第138章 平行时空的理解（二）

    组织长继续说道宇宙视界之外的物体也一样，随着更远的光花更多的时间到达我们这里，可观测宇宙的半径每年都扩大一光年。

    既然我们都在学校学过简单的欧几里得空间，所以很难想象空间不是无限的——谁能想象某处插着几块牌子，上书“空间到此结束，当心下面的沟”。

    但爱因斯坦的引力理论允许空间是有限的，只要是以不同欧几里得空间的方式相连，例如四维球或一个甜甜圈的拓扑结构，从而使朝一个方向的旅行最终可以把你带到相反方向。

    宇宙微波背景辐射可以用来细致检验这样的有限模型，但至今还没有给出任何支持——平坦的无限模型非常符合观测数据，而空间弯曲和多连通拓扑结构的模型都有很强的限制。而且，空间无限宇宙是暴胀宇宙理论的直接预言。

    暴胀理论的巨大成功进一步支持了空间就是像我们在学校里学的一样简单而无限。

    大尺度的物质分布有多均匀呢。

    在一个“岛宇宙”模型里，时间是无限的，但物质都集中在在一个有限区域，于是第一层平行宇宙几乎所有的成员都死气沉沉的，只有空空的空间。

    在历史上这样的模型曾经流行过，一开始认为这个岛就是地球和裸眼可见的天体，在20世纪早期认为银河星系的已知部分。

    另一个非均匀的选择就是分形宇宙，其中物质分布是自相似的，宇宙星系分布的所有结构都只是一个更大的自相似结构的一小部分。

    岛宇宙和分形宇宙的模型都是最近的观测推翻了。三维的星系分布图显示，观测到的特殊大尺度结构（星系群，星系团，超星系团）让位给大尺度上的单调均匀，自相似结构都不超过1024米。

    更量化一下，设想在不同的随机位置上放置一个半径为r的球，测量里面每次包含多少质量，并计算每次测量值的变化，用标准偏差△m来表示。

    已知测量的相对波动△，在r～3x1023米的尺度以下，偏差在1的量级，而在更大的尺度上，偏差变小。斯隆数字巡天计划（sloan digital sky survey）显示，在r～3x1025米的尺度上△

    就只有1了，而且宇宙微波背景辐射的测量也确认，均匀化的趋势一直延续到我们的可观测宇宙边缘（r～3x1027米），这时△

    ～10-5。

    不考虑认为宇宙的设计整个就是愚弄我们的怀疑论论调，观测结果明确表明：我们熟悉的空间必然延伸到可观测宇宙之外，那里也同样充满星系、恒星和行星。

    第一层平行宇宙是什么样的对世界的物理描述传统上分为两部分：初始条件，以及决定初始条件如何演化的物理定律。

    住在第一层平行宇宙的观察者和我们观察到完全相同的物理定律，但初始条件却和我们所在的哈勃体积中的不同。

    比较看好的理论认为，初始条件（早期的密度和不同类物质的运动）由暴胀时代的量子波动所产生。

    量子力学形成了实际上是随机的初始条件，产生了被数学家称为遍历随机场（ergodic random field）所描述的密度波动。遍历意味着，如果你假想一个许多宇宙的集合，每个宇宙都有着自己随机的初始条件，在一个给定提及范围内出现各种结果的概率分布，和你在同一个宇宙的不同体积取样得到的概率分布是一样的。

    也就是说，任何在原则上可以发生在这里的事情，在其他的某个地方实际上就会发生。

    暴胀实际上导致了所有概率不为零的可能的初始条件，最可能的是那些波动在10-5量级，均匀分布的初始条件。

    这些波动被引力聚集（gravitational clustering）过程加强放大，从而形成星系、恒星、行星以及其他结构。

    这意味着，不仅几乎所有可以想象的物质构成都发生在某个遥远的哈勃体积内，而且我们应该认识到，我们的哈勃体积是相当典型的——至少在那些包含观察者的哈勃体积中是典型的。

    一个粗略估计显示，距你最近的那个和你一模一样的人将远在10(1029)米之外。

    而在10(1091)米外才会有一个半径100光年的区域，它里面的一切与我们居住的空间完全相同，也就是说未来100年内我们的所有经历都会和我们的副本一致。

    而至少10(10115)米之外该区域才会增大到哈勃体积那么大。这就引起了一个有趣的哲学问题，它不久之后将会困扰我们：如果真的存在那么多和“你”有完全一样的经历和生活的副本，即使你掌握了整个宇宙态的完全知识，你也不能计算你自己的未来。

    原因是，你将不能决定哪一个副本才是“你”（他们都自认为是）。

    但他们的人生最终将是不同的，所以你最多只能预计你今后各种经历的概率。

    传统决定论的观点就此终结。

    怎样证明或证伪一个平行宇宙理论平行宇宙这一理论是不是属于形而上学而非物理。

    正如卡尔·波普尔（karl popper）所强调的，物理和形而上学的区别就在于，理论是否能被实践证明和证伪。一个理论包含不可观测的实体，本质上并不能说明它不可检验。

    例如，一个理论宣称9977个平行宇宙，每个都缺少氧，从这个理论可以做出可检验预言，那就是我们在这里应该不能观测到氧，所以这个理论能被观测排除。

    一个更严肃的例子是，第一层平行宇宙的框架常常被用来排除现代天文学的理论，虽然很少有人明确地那么说。

    例如，关于宇宙微波背景辐射（cod）观测显示，空间几乎没有弯曲。cod温度高和温度低的点都有一个特征尺度，这一尺度取决于空间曲率，观测到的点都过大，不符合先前流行的“开放宇宙”模型。

    但是，平均的点的大小在每个哈勃体积上有些随机的差别，所以做到统计精确是很重要的。

    当宇宙学家说开放宇宙模型以999的置信度被排除时，他们真正说的是，如果开放宇宙模型是正确的，那么显示出我们所观测到大小的cod点的哈勃体积少于总数的千分之一——所以拥有无限多哈勃体积的模型就被排除了，即使我们只在自己的特殊哈勃体积中（当然）显示了cod……

    我们从这个例子上得到的经验是：平行宇宙这一理论可以被实践证明或证伪，但这要求理论给出平行宇宙集合的预言，并给出其概率分布（或更一般的，给出数学家所说的测量）。

    我们接下来将会看到，解答测量问题不容易，有些平行宇宙理论中，这一问题还没有得到解决。

    即其他后暴胀泡沫，具有不同的有效物理定律、物理常数、时空维度、粒子种类。

    若觉得第一层平行宇宙太大，简直无法容忍。

    那么试着想象一下无穷多个完全不同的宇宙，这些宇宙甚至有不同的维度和物理常数。这就是现在流行的混沌暴胀理论所预言的，我们称之为第二层平行宇宙。

    这些宇宙属于不同的范畴，离开得比无限远还要遥远，也就是说即使你以光速前进无穷长的时间也到不了那里。

    原因是，我们的第一层平行宇宙团和邻近的第一层平行宇宙团之间的空间仍在暴胀，空间延展和创造新体积的速度远大于你能穿过它的速度。

    不过，你可以到达任意远的第一层平行宇宙，只要你足够耐心，而且宇宙膨胀减速的话。

    到20世纪70年代，大爆炸模型，已经被证明是一个成功解释了我们宇宙的大部分历史的理论。

    它揭示了原始火球怎样膨胀并冷却，在40万年后怎样变得透明，怎样发出宇宙微波背景辐射，并通过引力聚集过程形成密度起伏，产生了星系、恒星和行星。但仍然存在恼人的问题，最初到底发生了什么。

    是无中生有吗。所有那些超重粒子，例如粒子物理预言的磁单极子，早期时应该在哪里被创造（“磁单极子疑难”）。

    为什么空间是现在这么大，这么老，这么平坦，而一般的初始条件都预言在10-42秒量级之后，弯曲度会随时间增长，密度要么趋于0要么趋于无穷大（“平坦性疑难”）。是什么机制导致了没有因果联系的空间区域上cod温度都是基本一致的（“视界疑难”）。又是什么机制产生了在10-5水平上的原始密度起伏，从而长出所有宇宙结构。

    暴胀过程一举解决了所有这些疑难，成为关于宇宙极早期的最流行理论。

    暴胀是空间的快速拉伸，它稀释了磁单极子和其他残余物，使空间就像一个膨胀气球的表面一样平坦均匀，并使量子真空波动演变成宏观大的密度波动从而形成星系。

    从一开始，暴胀就通过了附加的检验：cod观测显示，空间是极端平坦的，并测出初始波动具有近乎随尺度不变的波谱，没有物质的引力波成分，所有这些都和暴胀所预言的完全一致。

    暴胀是很多基本粒子理论中的普遍现象。

    在流行的混沌暴胀模型中，暴胀在空间的某些区域停下来，使得我们所知的生命能够出现，同时量子波动导致其他区域暴胀得更快。

    本质上，一个暴胀中的泡沫产生出其他暴胀泡沫，这些暴胀泡沫再产生更多的泡沫，从而形成无限的连锁反应。

    暴胀停止的泡沫就是第二层平行宇宙的构成元素。

    每个泡沫在尺度上都是无限的，而因为永不停止的连锁反应，泡沫数量也是无限的。

    （虽然泡泡宇宙的产生能以 2n 的形式增长，而n 趋势于无穷，这或许与整数集的取幂很像，但这依旧是可数无穷的。）

    在这种情况下，同样不存在时间的开端和绝对的大爆炸：过去、现在和将来都永远只是存在无数的暴胀泡沫和后暴胀区域，就像我们居住的地方一样，形成一个分形图样。

    第二层平行宇宙是什么样的我们普遍认为人们观察到的物理，只是一个更加对称的理论的低能极限，这个理论只在极端高温下才起作用。基础理论也许是二维的，超对称的，包含自然界四种基本作用力的大统一。

    这种理论的一个共性是，驱动暴胀的场的势能有着几个不同的最小值（被称为“真空态”），相应于破缺对称的不同途径，也相应于得到的不同的低能物理。

    例如：可以把除三个空间维度之外的所有维度都卷起来（“压缩”），形成有效的三维空间，就像我们所处的空间一样。

    或者也可以把更少的维度卷起来，留下一个七维空间。驱动混沌暴胀的量子波动可以造成各个泡沫中不同的对称性破缺，导致第二层平行宇宙中不同的成员具有不同的维度。在粒子物理中观测到的很多对称性，也来自于对称性破缺的具体途径，所以，也许存在只含有两代而非三代夸克的第二层平行宇宙。

    除了维度和基本粒子这些离散的特性之外，我们的宇宙还被一组无维度的数——物理常量所刻画。

    其中包括电子/质子质量比

    ≈1836，即宇宙学常数，它在普朗克单位中约是10-123。有模型显示，这样的连续参量在各个后暴胀泡沫中互不相同。

    虽然物理基本方程在所有第二层平行宇宙中都是一样的，但支配我们观察到的低能世界的近似有效方程却是不同的。

    例如，从一个三维空间移到（非压缩的）四维空间，会改变观察到的引力方程，从一个反平方定律变成一个反立方定律。

    同样，用不同方式破缺粒子物理中的基本对称性，会改变基本例子的排列以及描述它们的有效方程。

    但是，我们会等到第四层平行宇宙中再使用“不同的方程”和“不同的物理定律”，在那里不只是近似方程改变，基本方程也发生了改变。

    这样，第二层平行宇宙就可能比第一层平行宇宙更为多样化，不仅初始条件不同，而且维度、基本粒子和物理常数都不相同。