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《极简宇宙史》第七部分 迈向已知世界之外的第一步 第2章许多大爆炸

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前些日子,你做过一个关于猫的实验。薛定谔的猫。它背后的想法是找到一个戏法能将微观世界的量子行为引入宏观世界,变成可被观察的现实。对于暴胀我们也能用同样的原理。而且这次不需要猫。

按时间顺序排列,暴胀时期发生在大爆炸之前。暴胀场将曾经非常微小的宇宙在一个短到无法想象的时间里变到非常巨大。暴胀场和它的基本粒子(暴胀子)随后通过E=mc²的比例衰变为纯能量,释放出非常巨大的能量,整个宇宙变得难以置信的炽热。这就是我们所理解的大爆炸开始时的情境。暴胀场的物质变成了能量,将后来构成我们今天一切事物的各种场激发出来。

在暴胀时期,宇宙膨胀的速度如此巨大,以至于所有可能(因此也就必然)发生的量子起伏都被冻结,一个接一个的。更令人惊奇的是,这些被冻结了的起伏直到今天依然能被科学家们从他们日益精确了解的宇宙微波背景辐射中分辨出来。

暴胀能够预测出遍布宇宙的背景辐射为什么难以置信地能以均匀这一方式呈现。但那只是我们当初引入暴胀的原因之一。它并不完全只是一个预测。

它还表明在这个均匀的辐射背景之上应该印着一些量子起伏的印记,以微小的温度差异方式表现。这种差异被称为“各向异性”。

当时这并不是一个已知的事实,但是随后这种起伏被确认了。美国天体物理学家乔治·斯穆特(George F.Smoot)和约翰·马瑟因(John C.Mather)因实证发现了宇宙微波背景辐射的极其一致性和各向异性而获得了二〇〇六年的诺贝尔物理学奖。

这种温度在两个地方相差约一摄氏度的千分之一,但的确有差别。这种差别甚至被认为是后来引发了恒星与星系形成的原因。

如果没有差别,整个宇宙将到处一片均匀,恒星将永远无法诞生。

因为有了这些起伏,我们幼年宇宙中的一处便与另一处有了微小的差异,引力让这些差异越变越大,这些差异被不停放大的结果就是,恒星以及构成我们宇宙的一切结构的诞生。

现在,暴胀同样将极小与极大混合在一起,从我们宇宙演化非常早期的量子起伏,直到我们今天所见的宇宙结构的诞生,它一直就是这样。它甚至还提示了那些神秘的暗能量可能是什么,因为这些反引力可能来自暴胀场所遗留下来的真空能量。

暴胀能够解释宇宙中尚无解释的许多现象。因此许多科学家们都很认真地考虑这个理论,它也的确值得这样。既然我们已经说到这些,我前面也提到过这个画面也会带来令人困惑的结果,下面就让我们来看看。

就我们今天的理解,暴胀场不会一直保持平静。它不是那种“一次性”的场,不会只在我们宇宙诞生时出现一次。事实上,它应该不止一次地触发了宇宙大爆炸,而且是许多次,无限多次。

与所有量子场一样,暴胀场同样会发生量子起伏,使自己能够在局部上从真空态跳跃到其他状态。通常情况下,在你至今已经看到过的所有场的例子里,这个过程的结果是粒子从一个地方跳跃到另一个地方,或者无中生有地被创造出来。在暴胀场中,意味着它能自发创造一个小规模的宇宙。或者两个。或者许多。在所有地方。我所说的所有地方真的是我们宇宙空间里的任何地点,虽然它所涉及的时间尺度可能(也可能不是)非常巨大。这个过程被称为永久暴胀。它永远不会停止。早已存在的宇宙中又出现了新的宇宙气泡,在那里,暴胀场的真空量子跃迁到了另一个状态,另一种真空。它们就像一滴油滴在了一个大湖的表面。它们变大,再变大,还变大……然后在这正在变大的油滴中又出现了一个新的油滴。

气泡宇宙中的气泡宇宙,里面还有气泡宇宙。

这是多重宇宙的又一个例子,但它不同于你以前曾经见过的那种多重宇宙类型。在这种图景下,你我或许就生活在一个气泡宇宙之中,而在我们这个气泡宇宙中,在我们的时空里,未来某个遥远的瞬间,会有新的气泡宇宙出现,就如我们自己的这个宇宙或许就是出现在另一个宇宙中的某个气泡,那个宇宙比我们的更大,或许已经有些损坏,或者空洞化了。我们可见宇宙在未来潜在的冰冷死亡或许正是一个新的气泡宇宙诞生与成长所需的模具……

好吧。

在本书快结束时进行的弦理论游历中,我们将再次看到这些有趣的泡泡宇宙。现在,这种永久暴胀或许(完全有理由)让你觉得疯狂(至少我有这种感觉,但我颇喜欢这种感觉),不过,与你们将要见到的弦理论相比,这些都是小儿科,到了那里,没有什么能让你感到稍微正常,真的……你甚至可以将你刚见过的这个泡泡宇宙当作你最后旅程的引子。在去那里之前,在回到我们可见宇宙并寻找那些著名的弦到底隐藏在哪里,它们到底是什么,对我们的现实有什么影响之前,让我们看看能否以我们已经学到的知识看看暴胀之外的东西。

对于那些想知道“宇宙是如何开始的”的人,永久暴胀理论听起来并不会让他们满意,因为不存在真正的开始,它只是泡泡,从一开始就这样,始终如此。

但或许还有其他可能性。

在这里,我无法将它们全部列出,我只提其中一个。

历史上的最早一个。

  1. 如果你真的对数字非常感兴趣,宇宙暴胀据信发生于大约0.000000000000000000000000000000000001秒(10-36秒)之内或者在空间与时间诞生后的大概0.00000000000000000000000000000001秒(10-32秒),在这段时间内,暴胀场让整个宇宙变大了1000000000000000000000000000(1026)倍。​​​​​

  2. 第一种宇宙含有我们宇宙中的一切,加上那些我们无法观测的部分,而第二种则是艾弗雷特以“多重世界”的方式对量子机制所作出的解释。这里是第三种类型:宇宙之中诞生出的新宇宙。​​​​​