太空是什么形状的?(The Big Idea系列第一辑)

物理学家通常将集合多个独立“宇宙”（无论你想怎样定义它们）的复杂结构称为“多元宇宙”。这个术语*早是由美国哲学家威廉??詹姆斯（William James, 1842—1910） 在1895 年创造的（尽管他相当粗略地谈论的是超越世俗的感知概念）。同时，**个提出多元宇宙可能是物理现实的人是奥地利著名物理学家埃尔温??薛定谔。他在1952 年的一次有影响力的演讲中提出了这个想法。 以上所描述的无穷无尽的时空，和数量上无限的可观测宇宙，是我们能想象的*简单的多元宇宙类型。关于它的性质，我们能推断出什么？与我们所处宇宙质料相同并源自我们假定各处状态均等的大爆炸，它们实际只是“更多的时空”。如果我们能通过魔术门进入多元宇宙的另一部分，我们可以合理地期望它们的基本情况与我们的十分相似：空间仍是三维的，时间是一维的，以常见方式运算的物理常数也不变。 当然，可能会有一些有趣的变化。例如，尽管我们不能确定，但是多元宇宙的某些部分可能被反物质所主宰。 物质和反物质理论上是在大爆炸期间产生的，两者的数量相同。物质在当今宇宙中的主导地位仍然是个谜。有人怀疑这与某些亚原子粒子的相互作用从根本上打破了“对称性”有关。这可能意味着整个多元宇宙都偏向由物质占主导的方向，但我们还不能完全确定。 对于多元宇宙来说，“更多的相同”乍一看似乎有点乏味，但我们必须记住，我们谈论的是无限多的相同。在基本物理参数范围内，无限多种可能的场景可能会出现在不同的可观测宇宙（U.）中。可能会有另一个星球或多或少和我们的一样，在那里有另一个你和另一个我—只不过在那里我是左撇子，你乘飞艇去工作，我们都是恐龙的后代。事实上，如果多元宇宙真的是无限的，那么几乎必然有那样一个世界，以及所有其他可以想象的和物理上可能出现的结果。 然而，这种时空延展的多元宇宙只是多元宇宙的一种类型—在有影响力的宇宙学家马克斯??泰格马克所归类的四种宇宙中，这种扩展是*低级也是*直观的层次。在泰格马克的“数学宇宙（U.）”假说中，每种多元宇宙都可以嵌套在一个更高级、更深奥的层次上。所以，以上讨论中相当直观的无限时空的“一级”多元宇宙，只是“二级”多元宇宙中众多（可能 有无限多）这样的结构之一。依此类推…… 但是这些更高的层级到底是什么呢？层级越高，它们越难以理解，所以我们将从第二级开始讨论。 从本质上说，二级多元宇宙是一个不断产生“气泡”的物体，这些气泡本身就是一级多元宇宙，并且可能显示出彼此显著不同的特征。虽然一级多元宇宙的所有部分有相同的基本物理性质，但二级多元宇宙中分开的气泡可能显示出截然不同的物理常数—甚至是不同维度数下的不同时空排列。 二级多元宇宙论点的证据来自宇宙（U.）早期历史中发生的一个重要事件。它仅发生在大爆炸后的10-35 秒。这一事件被称为暴胀，它见证了初期宇宙（U.）的一小部分突然剧烈膨胀，从一个小原子的大小膨胀到像银河系一样的星系大小，然后在大约大爆炸后10-23 秒结束膨胀。 从20 世纪70 年代末开始，包括美国的阿兰??古斯和俄罗斯的安德烈??林德在内的宇宙学家将暴胀理论与大爆炸理论结合起来，以解决原始理论的预测和我们观测到的周围宇宙（U.）中实际情况之间的许多差异。 *重要的是，它解释了宇宙（U.）中大规模结构的存在，以及我们在这里的事实。我们已经看到，甚至在宇宙微波背景辐射（CMBR）形成之前，这些结构就已经通过引力对暗物质的影响开始合并，但是如果大爆炸符合艾萨克??牛顿的宇宙学原理（见第3 章），它应该已经产生了绝对平滑的物质分布。 那么*初少量的质量集中体是源自哪里呢？质量集中体的引力经过增强，并开始先将暗物质，后将明物质吸引到纤维状结构和空洞的宇宙网中。暴胀理论回答了上述问题: 在亚原子尺度的量子物理规则下，婴儿宇宙不可避免的微小变化被突然放大，于是产生了*初的质量集中体。根据这一理论，我们整个的可观测宇宙，甚至在更宽泛意义上的一级多元宇宙，都是在更大的大爆炸中从一个原子大小的区域迸发出来的。这个想法已经被广泛接受（如果不是一致认可的话），但显而易见的问题是：什么触发了它？为什么它只发生在我们宇宙（U.）的特定部分？