宇宙之初：大膨脹③更加急速的暴脹

2020-10-04 大科技雜誌社

宇宙只有一個，感覺很孤單嗎？不要緊，最新的宇宙發現表明，我們的宇宙外面很有可能還有其他的宇宙。

宇宙不只一個，這個觀點就是多元宇宙。

多元宇宙這個概念，提出來已經有很長的時間了。在近代,它是一個引發了自然科學、哲學等許多學科深入思辨的問題，而且它也是科幻作品所熱衷的話題。不過，問題是,誰能證明宇宙不只一個?

最新的、最令人激動的理論發現，宇宙在早期曾經發生過暴脹，這個暴脹理論就不可避免地會推導出「宇宙不只一個」這種結論。

為什麼說暴脹理論就意味著多元宇宙的存在呢？

大爆炸之後更加急速的暴脹

暴脹理論有許多種不同的版本，我們這裡通過介紹美籍俄裔物理學家安德烈·林德所提出的暴脹模型，來說明為什麼暴脹蘊含著多元宇宙這種思想。林德指出，在大爆炸後很短時間內，宇宙空間繼續發生更加急速的膨脹，膨脹速度遠超過光速。暴脹之後，宇宙雖然還會繼續膨脹，但速度則低很多。

暴脹理論提出來之後，林德發現，如果把這個理論與最新的粒子物理學結合起來，暴脹理論是行不通的。因為如果要出現暴脹，必須滿足極為苛刻的條件，例如需要極高的能量。但在大爆炸後很短時間內是很難具備這些條件的。不過，他很快找到了一個解決方案。在宇宙暴脹之前，宇宙是十分小的，比亞原子粒子的萬億分之一還小。根據量子理論，在這個極小的尺度下，時空如同充滿了沸騰的、混亂的「量子泡沫」，而且在這尺寸下的時間和空間的經典概念不復存在。在這樣的量子泡沫中，能量起伏跌宕，某些區域內的能量可能會具有更多的能量，達到某個臨界值，就會觸發暴脹。所以說，並不需要特殊的條件，即可在這量子泡沫中暴脹出一個宇宙。就像洗衣盆裡的泡沫一樣，有的很小，有的卻漲得很大。

當初林德把這個觀點稱為混亂暴脹理論。當時許多同行給了他白眼，不過林德不僅堅持自己的觀點，而且繼續優化了自己的理論。

暴脹中產生無數個宇宙

根據林德的暴脹理論，量子泡沫的某些區域發生暴脹時，所包含的能量會隨著膨脹逐漸稀釋。稀釋到一定程度，暴脹就會停止下來——我們所能觀測到的宇宙就是這麼形成的。同樣，在別的地方也會發生暴脹，形成別的宇宙。即使在已形成的宇宙中，並不是所有的地方的能量都被稀釋掉了，可能有些地方的能量會因量子效應，重新到達臨界值，並再次引發時空的暴脹，形成新的宇宙。於是這樣反反覆覆，一個暴脹過後還會有下一次的暴脹，每一次的暴脹就會產生一個新的宇宙。所以在不斷暴脹中就會產生無數個宇宙。林德把這些宇宙統稱為「永恆自我複製的宇宙」。

這樣，多元宇宙就出現了！

另外，對於一個自我複製的宇宙，例如我們所觀測到的宇宙，你是無法判斷它到底是最初的那個宇宙，還是從另一個宇宙誕生出的。林德認為，也許原則上你是無法找到最初的那個宇宙的。我們可以說，所有的宇宙都會永遠不斷地進化下去，你既找不出它們最終的宇宙，也找不出最初的宇宙。

多元宇宙中的暗能量

2014年3月，科學家檢測到了來自宇宙大爆炸後瞬間產生的引力波。而這個引力波是由於宇宙暴脹產生的。其中，檢測到的數據與林德的暴脹模型所做的預言相符。如果這項發現被證實，那麼也意味著多元宇宙很有可能就是事實。

多元宇宙這個概念不僅很驚人，而且這種理論具有很高的實用性。多元宇宙如果存在的話，可以解決許多令人頭疼的問題。

例如，科學家在1998年發現，我們的宇宙並沒有因為恆星和星系間引力的存在而減慢膨脹速度，反而以更快的速度膨脹。一般認為，宇宙中存在著一種看不見的能量，即 「暗能量」，它加速了宇宙的膨脹。暗能量很有可能來源於真空能。其來源是真空裡分別具有正能量和負能量的虛粒子對在不斷出現和泯滅。然後，物理學家通過理論來計算真空能的密度，發現理論的結果竟然是天文觀測值的10120倍！這麼大的差距足以使物理學家尷尬不已。

然而，多元宇宙如果存在的話，問題就迎刃而解了。宇宙不只有一個，而我們的宇宙恰巧正是暗能量極低的一個。至於物理學家理論計算出來的真空能的密度，是多元宇宙中的普遍密度，不適用於我們這個特殊的宇宙。也許那些具有普通真空能密度的宇宙，其內部物質早已被暗能量撕裂開了。

我們選擇了多元宇宙中的一個

多元宇宙也可以解釋另一個尷尬：弦理論所預言的空間維度的數量。弦理論認為，基本粒子都是由一維振動的「能量弦」構成的，不過它還認為空間維度應該是9維或10維，而不是我們所觀測到的3維。解決這個問題也許很簡單，弦理論描述的是所有可能的宇宙，而不單是我們這個特殊的宇宙。另外，根據弦理論，宇宙的種類可能有10500個，這是一個極為巨大的數目，大到什麼程度呢？據計算，我們的宇宙所有物質只有1078個原子！

另外，多元宇宙有助於解釋我們的宇宙為啥如此特殊。這種解決辦法有時被稱為「人擇原理」，即宇宙之所以這樣是因為我們在這裡觀察它。

對於科學家來說，我們宇宙的物理常數好像為了生命的存在而精心校對過。如果這些物理常數稍有變化，原子結構很有可能就不復存在了，恆星、行星以及上面的生命都不會出現。如果我們的宇宙是唯一的一個，這就很難解釋為啥這些物理常數如此特殊。但是如果我們的宇宙只是不計其數的多元宇宙中的一個，那麼適合生命存在的宇宙雖然很特殊但也會出現，我們只是碰巧住在其中的一個。就好像一個人買彩票很難中獎，但上百萬人買彩票，總會有人中獎，我們地球就是多元宇宙中恰巧中獎的那一個宇宙。

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  • 宇宙之初：大膨脹②宇宙膨脹時是什麼樣的？
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  • 宇宙之初:大膨脹②宇宙膨脹時是什麼樣的?
    在它之前，有一個稱為「宇宙膨脹」的時期，它出現得更早，它為大爆炸的產生提供了初始條件。瘋狂的膨脹宇宙膨脹為我們描繪了一個與我們「可觀測的宇宙」完全不同的景象。想像你（是一個粒子）位於時空結構中的某個位置，你的對象（是另一個粒子）就在你身旁。現在，影響你們距離的唯一因素，是宇宙的膨脹。那麼，你們之間的距離會如何變化呢？
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  • 宇宙之初:大膨脹①大爆炸之前就已膨脹?
    隨著時間的推移，它的空間結構本身會不斷擴展，從而導致身處其中的光子的波長拉伸，大粒子的動能減少，引力變得不均衡。這將使我們能夠在不對大爆炸理論做任何更改的情況下，將新理論與之進行對比。第一種方法通常被相信「景觀宇宙理論」或「多元宇宙理論」的人所推崇，但這明顯是不科學的。第二種方法的採用產生了「宇宙膨脹理論」，由艾倫·古斯於1980年提出，這是迄今為止更為宏偉的構想。
  • 宇宙之初：大膨脹①大爆炸之前就已膨脹？
    隨著時間的推移，它的空間結構本身會不斷擴展，從而導致身處其中的光子的波長拉伸，大粒子的動能減少，引力變得不均衡。這將使我們能夠在不對大爆炸理論做任何更改的情況下，將新理論與之進行對比。第一種方法通常被相信「景觀宇宙理論」或「多元宇宙理論」的人所推崇，但這明顯是不科學的。第二種方法的採用產生了「宇宙膨脹理論」，由艾倫·古斯於1980年提出，這是迄今為止更為宏偉的構想。
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