今天我很高興、也很榮幸能在這裡向大家分享一些我對「宇宙」的看法。
長期以來，我們用「宇宙」這個詞來表示世間萬物。但過去的幾十年裡，科學家們開始認識到，我們認知中的那個「宇宙」，很有可能只是更宏大、更廣闊的宇宙景觀中的一小部分。而這個更宏大、更廣闊的宇宙景觀，我們現在將其稱之為「多元宇宙」。
接下來，我想跟大家分享三個小故事。它們會從不同的角度告訴我們，我們可能正身處「多元宇宙」之中。但請注意，這三個小故事並不能證明「多元宇宙」的存在，只是不斷激勵著我們像當今世界上眾多的科學家一樣，去認真對待這種想法。
言歸正傳，接下來我要開始分享第一個小故事了。這三個小故事有一個共同點，就是要依靠大家對「引力」的理解。早在十七世紀末，牛頓就首次用數學方法描述了引力。他列出了一個數學公式，可以用來預測行星繞恆星的運動軌跡，最了不起的是，這個小小的公式，今天仍出現在世界各地高中生的教科書裡。你們肯定都學過，對嗎？
F=G(m1m2/r的平方)
這是一個很適合印在T恤上的方程式。運用這個方程式，我們就能預測物體會在哪裡出現，當我們抬頭仰望夜空，就會發現那些星球剛好在我們計算出的位置上。這個公式是我們探索宇宙中最普遍的力量——引力過程中的一個重要裡程碑。
不過，即便如此，牛頓還是忘了些東西。他從未告訴我們引力的作用原理：引力如何從一個點傳遞到另一個點？太陽如何通過引力將地球固定在軌道上？到底引力是如何發揮作用的呢？
這些問題直到愛因斯坦的出現才得以解決。愛因斯坦提出了關於引力的一種新思路。打個比方，他認為，引力就好比放在你面前的一張橡膠板，挺括而緊繃，如果你在上面滾個彈珠，彈珠就會沿著直線軌跡運動。這是很好理解的。可是，假如你拿一個大石頭之類的物體放在橡膠板中央的話，板子就會彎曲，這時再把彈珠放上去，彈珠就無法像之前一樣沿直線運動了，而是變成在曲面上做曲線運動。
愛因斯坦認為，我們可以將這種觀點應用到宇宙空間，而不單單只是停留在一張橡膠板上。宇宙空間是一個三維空間圖像，這有點兒不太好理解，那讓我們再切換回二維圖像。比如之前的橡膠板，你會發現當沒有任何物體時，它是平坦的；但我們引入一個像太陽一樣的物體時候，整個構造就會扭曲，地球也就被固定在了軌道上。這樣，地球便會沿著太陽造成的「山谷」作曲線運動，而其本身也同樣扭曲了空間，讓月球在其形成的曲線軌道上運動。
這就是愛因斯坦所解釋的引力的作用機制。
1919年，通過對日食期間光束曲線軌跡的天文觀測，這一想法得到了證實。正是這個發現，奠定了愛因斯坦的地位，使他成為了全世界最受人尊敬的科學家。也正因為這個發現，人們開始接受他的想法，並嘗試推動其向前發展。其中，比利時的耶穌會牧師喬治•勒梅特（George Lemaitre）貢獻尤為顯著。除了牧師這一重身份，喬治•勒梅特還是麻省理工學院的博士，他把愛因斯坦的方程應用到太陽和地球之外的物體上，也就是整個宇宙。他驚奇地發現，按照愛因斯坦的公式，宇宙並不是靜態的、不變的、永恆的，隨著時間的推移，宇宙要麼收縮、要麼伸展，這與公式本身相矛盾。但愛因斯坦對此持否定態度，他有一種哲學偏見，即在最大範圍內，宇宙應該是保持不變的，過去是，將來也是。
愛因斯坦的這個偏見，因為接下來出場的這位人物的觀察結果而改變了。
埃德溫•哈勃（Edwin Hubble），是一位畢業於牛津大學的律師。卸下這重身份，他還是一位出色的天文學家。他在威爾遜山天文臺用功能強大的望遠鏡觀測到星系都在遠離我們，宇宙正在伸展。正如愛因斯坦的公式所顯示的那樣，宇宙在膨脹。基於此，我們可以描繪出宇宙大爆炸的畫面：宇宙在早期是緊密、壓縮的，隨著時間的推移，它伸展、生長；而隨著向外生長，它會冷卻下來，冷卻之時，空間結構便從最初的高溫中孕育而生。
這樣一個美妙的故事，由牛頓的簡單公式開始，因愛因斯坦公式轉變為更複雜的形式，進而向我們展示了宇宙如何從歷史早期發展到今天，乃至未來的模樣。
這是一項非凡的成就。想想我們人類，在這個星球上存在的時間並不長，卻已具備了這樣一種數學思維能力，能夠窺見宇宙最早期的樣子。
但是這個理論還是有個漏洞——它並沒有告訴我們是什麼在一開始推動了宇宙向外發展。這個難題困擾了科學家們幾十年。仔細想一想，通常情況下，我們提到「引力」的第一反應都是這是一種向內拉的吸引力，會將東西聚集起來。但是如果你想要向外伸展，就需要有向外的推力。
在20世紀70年代末，科學家們再次回到愛因斯坦的公式上。他們發現，愛因斯坦所說的「引力」其實有兩種形式。首先，引力具有吸引作用，這也是我們大家都熟知的使我們生活在地球上的作用力；其次，公式表明，如果一顆星球不像地球這樣呈團塊狀，但有均勻分布在整個空間的能量，那麼引力就會表現出另外一種作用形式——它會產生向外的斥力，我喜歡把這種力量比作宇宙燃料，是它推動了宇宙空間向外膨脹。
這個想法也帶來了一些預測：我們現在看到的一切，都是宇宙微波背景輻射，這是宇宙大爆炸留下來的熱量；而那些像素之間的微小色差，則代表了大約10萬分之一的極小的溫度變化。按照數學公式，如果宇宙由於這種斥力而迅速膨脹，那麼從量子物理學來看，早期宇宙中的微小變化就會引起微小的溫差，這樣，我們就可以預測天空中不同點的溫度如何變化了。我現在所展示的，就是這樣的預測。
這是對剛剛所展示的圖片的統計分析，接下來是觀察結果。曲線是根據數學公式得出的計算結果，黃點則代表實際的觀察結果。
大家可以比較一下，很驚人吧，看起來就像是人類創造的藝術品一樣絕妙——關於宇宙誕生的數學理論，竟然與140億年後 我們對光子的觀測結果驚人一致。這些光子自從宇宙起源開始起便暢通無阻地穿行，這說明我們的數學理論確實能夠解釋宇宙是怎樣誕生的。
我現在再次提起這一數學理論，是因為它符合我接下來要說的那個更大的主題——多元宇宙。為什麼呢？因為如果這張圖片是正確的，那麼宇宙大爆炸就是由這種宇宙燃料引起的，並產生了向外推動的斥力。公式還表明，要完全耗盡這種燃料幾乎是不可能的。燃料中的一部分催生了大爆炸，那剩下的那些燃料呢？催生另一個大爆炸。爆炸過後再次剩餘的燃料呢？繼續催生大爆炸，以此類推。這些接連的大爆炸創造出一個又一個宇宙空間，就像圖片上顯示的那樣。
這就是我們所說的「宇宙大爆炸」。由剩餘燃料催生的大爆炸，一個又一個，這些不單單只是行星或星系。根據之前的概念，這些是我們的「宇宙」之外真實存在的其他宇宙。如果想搞清楚這個概念，就要引入微觀世界的理論，將量子力學與引力結合起來。這樣的話，你需要重新理解微觀世界，而這就藉助一個新概念，我們稱之為「弦理論」。
接下來就是我要分享的第二個小故事。
在微觀世界中，我們需要重新認識物質的基本成分。有別於你在粗略的世界構成研究中所熟悉的電子和夸克，弦理論講的是微小的振動弦狀細絲可能是物質本身的核心。
這些位於物質中心的微小振動細絲是一種假設，但這假設奇妙無比。根據這一假設，世界上的所有事物都源於微觀世界中這個微小的基本實體的不同振動模式。
在宏觀世界中，愛因斯坦的廣義相對論奠定了大爆炸的數學理論，這個理論也啟發我們去思考其他宇宙存在的可能性；而在微觀世界中，我們只有基本成分或微小振動細絲，而且棘手的是，只有當我們周圍的世界具有三個以上維度的空間時，弦理論才能起作用。我們都很熟悉左右、前後、上下這樣的維度，但是微觀世界中，維度更多。
比如，一個熟悉的物體，正常來說它的維度有上下、左右、前後，但如果把這個物體放入微觀世界中看，根據弦理論，它就會產生額外的捲曲尺寸，變成特定的幾何形狀。這就是卡拉比–丘流形。其中，「丘」是指丘成桐，一位著名的華裔數學家，幾十年前，我有幸成為他的學生。
根據數學原理，弦在微觀世界中的振動方式，取決於這些額外維度的扭曲、轉折和幾何形式。所以這個理論的精妙之處在於，如果我們能確切知道微觀世界中額外維度的形狀，也許就能夠解開困擾了我們一百年的那個問題：為什麼電子有特定質量？夸克呢？根據這些數學理論，答案與那些額外維度的形狀有關。
在20世紀80年代我還是個學生的時候，我們只有五種已知的額外維度的候選形狀。到了20世紀90年代，經過科學家們不斷研究，我們有了越來越多額外維度的可能形狀，從80年代的五種，增加到數以萬計。這挺好的，給研究生們找了點事兒做，對吧？但是隨著時間的推移，學界發現空間可能存在10到500個額外維度，因此這個數字飆升，不再只是數萬 也不止數百萬。
這意味著什麼呢？
一些離開這個領域的人認為，該理論永遠無法做出任何預測。因為你需要知道是哪種形狀，才能知道弦的振動模式，如果無法從眾多的可能中選出正確的形狀，就沒有人知道該怎麼操作。不過還有一種不同的方法，與「多元宇宙」主題相關。也就是說，也許沒有一種特定的形狀是正確的，也許所有的形狀都是正確的，因為不只有一個宇宙，而是許許多多個宇宙。
現在我們可以把第一、二個故事聯繫起來思考。在第一個小故事裡，我們有了宇宙大爆炸，每個爆炸產生的特定宇宙在額外維度上都具有不同的形狀。讓我再來展示一次，這次我會通過展示每個宇宙相關的額外維度的形狀來作進一步說明。我將重點介紹宇宙的集合，幫助你們了解與其相關的形狀。我們的宇宙可能是藍色的，這就是我們宇宙的形狀；但是其他宇宙的額外維度會具有不同的形狀，因此這些宇宙中物理特徵的屬性也將有所不同，這就是第二個小故事。
接下來我要基於前兩個故事，向大家分享的第三個小故事。這是我本次討論的重點部分。
20世紀90年代末，有兩支天文學家團隊得出的結果震驚了物理學家們。早在20世紀20年代哈勃那個時代，就像我先前提到的那樣，我們已經得知宇宙是向外膨脹的。但人們當時都以為，宇宙膨脹的速度一定是逐漸減慢的，因為引力會導致星系之間互相拉扯，減緩宇宙的逃逸速度。這就像你把蘋果往上扔，它的上升速度會越來越慢。但是，那兩個獲得諾貝爾獎的天文學家團隊發現，情況恰恰相反。宇宙膨脹速度並沒有隨著時間的推移而放緩，相反，它的速度越來越快。
那麼現在我們又該如何解釋不斷加快的宇宙膨脹呢？顯然，它需要一種力將其向外推動。在一個小故事裡我曾提到，根據愛因斯坦的理論，引力也可以產生向外的推動力，這也是我們最初認為大爆炸產生的原因，所以即使到今天，人們依然認為有一個叫做暗能量的能量場，它能滲透到太空中，提供向外的推力。這種推力，不僅在我們的宇宙內部發揮作用，還在推動遙遠的星系以更快的速度逃逸。
不過，這種引入多元宇宙的概念，把三個小故事聯繫在一起的解釋有一個問題。當我們嘗試在任何指定大小的空間中解釋加速膨脹，去計算實際它需要多少暗能量時，得出的數字都會非常奇怪。請看這個數字，小數點後有120個0，最後以「138」結束。看到這樣的數字，我們可能會倒吸一口冷氣。為什麼要解釋我們測量到的數字，而不是公式、方程式中的數字呢？這些像兩個π e的平方根一樣的數字，真的很難想像。
如果從普通數字開始計算，最終得到這樣一個數字結果，換作是你，你會算下去嗎？你可以直接放棄，並說：這個數字並不現實，是偶然的，是無法解釋的。但當然，科學家們並沒有滿足於此。
有一個方法是從最根本的層面出發，繼續利用多元宇宙的概念來思考。根據弦理論，對於這些不同的宇宙來說，如果他們的額外維度具有不同的形狀，那麼該形狀就會產生不同的物理性質，比如暗能量的不同值。所以，我們的特定數字範圍是固定的。既然具有10到500個不同的額外維度，這樣就很容易得到一個數字 比如10到負120，這就變得簡單多了。
這再次印證了，我們的宇宙可能不是唯一的宇宙。
那麼我們是否可以檢驗這個想法呢？
答案是肯定的。
我們再來看一下我之前給你們展示的大爆炸留下來的熱量——微波背景輻射。事情是這樣的，如果確實存在很多個宇宙，那麼它們有時會相互碰撞。如果發生這種碰撞，對我們的宇宙造成的影響，會伴隨著沙狀波紋穿過大爆炸留下來的熱量，產生夜空中溫度變化的某種規律。只要我們能找到那些溫度變化規律，就足以證明發生了這樣的碰撞，也足以證明外面還有其他的宇宙。儘管到目前為止，我們還沒有這樣的證據，但至少它向我們展示了一種瘋狂又奇怪的可能性，即理論上其它宇宙是可以被測得的。
如果上述想法是正確的，那麼就會出現這種情況的：如果你離開地球，越過太陽系中的其他行星離開銀河系，繼續向前離開這個宇宙，最終會漂浮在這個多元宇宙的大集合裡。感覺如何呢？
最後總結一下吧，就像我一開始所說的那樣，不管是我的三個小故事，還是宇宙學理論的多重大爆炸，或是弦理論的額外維度的眾多不同形狀，又或是對加速膨脹的觀察，都無法證明其他宇宙的存在。它只是不斷激勵著我們去認真對待這個想法，而且這個想法完全符合我們在五個世紀以來所經歷的科學發展模式：500年前，人們認為地球是宇宙的中心，但事實並非如此；後來，我們認識到行星都是圍繞太陽公轉的，所以我們又自然地認為太陽才是宇宙的中心，但是當我們認識到太陽只是千億個恆星當中的一個時，宇宙在我們的觀念裡又發生了降級；那時，我們覺得銀河系必定是所有恆星的中心，是宇宙的中心了，但隨後我們又認識到，我們的銀河系只是能觀測到的宇宙中數千億個星系中的一個。也許這種模式還會繼續下去，指引我們發現我們的宇宙也不是中心，它只是漂浮在更大的宇宙現實中多元宇宙中的一個。對我來說，這是一個令人非常興奮的想法。如果幸運的話，也許有生之年我們會找到一些證據。
非常感謝大家！