當我們今天觀察宇宙時，我們同時關(guān)注關(guān)于宇宙本身的兩個故事。第一個故事講述了今天的宇宙是什么樣子，包括其中所有的恒星和星系，它們是如何聚集在一起的，它們是如何運動的，以及它們是由什么組成的。這是一個相對簡單的故事，是我們從對宇宙的觀察中得知的。

另一個故事講述了宇宙如何變成今天的樣子，還有更多的謎團需要解開。當然，我們可以觀察很遠的距離的物體，以了解遙遠的過去的宇宙是什么樣子：我們現(xiàn)在接收到的光來自它第一次發(fā)射時。但我們需要將這些觀察結(jié)果與宇宙理論、大爆炸框架內(nèi)的物理定律結(jié)合起來，以解釋過去發(fā)生的事情。在這個過程中，我們會看到一些令人驚訝的證據(jù)，表明大爆炸后很短的時間內(nèi)存在一個階段：宇宙膨脹。為了使暴脹理論適合我們觀察到的宇宙，一些人添加了一個令人不安的補充：多元宇宙。接下來，讓我們看看為什么物理學家絕大多數(shù)相信多元宇宙可能存在。

早在20世紀20年代，研究人員就發(fā)現(xiàn)了壓倒性的證據(jù)，表明天空中大量的螺旋形和橢圓形物體實際上就是星系本身，而且這些星系之間的距離越來越遠。光以有序的方式轉(zhuǎn)移到更長的波長。起初，物理學家提出了各種解釋，但找不到更有力的證據(jù)。最終被廣泛接受的一種解釋是，宇宙本身就像一塊發(fā)酵的葡萄干面包一樣膨脹，而宇宙中的物體，包括星系，就像葡萄干一樣，隨著宇宙（面團）的膨脹而遠離。

膨脹宇宙的“葡萄干面包”模型，其中星系（葡萄干）的相對距離隨著空間（面團）的膨脹而增加。任何兩個星系相距越遠，接收到光線時觀察到的紅移就越大。膨脹宇宙所預(yù)測的紅移-距離關(guān)系已被觀測所證實，并且與20 年代以來已知的情況一致。

如果宇宙今天仍在膨脹，并且其中的輻射正在向更長的波長和更低的能量轉(zhuǎn)移，那么過去的宇宙一定更小、更致密，也更均勻、更熱。只要這個膨脹的宇宙中存在任意數(shù)量的物質(zhì)和輻射，大爆炸理論就可以推出三個明確且普遍的預(yù)測：

(1) 一個巨大的宇宙網(wǎng)，星系在其中隨著時間的推移而生長、演化和聚集；

（2）中性原子在炎熱的早期宇宙中首次形成時留下的低能黑體輻射背景；

（3）最輕元素——氫、氦、鋰及其各種同位素——的具體比例。這些元素甚至存在于恒星尚未形成的區(qū)域。

這三個預(yù)言都被觀測所證實，大爆炸理論成為宇宙起源最主流的理論，而其他理論則被拋棄。然而，大爆炸只是描述了宇宙早期的樣子，并沒有解釋為什么宇宙具有它所具有的性質(zhì)。在物理學中，如果你知道一個系統(tǒng)的初始條件及其遵循的規(guī)則，你就可以非常準確地預(yù)測它在未來將如何演化，直到計算能力的極限和系統(tǒng)固有的不確定性。

隨著宇宙加速膨脹而形成的結(jié)構(gòu)模擬片段，顯示了富含暗物質(zhì)的宇宙數(shù)十億年的引力增長。注意，纖維結(jié)構(gòu)和在纖維——的交叉處形成的較大星團——主要由暗物質(zhì)產(chǎn)生，常規(guī)物質(zhì)僅起很小的作用。

那么，大爆炸開始時需要什么初始條件才能形成今天的宇宙呢？根據(jù)科學家目前的研究結(jié)果，答案可能有點出人意料：

(1) 必須有一個明顯低于普朗克標度的最高溫度（至少約1000倍）；在粒子物理學和物理宇宙學中，普朗克尺度是指大約1.2210^19GeV的能量尺度，在這個尺度上，引力變得和其他基本力一樣強大，物理定律被打破。

（2）宇宙誕生時，各尺度的密度漲落大致相同。

(3)膨脹率和物質(zhì)能量總密度必須達到近乎完美的平衡：至少30位有效數(shù)字。

（4）位于——位置的所有宇宙，即使是不相關(guān)的——位置，也一定是在相同的初始條件下誕生的，包括相同的溫度、密度和波譜。

(5)宇宙誕生時的熵一定比現(xiàn)在低得多，低了數(shù)萬億倍。

如果這三個不同的空間區(qū)域從來沒有時間相互加熱、共享信息或傳輸信號，那么為什么它們的溫度都相同？這是關(guān)于大爆炸初始條件的問題之一；這些區(qū)域是如何達到相同溫度的，或者它們本來就是這樣的？

簡而言之，與初始條件相關(guān)的問題基本上會問：為什么這個系統(tǒng)會以這種方式開始？我們只有兩個選擇。一種是求助于不可知的事物，說它就是這樣，因為這是它存在的唯一方式，我們無法進一步理解它。二是尋找機制，建立并創(chuàng)造制度啟動的必要條件。物理學家將第二種選擇稱為“訴諸動力學”。換句話說，我們嘗試設(shè)計一種機制來實現(xiàn)三個重要目標：

(1) 它必須重現(xiàn)其試圖取代的模型（在本例中為大爆炸理論）所取得的每一項成功。換句話說，大爆炸理論成功的每一個基石都必須融入到這個新機制中。

（2）它必須解釋大爆炸無法解釋的事情：宇宙開始時的初始條件。這些問題在大爆炸理論的框架內(nèi)仍然無法解釋，必須用新的視角來解釋。

(3)它必須做出與原始理論不同的新預(yù)測，并且這些預(yù)測必須產(chǎn)生一些可觀察、可測試和/或可測量的結(jié)果。

唯一符合這三個標準的理論是宇宙膨脹理論。在這三個“戰(zhàn)線”上，該理論取得了前所未有的成功。

暴脹理論的基本思想是，在宇宙變得熾熱、致密、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)：某種場或真空能量。然而，與能量密度非常小的暗能量（相當于每立方米空間一個質(zhì)子）不同，宇宙暴脹時期的能量密度是巨大的：大約是今天暗能量的10^25倍！

暴脹期間宇宙的膨脹方式與我們熟悉的宇宙膨脹方式不同。在物質(zhì)和輻射不斷膨脹的宇宙中，粒子數(shù)量保持不變，但體積增加，導(dǎo)致能量密度下降。由于膨脹速度與能量密度有關(guān)，因此宇宙的膨脹會隨著時間的推移而逐漸減慢。但如果能量是空間本身固有的，那么能量密度保持不變，膨脹率也保持不變。其結(jié)果就是所謂的指數(shù)膨脹，在短時間內(nèi)宇宙的大小增加了一倍。再過一段時間，它又翻倍，依此類推。在很短的時間內(nèi)（不到一秒），最初小于最小亞原子粒子的區(qū)域可以被拉伸到比今天整個可見宇宙還要大。

膨脹期間發(fā)生的指數(shù)膨脹是如此強大，以至于每（大約）10^-35秒任何給定空間區(qū)域的體積在各個方向上都會翻倍，導(dǎo)致所有粒子或輻射被稀釋并導(dǎo)致所有曲率迅速變平。

在暴脹期間，宇宙被拉伸到巨大的尺寸。在此過程中完成了許多事情，包括：

(1) 拉伸可觀測宇宙，無論其初始曲率如何，使其與平坦宇宙無法區(qū)分；

(2) 將暴脹開始區(qū)域中存在的任何初始條件擴展到整個可見宇宙；

（3）創(chuàng)造微小的量子波動，并將其擴展到整個宇宙，使得它們在所有距離尺度上幾乎相同，但在較小尺度（當膨脹即將結(jié)束時）稍??；

（4）將所有“暴脹”場能轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和輻射，但僅限于遠低于普朗克尺度的最高溫度（但與暴脹能量尺度相當）；

(5) 創(chuàng)建密度和溫度漲落譜，該譜存在于比宇宙地平線更大的尺度上，并且在任何地方都是絕熱的（熵常數(shù)）而不是等溫的。

這再現(xiàn)了“無暴脹”熱門大爆炸理論的成功，提供了解釋大爆炸初始條件的機制，并做出了一系列不同于“無暴脹”宇宙開始的新穎預(yù)測。從20世紀90年代至今，暴脹理論的預(yù)測與觀測結(jié)果一致，但與沒有暴脹的大爆炸情景完全不同。

問題是必須有最低限度的通貨膨脹才能重建我們所看到的宇宙。這意味著通貨膨脹要成功，必須滿足某些條件。例如，我們可以將通貨膨脹理論建模為一座小山。只要你在山頂，就會發(fā)生通貨膨脹；但當你滾到下面的山谷時，膨脹就會結(jié)束，能量會轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和輻射。

在上圖中，今天的宇宙各處都具有相同的屬性（包括溫度），因為它們起源于具有相同屬性的區(qū)域。在中間的圖中，可以具有任意曲率的空間已經(jīng)膨脹到我們今天無法觀察到任何曲率的程度，這解決了平坦度的問題。下圖中，原來的高能遺產(chǎn)因通貨膨脹而消失，這為高能遺產(chǎn)問題提供了答案。暴脹理論對大爆炸本身無法解釋的三大問題給出了合理的答案。

當你這樣做時，你會發(fā)現(xiàn)有些“山”或物理學家所說的“勢”起作用，而另一些則不起作用。關(guān)鍵是山頂足夠平坦。簡單地說，如果你把暴脹場想象成山頂上的一個球，那么它在暴脹的大部分時間里都需要緩慢滾動；它只會在進入山谷時加速，從而結(jié)束通貨膨脹。通過量化通貨膨脹發(fā)生所需的最小“滾動”速度，我們對這種“潛力”有了一些了解。只要頂部足夠平坦，暴漲理論就可以成為解決宇宙起源問題的可行方案。

但現(xiàn)在，事情開始變得有趣了。與我們所知的其他領(lǐng)域一樣，通貨膨脹本質(zhì)上必定是量子的。這意味著它的許多屬性并不完全確定，而是概率分布的。你允許經(jīng)過的時間越多，傳播的范圍就越大。從山上滾下來的不是一個點狀的球，而是一個量子概率波函數(shù)。

與此同時，宇宙是暴脹的，這意味著它在所有三個維度上都呈指數(shù)級膨脹。如果我們將111 的立方體稱為“宇宙”，我們可以看到立方體在膨脹過程中的膨脹。如果一段時間后，立方體的尺寸增加了一倍，它就變成了222 的立方體，需要用8 個原始立方體填充。同樣的時間后，它變成了一個444 的立方體，需要填充64 個原始立方體。經(jīng)過同樣的時間后，它變成了一個888的立方體，體積為512。只需要大約100次“加倍”，我們就得到了一個包含大約1090個原始立方體的宇宙。

暴脹期間發(fā)生的量子漲落遍布整個宇宙，當暴漲結(jié)束時，它們變成了密度漲落。隨著時間的推移，這最終導(dǎo)致了當今宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，以及在宇宙微波背景下觀察到的溫度波動。這是現(xiàn)實的量子本質(zhì)如何影響整個大尺度宇宙的一個例子。

到目前為止，一切都很好?，F(xiàn)在，假設(shè)有一個區(qū)域，膨脹的量子球滾下山谷。暴脹到此結(jié)束，場能轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和輻射，我們所知道的熱大爆炸發(fā)生了。這個區(qū)域的形狀可能不規(guī)則，但它需要足夠的膨脹才能重現(xiàn)我們在宇宙中觀察到的成功結(jié)果。

現(xiàn)在的問題是，這個區(qū)域之外會發(fā)生什么？

這個問題的難點在于，如果要求宇宙有足夠的暴脹才能具有我們觀察到的各種性質(zhì)，那么暴脹將在暴脹結(jié)束的區(qū)域之外繼續(xù)下去。如果你問“這些區(qū)域的相對大小是多少？”，那么你會發(fā)現(xiàn)，如果你希望通貨膨脹結(jié)束的區(qū)域足夠大以與觀測結(jié)果一致，那么通貨膨脹沒有結(jié)束的區(qū)域就會增加呈指數(shù)增長；而且隨著時間的推移，這種差距會越來越大。即使無數(shù)地區(qū)的通貨膨脹結(jié)束，還有更多地區(qū)仍將繼續(xù)通貨膨脹。此外，暴脹結(jié)束、大爆炸發(fā)生的各個區(qū)域?qū)⒈槐┟浛臻g更大的區(qū)域分開。

簡而言之，如果每次大爆炸都發(fā)生在“氣泡”宇宙中，并且這些氣泡沒有相互碰撞，那么隨著時間的推移，我們最終會得到越來越多互不相連的宇宙。氣泡被不斷擴大的空間隔開。

這就是為什么科學家認為多元宇宙的存在是“默認選項”。我們有壓倒性的證據(jù)證明大爆炸的存在，也有證據(jù)表明大爆炸的一系列初始條件尚未得到最終解釋。如果加上對宇宙膨脹的解釋，那么形成并導(dǎo)致大爆炸的膨脹時空將帶來一系列新奇的預(yù)測。其中許多預(yù)測都是基于觀察，但也有一些來自暴脹理論。

其中一項預(yù)測是，可能存在無數(shù)個宇宙，由互不相連的區(qū)域組成，每個區(qū)域都有自己的大爆炸；當它們組合在一起時，就形成了所謂的多元宇宙。然而，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每一種可能的量子結(jié)果都發(fā)生在其他宇宙中。這甚至并不意味著多元宇宙是真實的，因為它是一個我們無法驗證或證偽的預(yù)言。但如果通貨膨脹是正確的并且數(shù)據(jù)支持它，那么多元宇宙幾乎是不可避免的。

你可能不喜歡多元宇宙，而且你可能真的不喜歡某些物理學家濫用這個想法，但在出現(xiàn)更好、更可行的暴脹替代方案之前，多元宇宙在很大程度上是可能的。 （任天堂）