用任意強大的技術去觀察宇宙，你永遠找不到任何優勢。太空在我們所能看到的範圍內一直延伸，無論我們看哪裡，我們都能看到同樣的東西：物質和輻射。在各個方向，我們都發現了同樣的宇宙膨脹的跡象：高溫、高密度狀態下殘留的輻射；在大小、質量和數量上進化的星系；改變豐度的元素就像恆星的生死一樣。
但是在我們可觀測的宇宙之外還有什麼呢？自宇宙大爆炸以來，除了可能到達我們的光信號之外，是否存在一個虛無的深淵？是不是有更多像我們一樣的宇宙，超越了我們的觀測極限？還是有一種多元宇宙，本質神秘，永遠看不見？
除非我們對宇宙的理解存在嚴重錯誤，否則多元宇宙一定是答案。這是為什麼。
多元宇宙是一個極具爭議的概念，但它的核心是一個非常簡單的概念。正如地球在宇宙中沒有佔據特殊的位置，太陽、銀河系或任何其他位置也沒有佔據特殊的位置一樣，多元宇宙走得更遠，聲稱整個可見宇宙沒有什麼特別之處。
多元宇宙的概念是，我們的宇宙，以及它所包含的一切，只是一個更大結構的一小部分。這個更大的實體將我們可觀測的宇宙封裝為一個更大的宇宙的一小部分，這個宇宙超出了我們的觀測範圍。整個結構本身可能是一個更大時空的一部分，這個時空包括許多其他互不相連的宇宙，它們可能與我們所居住的宇宙相似，也可能與之不同。
如果這就是多元宇宙的概念，我可以理解你對我們可以知道它是否存在的懷疑。畢竟，物理學和天文學是依賴於可測量的、實驗的或其他觀察證實的科學。如果我們在尋找存在於我們可見宇宙之外的某種東西的證據，並且在它裡面沒有留下任何痕跡，那麼多元宇宙的概念似乎從根本上是不可檢驗的。
但有很多事情我們無法觀察到，但我們知道一定是真的。在我們直接探測引力波的幾十年前，我們就知道它們一定存在，因為我們觀察到了它們的影響。雙星脈衝星是一種繞彼此旋轉的中子星，人們觀察到它們的周期縮短了。一定有什麼東西把能量帶走了，這和引力波的預測是一致的。
雖然我們當然歡迎LIGO和Virgo通過直接探測提供引力波的證實，但我們已經知道，由於這個間接證據，引力波的存在是必要的。那些認為間接證據不能說明引力波存在的人可能仍然不相信雙星脈衝星會發射引力波，LIGO和Virgo沒有看到來自我們觀測到的雙星脈衝星的引力波。
所以如果我們不能直接觀察多元宇宙，我們有什麼間接的證據證明它的存在呢？我們如何知道在我們能觀察到的部分之外還有更多不可觀測的宇宙，我們如何知道我們所稱的宇宙很可能只是嵌在多元宇宙中的眾多宇宙之一呢？
我們觀察宇宙本身，並根據對它的觀察結果得出關於它本質的結論。
當我們觀察可觀測宇宙的邊緣時，我們發現最早時期發出的光線在天空中形成了特定的圖案。這些圖案不僅揭示了宇宙誕生時的密度和溫度波動，以及宇宙的物質和能量組成，還揭示了空間本身的幾何形狀。
由此我們可以得出結論，空間不是正向彎曲(像球體)，也不是負向彎曲(像馬鞍)，而是在空間上是平坦的，這表明我們無法觀測到的宇宙可能遠遠超出了我們能夠到達的範圍。它不會自己彎曲，不會重複，也沒有空的間隙。如果它是彎曲的，它的直徑是我們能看到的部分的數百倍。
隨著時間一分一秒的流逝，更多的宇宙，就像我們自己的宇宙一樣，呈現在我們面前，與這幅圖一致。
這可能表明，在我們所能到達的宇宙之外，還有更多不可觀測的宇宙，但這並不能證明這一點，也不能為多元宇宙提供證據。然而，物理學中有兩個概念的建立已經遠遠超出了合理的懷疑：宇宙膨脹和量子物理學。
宇宙膨脹是產生熱大爆炸的理論。我們膨脹的宇宙最初的初始階段有多熱，密度有多大，並不是從一個奇點開始，而是有一個物理極限。如果我們在過去達到了任意高的溫度，就會有一些明顯的特徵，而這些特徵並不存在：早期溫度大幅波動，受宇宙視界範圍限制的種子密度波動，以及早期遺留下來的高能遺蹟，比如磁單極子。
這些籤名都不見了。溫度波動在0.003%左右，密度波動超過了宇宙視界的尺度，對單極子和其他遺蹟的限制非常嚴格。這些特徵不存在的事實對它們有著巨大的暗示：宇宙從來沒有達到過那些任意高的溫度。在熱大爆炸之前還有其他的東西促成了這一切。
這就是宇宙膨脹的來源。在20世紀80年代早期建立的理論中，它被設計用來解決與大爆炸有關的許多謎題，但它做了任何新物理理論都希望做的事情：它對出現在我們宇宙中的可觀測特徵做出了可測量、可測試的預測。
我們看到預測的空間曲率缺失;我們看到宇宙誕生時的波動具有絕熱性質；我們已經發現了與通脹預測相符的初始波動的頻譜和幅度；我們已經看到了超視界的波動這是通脹預測的必然結果。
我們可能不知道關於膨脹的一切，但我們確實有一套非常有力的證據，支持它發生在宇宙早期的某個時期。它建立並引發了大爆炸，並預測了一系列的漲落，這些漲落產生了結構的種子，形成了我們今天所觀察到的宇宙網絡。就我們所知，只有膨脹才能給我們提供與我們所觀察到的相符的宇宙預測。
「所以，沒什麼大不了的，」你可能會說。「你取一小塊空間，讓膨脹把它膨脹到非常大的體積，我們可觀測的、可見的宇宙就包含在這個體積裡。即使這是正確的，這隻告訴我們，我們無法觀測的宇宙遠遠超出了可見的部分。你根本沒有建立多元宇宙。」
所有這些都是正確的。但是請記住，我們還需要添加一個成分：量子物理學。
膨脹被視為一個場，就像我們在宇宙中所知道的所有量子一樣，遵循量子場論的規則。在量子宇宙中，有許多違反直覺的規則被遵守，但對於我們的目的來說，最相關的規則是控制量子不確定性的規則。
傳統上，我們認為不確定性是在動量和位置、能量和時間、相互垂直方向的角動量等兩個變量之間相互發生的，但量子場的值也存在固有的不確定性。隨著時間的推移，以前確定的欄位值現在的確定值更少了，你只能把概率歸因於它。
換句話說，任何量子場的值都會隨著時間擴散。
現在，讓我們把這些結合起來。一方面，我們有一個膨脹的宇宙，另一方面，我們有量子物理學。我們可以把通貨膨脹想像成一個球在平坦的山頂上非常緩慢地滾動。只要球還在山頂，通貨膨脹就會繼續。然而，當球到達平坦部分的末端時，它會滾到下面的山谷裡，山谷把膨脹場本身的能量轉換成物質和能量。
這種轉變意味著宇宙膨脹的結束，通過一個被稱為再加熱的過程，它產生了我們都熟悉的熱大爆炸。但問題是，當你的宇宙膨脹時，磁場的值變化緩慢。在不同的膨脹區域，場值以隨機不同的量向不同方向擴散。在一些地區，通貨膨脹很快結束，而在另一些國家，它結束得更慢。
這是一個關鍵點，告訴我們為什麼多元宇宙是不可避免的！在膨脹馬上結束的地方，我們會得到一個熱的大爆炸和一個大的宇宙，其中一小部分可能與我們可以觀測到的宇宙相似。但在膨脹結束的地區之外，還有其他地區，膨脹持續的時間更長。
當量子傳播以正確的方式發生時，膨脹可能也會在那裡結束，引發一場熾熱的大爆炸和一個更大的宇宙，其中一小部分可能與我們可觀測的宇宙相似。
但其他地區不僅在膨脹，還在增長。你可以計算膨脹區域的增長速度，並將它們與新宇宙形成和熱大爆炸發生的速度進行比較。在所有情況下，當膨脹給你的預測與觀測到的宇宙相吻合時，我們就會產生新的宇宙和新的膨脹區域，其速度比膨脹結束的速度還要快。
這幅巨大宇宙的圖片，比我們能看到的那一小部分大得多，不斷地在這個指數膨脹的空間中被創造出來，這就是多元宇宙的全部。這不是一個新的、可測試的科學預測，而是一個不可避免的理論結果，基於我們今天所理解的物理定律。物理學定律是否與我們在其他宇宙中的定律相同，目前還不得而知。
如果你有一個由量子物理控制的膨脹宇宙，多元宇宙是不可避免的。一如既往，我們正在不斷地收集儘可能多的新的、令人信服的證據，以便更好地理解整個宇宙。結果可能是，膨脹是錯誤的，量子物理學是錯誤的，或者我們採用這些規則的方式存在一些根本性的缺陷。但到目前為止，一切都算好了。除非我們做錯了什麼，否則多元宇宙是不可避免的，而我們所居住的宇宙只是其中很小的一部分。