永恆暴脹，多重宇宙和量子的不確定性

——《宇宙之書》讀書筆記7

文：鄭娟娟

《宇宙之書》開篇介紹宇宙學的時候，曾提到在相當長一段時間內，宇宙學都被認為就像是玄學，只有那些研究生涯走到盡頭的人才會研究宇宙學。直到愛因斯坦提出廣義相對論並被用來解答很多有關宇宙的問題之後，宇宙學才開始真正煥發光彩。科學界逐漸認真對待宇宙學，很多物理學家、天文學家、數學家都會加入研究宇宙學的隊伍中，宇宙學不再與玄學掛鉤。

隨著粒子物理學的發展，尤其是在弦理論以至於「M-理論」提出之後，「多重宇宙」（multiverse）這個詞越來越多地進入人們的視野，但在略微了解多重宇宙的可能圖景之後，很多人又開始搖搖頭，大部分表示難以置信，一些表示「研究這些到底有什麼用？」「離我們的現實太遠」，一些表示根本不相信。宇宙學似乎又進入了「玄學」的領域。

在這個連最強大的計算機都無法計算下去的時刻，我們不得不承認，人類對於宇宙的認知進入了一個新領域，我們或許找到了這個新領域的大門，可是由於能力所限，只摸到了鑰匙孔，於是我們可以透過鑰匙孔那一丁點的縫隙窺見門內射出來的光，至於裡面到底是什麼樣，真不好說。

接下來我們隨著巴羅教授《宇宙之書》的介紹，簡單了解一下這個神秘的大門。

一、暴脹（inflation）

宇宙大爆炸和暴脹理論是多重宇宙理論的基石之一。暴脹宇宙學認為，宇宙的初始狀態非常可能是混沌不堪、一團亂麻的，如果其中有一小片區域開始暴脹，體積就會迅速增大，空間就會變得更加光滑、具有各向同性，最後將其他暴脹區域擠到視界之外。

但是，這一片暴脹的區域不會是絕對光滑的，其中必然存在著極為微弱的統計漲落和量子漲落，這些漲落通過暴脹被放大，隨著時間的推移，這些最初的漲落最終會變成我們今天觀察到的宇宙尺度的密度變化——例如星系。（註：見書P237-238）

暴脹理論還預言，暴脹會導致宇宙微波背景輻射的溫度譜上出現一種特定的與角度相關的變化。為了印證暴脹理論是否正確，宇宙學家們開始通過觀測儀器尋找證據，美國航天局先後發射了兩顆人造衛星——宇宙背景探測者（COBE）和威爾金森各向異性探測器（WMAP），用來探測宇宙背景輻射是否存在這種特殊的印記。

探測的結果大大支持了暴脹理論，但在趨近儀器靈敏度的極限時，觀測結果的不確定度就增大了，也就是說，只有更靈敏的探測器，獲得更完整更精確的輻射信號之後，科學家們才能更好地確定，宇宙是否真的發生過暴脹。（註：詳見書P238-240）

二、永恆暴脹

描述宇宙早期行為的暴脹理論，除了解釋我們可觀察到的宇宙，還有2個不同尋常的推論。

該理論提出，早期宇宙經歷過一次短暫的加速膨脹，我們現在可見的宇宙，就是由早期宇宙某個不起眼的角落膨脹而成的，這個角落必須足夠小，以使光線和其他物理機制來得及將它「熨平」。

那麼隨之而來的問題就是，這個小角落旁邊的空間後來怎樣了呢？

推論1：甚早期宇宙每一個這樣的「角落」都可能經歷大同小異的暴脹，各自變得巨大而均勻，但最終和我們所在的這部分宇宙的性質並不相同。我們所在的局部宇宙並不能體現整個（也可能是無窮大）宇宙的性質。（註：見書P241）

推論2：暴脹的宇宙會自我繁殖。一次暴脹會誘發更多的暴脹，子子孫孫無窮匱也。一個形象的比喻，我們的小宇宙就像一個暴脹的泡泡，它可能存在一個開端，但整個多重宇宙就像無數個泡泡，沒有任何開端，也不會有任何終點。（註：見書P241-244）

三、多重宇宙

如果暴脹理論被更多的證據證明是正確的話，我們就必須認真對待這個理論所帶來的看似必然的結論：我們只是生活在無窮複雜的一堆膨脹「泡泡」的其中一個，每個泡泡的結構可能千差萬別，統治它們的自然法則可能也不盡相同。我們得認真面對極有可能存在的「多重宇宙」。

對於多重宇宙來說，每一個泡泡可能具有屬於自己的物理定律，這些定律互不相同，但可以自洽，其中的相互作用數目可以不同，時間空間的維度可以不同，還有很多其他的性質都可以不同。每一個宇宙泡泡的性質都存在著隨機性。而我們所在的這個宇宙的各種性質，現在看來是隨機產生的結果。

從某種角度來看，這種隨機性正是宇宙的重要特點之一。在極早期的宇宙，愛因斯坦的相對論失效了，粒子物理學在這個領域卻顯得十分重要。依據現有的量子物理知識，我們可以知道，在極早期宇宙，所有隨機事件都源自於量子的不確定性（感興趣的朋友可以了解一下海森堡的不確定性原理，量子理論的核心所在），我們只能預測這種事件發生的概率。

物質和能量的本質是量子的，有一種與生俱來的不確定性，這就是隨機性的根源。收集再多的信息也無法消除這種隨機性，兩個完全相同的起因並不能得出一樣的量子結果。（註：見書P254，關於量子物理的科普知識，推薦幾本我覺得還不錯的書：《量子宇宙》、《宇宙的琴弦》、《宇宙的結構》）

甚早期宇宙中發生的隨機事件波及遙遠的未來，於是我們發現，密度微小的漲落最終形成了巨大的星系團，而它們也都起源於宇宙暴脹時的量子不確定性和量子隨機性。

量子的不確定性也告訴我們，如果我們想預測永恆暴脹宇宙中的事件進程，我們應該只能用概率論的語言來描述。

未完待續……

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