙能有几多种

自1915年爱因斯坦发表广义相对论的论文，以一种优美的几何语言彻底革新了人们对引力的理解后，陆陆续续的，支持广义相对论的证据很快就出现了。

最早的证据是爱因斯坦用自己的新方程重新计算了水星的运动轨道，成功解释了牛顿的数学公式所预言的水星运动轨道的偏差。

最著名的证据是，上世纪七十年代，实验物理学家用氢原子钟证实了地球周围的时空发生了弯曲。

为当代人所熟知的，最近的观测证据是2017年引力波的发现和2019年黑洞照片的面世。

这些实验或者观测证据，都能完美的证明广义相对论的成功。

因此谈及平行宇宙，虽然这是一种目前还处于数学计算中的理论，但仍然大可以憧憬一下广义相对论跟量子论略做演绎，推导出来的一种最简单的平行宇宙模式。

在布莱恩·格林的《隐藏的现实》一书中，这种平行宇宙被称为“碎布缝制的平行宇宙”。

如果翻译的更为确切点，可以叫做“百衲被平行宇宙”。

百衲被就是那种用多种不同色泽不同形状的布块拼接缝制而成的一种薄被。

为什么叫做百衲被平行宇宙呢？

首先从“宇宙”这个词说起，这样一个词应该已经将万事万物囊括在里面，没有什么物质或者能量或者其他形式的玩意儿不在宇宙之中，然而随着科学的发展，“宇宙”这个词降级了，因为经过基础宇宙学的推论得出——宇宙之外还有其他宇宙。

于是就有了诸如“平行宇宙”、“多重宇宙”、“虚拟宇宙”等等词汇。

思考宇宙的时候，最能令人思绪飘渺的问题就是——宇宙到底是有限的还是无限的？

物理学家和宇宙学家都倾向于无限宇宙的想法。

如果我们生活在一个无限大的宇宙，稍微想想，就会发现自己生活在一个拥有无穷多的平行世界中。

大爆炸宇宙学认为目前的宇宙最初是由一个密度质量无穷小的奇点爆炸膨胀而来。

这个爆炸大概发生在距今138亿年前，爆炸最初的空间膨胀速度远远超过光速，此后宇宙一直在膨胀，直到今天。

在一个无穷大的宇宙中，大部分地方我们都看不见，即使用最强大的望远镜也不行。

尽管光的传播速度已经很快了，但如果一个东西离我们特别远，那么它发出的光都没有足够时间传到我们这里。

宇宙的年龄大概是138亿年，所以任何距离超过410亿光年左右的宇宙空间都是我们无法观测的处女地。

超过这个距离的天体，在天文学家看来，它就位于我们的宇宙视界之外。

宇宙视界并不只是某人能看到的和不能看到的事物之间的分界线。

根据爱因斯坦的狭义相对论，任何信号，任何扰动，任何信息，一切事物的传播速度都不会超过光速。

如果光都来不及在宇宙中不同地方传播，那么这些地方就不曾以任何方式影响过彼此，所以它们的演化完全是独立进行的。

前面说宇宙可能是无限的，在这种宇宙中，完全可以存在无穷多个我们目前观测不到、演化独立进行的、宇宙视界之外的平行宇宙。

问题来了，其他平行宇宙里面是一种什么样的景象呢？

因为都是同一个奇点爆炸而来的，所以里面的粒子及各种规律应该都是一样的。

我们这个宇宙，跟宇宙视界之外的平行宇宙有啥不同呢？

不同的地方，在于宇宙中的各种物质和辐射的粒子的排列方式。

物质和辐射的粒子越多，产生的排列方式就越多。

就像随机排列136张的麻将牌和54张的扑克牌，麻将牌的排列方式显然比扑克牌多得多。

麻将和扑克的牌数当然是有限的，那么宇宙中各种物质和辐射的粒子是有限的吗？

粒子都有能量，所以粒子越多，能量就越多。

如果一片空间区域中包含的能量太多，它就会被自己的重量压垮，坍缩成一个黑洞。

黑洞形成后，如果你还要往里填入物质和能量的话，黑洞的边界就会变大，占据更大范围的空间

因此，给定大小的空间区域所能容纳的物质和能量也存在一个极限。

我们目前能观测到最远的宇宙的边界称为宇宙视界，我们就生活在宇宙视界之中，这是一块有限的空间区域，所以它里面的物质和能量也存在一个极限。

宇宙视界中有限的能量只能包含有限数目的粒子，比如电子、质子、中子、中微子、光子，抑或是任何其他已知的或未知的粒子。

根据量子力学里的不确定性原理，宇宙视界中有限的能量，也要求其中每一个粒子的位置和速度的可能取值是有限的。

既然粒子的数量有限，其中每个粒子的位置和速度的可能取值也有限，那么这样合起来，粒子间的可能排列方式也是有限的。

在一个无限大的“总宇宙”中，有无限多的宇宙视界，宇宙视界里的粒子的排列方式有限，必然会出现重复排列的粒子。

麻将牌和扑克牌的数目有限，排序方式也有限，一直将它们洗牌，只要次数够多，牌的排序方式必然会有重复的。

回到“百衲被”这个词，把宇宙视界比作“百衲被”上的各种碎布，每一块碎布就是一个平行宇宙。

这些“碎布宇宙”距离太遥远，以至于它们没有任何信息或干扰能传到，互相独立发展。

在无限大的宇宙里，有无数块“碎布”，“碎布”中的粒子排列方式一定被复制了无穷多次，如果我们所熟知的粒子排列方式在另一块“碎布”（宇宙视界）中复现，那块“碎布”就和我们这块看起来一样，感觉上也一样。

最后得出了个普适的结论：在一个无限宽广的宇宙中，无论何时，空间中都存在无数个独立的世界——它们组成了“百衲被平行宇宙”。

懂了“百衲被平行宇宙”之后，再深入思考下，会发现以下几个问题：

会不会是整个宇宙都充满粒子的假设错了呢？

或许我们的宇宙视界之外是一望无际的虚空？

会不会在我们的宇宙视界之外，物理学定律发生了改变，于是我们对这些遥远世界进行的理论分析就不靠谱了？

宇宙的空间会不会是有限的？

首先，第一个问题，如果了解了另外一种最精妙的宇宙学理论——弦理论，就会发现那个问题根本不存在。

其次，最近的进展表明，物理规律的确是可以变化的，但这种变化不会推翻关于“百衲被平行宇宙”的结论。

最后，宇宙不是有限的，它是无限大的。

在暴胀宇宙学的理论框架里，宇宙无限大是一个必然成立的结论。

此外，暴胀理论也催生出了另一套更加神奇的平行宇宙模式。

每当我们谈到宇宙，总会避免不了一个问题：宇宙是怎么来的？

某些同学肯定会不假思索的回答：宇宙起源于一场大爆炸。

再接着问下去，为什么是大爆炸？

有什么证据吗？

那些在这方面稍微了解的少点的同学就不清楚了。

宇宙微波背景辐射是大爆炸宇宙学的决定性证据之一。

20世纪早期的物理学家伽莫夫首先发现了一点：假如大爆炸理论是对的，那空间之中应该到处都有宇宙创生时期残余光子，经过时间的推移，它们的振动频率随着宇宙的膨胀和冷却而变化。

阿尔伯和罗伯特·赫尔曼又详细计算一番，光子的温度应该降到了绝对零度的附近，而它们的频率也就位于微波的频率范围。

没过多久，宇宙微波背景辐射就被贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了。

他们并不是有心专门去寻找这种“大爆炸的回响”，而是在架一台无线电通信天线时，无论他们怎么调整天线，结果都会嘶嘶作响，他们以为是设备坏了。

后来无意从一位麻省理工的朋友口中得知了宇宙微波背景辐射的事，因此他们随即确认了那就是“大爆炸的遗物”，然后就获得了诺贝尔奖。

大部分90后应该都经历过老式电视机的时代，如果调到一个没有信号的台，会看到满屏幕的雪花，在这些雪花中，有百分之一左右来自大爆炸光子携带的信息。

所以有些人可能已经无意中跟大爆炸后的古老光子打过照面了。

计算的结果表明，在如今每立方米空间中，都有约4亿个宇宙微波背景光子匆匆而过。

用人类建造的最精密的天文仪器对这些宇宙微波光子进行精细的测量，会发现整个空间中的辐射完全是均匀的。

无论让探测器指向哪儿，辐射的温度都是绝对零度之上的2.725k。

为什么会有这么均匀的辐射出现呢？

打个比方，你跟你对象，商量好在成都的街头碰面，然后牵手散步，走到玉林路的尽头。

你们牵手之前，你的手是冷的，她的手是热的，你们慢悠悠地走着，等你们坐在路尽头的小酒馆门口时，你俩儿的手温度肯定是差不多了。

当物体相互接触时，热量会从温度高的地方流向温度低的地方，直到两者温度相等。

你在小酒馆里点了一杯温热的茶，最后茶的温度也会跟房间温度一致。

这种类似的理由可以解释宇宙中出现的如此均匀的微波辐射吗？

答案是不能。

为了让不同地方、不同物体的温度达到一致，最重要的是接触，不管是直接接触和间接接触，然而宇宙是如此的广阔无垠，肯定有区域是完全没有接触过的，从一个遥远的地方到另一个遥远的地方，连光都要跑很久很久，而光速是一切事物的速度上限，位于彼此的宇宙视界之外的两块地方上的观测者是不可能有什么方面的接触的。

那怎么解释呢？

有一点不能忽略了，速度不能超过光速仅仅是指物体在空间中的运动速度，那如果是空间本身在运动呢？

根据多普勒效应，星系之间在相互退行，而这个退行就不是说星系尾巴后面有什么引擎在推着它们运动，是空间本身在膨胀。

爱因斯坦可没说过空间膨胀有什么速度限制，空间膨胀的速度可以远远的超过光速。

广义相对论的计算就表明了这一点，在宇宙最初的那一刻，空间膨胀速度是如此之快，以至于其中不同区域相互远离的速度超过了光速。

嗬！好家伙！说了这么多，空间膨胀的这么快，那些区域不还是无法互相影响？

问题当然没有解决，知道了空间膨胀后，问题变成了：相互独立的宇宙区域之间，为什么能建立几乎完全一样的温度？

宇宙学家称这个问题叫“视界问题”。

视界问题冲击了标准的大爆炸理论，因为空间的不同区域分离太快，不足以建立起热平衡。

那么这是不是意味着大爆炸理论错误了呢？

并不是，后来有一个叫“暴胀理论”的家伙横空出世，它站出来说：“嗨咯！宇宙的确是大爆炸产生的，但是爆炸开始之时呢，空间不是突然的爆开膨胀了，而是有个缓慢开始的过程，今天看了很遥远的两块区域在宇宙极早期是靠近的，在空间极速膨胀之前，不同区域已经建立了共同的温度，后面为了补偿缓慢的开端，宇宙就经历了一场短暂的爆发性的快速膨胀，而且越来越快，迅速将不同区域拖到了非常遥远的地方。”

这个短暂的爆发性的快速膨胀，就叫做暴胀。

这时，很多同学就要发表言论了：有一说一，为啥会产生空间的爆发性的快速膨胀啊？

科学家说快速膨胀就快速膨胀？

光止步于此是令很多人不能够信服的，所以还得讲清楚这种快速膨胀—暴胀—的机制。

这个还得从爱因斯坦说起，当初这位大佬想弄一个静态宇宙模型，他觉得整个宇宙是安静的，不会收缩也不会膨胀，但算来算去啊，他发现这个静态宇宙跟他自己的广义相对论有矛盾，原因是他没有考虑进一个叫“依附于空间结构本身的能量额度”的东西。

依附于空间结构本身的能量额度是时空内部的一个特殊引力属性。

就像每立方米的水中，含有一定数额的能量，这个数值跟水温有关，每立方米的空间也包含一定数额的能量。

这个“依附于空间结构本身的能量额度”又被爱因斯坦称为宇宙学常数。

如果“空间结构的能量额度”是一个大于零的数，那么就会发现空间的每个角落都会相互推离，然后就出现一个让人第一眼看上去有些不可思议的概念——排斥性引力。

假使牛顿看到这个词，估计也会晕头转向，排斥性引力？

这什么鬼，引力不是物体之间互相吸引的吗？

别忘了，广义相对论中的引力跟牛顿物理学中的引力有本质的不同。

在牛顿的理论中，能产生引力的只有物体的质量，质量越大，物体产生的引力就越大。

在爱因斯坦的理论中，引力不仅源于物体的质量，还源于它的能量和压强。

根据质能方程，质量和能量可以互相转化，所以能量跟引力的关系不言而喻，比较难以想象的是压强也跟引力有关系。

举个例子，称一称密封包装的薯条，然后挤一挤包装袋，增加袋里空气的压强，再称一下。

这两次称重在牛顿看来是一样的重量，但在爱因斯坦看来，是挤过的包装袋更重，虽然质量没有变化，压强却变大了。

因为在挤包装袋的时候就已经增加了它的能量，能量也会引起引力的弯曲，再者，压强增加亦会导致重量增加。

在日常生活中，这个效应极其微弱，但广义相对论的实验已经证明了压强对引力的贡献。

无论是在密封的塑料袋里，还是在你玩手机的房间里，空气的压强都是正的，就像质量是正的，对引力的贡献也是正的，所以这个正的压强，产生的是吸引性引力。

质量总都是正的，但压强可不一定，比如一条拉长的橡皮筋。

橡皮筋里的变了形的分子产生向内的拉力，而不是向外的推力，物理学家叫做负压。

正压产生吸引性引力，相对应的，负压就产生排斥性引力。

有同学会觉得，你唬我呢？

负压会向内拉，这不是跟排斥性（向外推）的引力相矛盾吗？

实际上，均匀的压强，不管符号正负，都没有推拉的效果，只有两侧压强不均匀、一边高一边低时，才会有那种推拉的视觉效果。

这里说的排斥性推力是指均匀的压强产生的引力。

那么新的问题又来了，由于负压，引力可以产生排斥作用，但这种散布在空间中的负压究竟是什么呢？

把拉长的橡皮产生向内拉力当做负压的例子是一回事，一百多亿年前，就在大爆炸发生的时刻，空间中暂时充满了大量均匀的负压又是另外一回事。

什么样的机制，可以产生这种转瞬即逝又无处不在的负压？

这种机制跟量子场有关。

上面讲了这么多，铺垫了这么久，至关重要的细节终于来了，产生暴胀的机制是暴胀多重宇宙的核心。

“场”这种概念，先从磁场说起，拿出一块强磁铁，稍稍靠近桌面上的回形针，回形针就会跳起来吸附在强磁铁上，这就是磁场，我们看不见、听不到、感受不到磁场的存在，但这只不过反映了我们的生理缺陷。

磁场只不过是场的一种，带电粒子产生另一种场：电场。

物理学家将场的概念和量子力学结合起来，得到了新的理论——量子场论。

除上述场，还有一整套其他的场：强核力场、弱核力场、电子场、夸克场、中微子场等等。

于是天才的物理学家中灵活运用，设想了一种理论上成立的场，叫做暴胀场。

量子场论有个方程，可以证明，给某个地方的量子场取值，就能算出某个地方包含多少能量。

场的取值可以随着地点的不同而不断变化，如果场的取值恒定，每个地方都一样，那它在空间每一点都有等额的能量。

如果有一个场（比如暴胀场）在空间中均匀分布，它不但在向空间中注入均匀的能量，也会产生负压。

前面说了，负压就会产生排斥性引力。

排斥性引力导致空间膨胀速率越来越快。

场的取值一般会改变，打开微波炉就改变了炉内的电磁场，按下核磁共振成像仪的开关，也会改变机器内的电磁场。

暴胀场也有相似的特点，想暴胀就打开，然后再关上，这就使得排斥性引力只能在某个短暂的时间窗口发生作用。

天文学观测表明：100多亿年前空间发生过急剧的膨胀，而后突然停止，转为较为缓慢的膨胀——受到天文测量精确数据支持的膨胀。

可是为什么暴胀场有这种开关机制呢？

先打个比方，如果小明站在珠穆朗玛峰顶上，物理学家会说，这个家伙携带很高的势能，只要他一个跟头滚下去，势能就会转化为动能。

有个物理定律很精确，一个蕴含势能的系统会利用一切机会把能量释放出来。

一个取值不为零的场也携带势能，这种能量也可以释放出来。

场的取值越大，蕴含的势能也就越大。

在纸上画出一幅图，横坐标是场的取值，越往右越大，纵坐标是能量，越往上越大。

坐标系里有一条由陡变缓的曲线，这就表达了场的取值与暴胀场所包含的能量的关系。

在宇宙最初的那一刻，暴胀场均匀的充满空间，它的数值使它高高的位于势能曲线上。

暴胀场的取值很高，就会向空间输入很高的势能和很强的负压，引发暴胀的爆发。

当场的取值变小时，它所蕴含的能量和负压就会烟消云散，导致急剧膨胀的终结。

请注意，暴胀场释放的能量并没有真就消失了，而是由能量转变成粒子，结果导致一片广袤而均匀的空间，其中充满了诸如恒星和星系之类的常见结构的原材料。

回到最初的问题，为什么宇宙微波背景辐射是均匀的？

因为可见宇宙对应的原始空间被极速的膨胀扩大成广袤的宇宙之前，它们的尺度都非常小，相互之间很容易建立起均匀的温度，爆炸式的膨胀以及100多亿年间的宇宙演化，导致这个温度大幅度下降，但早先的均匀性一直保留下来。

最后，再来一个关键问题，说完这个，咱们就可以见识下暴胀的平行宇宙是怎样的了。

这个关键就是——暴胀场也受到量子不确定性的制约，暴胀场的取值存在随机的量子抖动，这里的取值瞬间增大，那里的取值瞬间减小。

暴胀场的能量越大，量子不确定性引起的涨落就越剧烈。

能量越大，空间膨胀的就越快，而就像通过拔瓶塞增加瓶内空间来增加瓶内能量一样，空间膨胀的越快，又会导致暴胀场的取值抖动的越剧烈。

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