多重宇宙存在的理由，我們的宇宙并非唯一？

觀察銀河系外遙遠(yuǎn)的宇宙，讓我們認(rèn)識(shí)到我們的宇宙正在膨脹和冷卻，星系之間的距離也越來越遠(yuǎn)。這個(gè)觀測(cè)結(jié)果對(duì)我們來說意味著什么？如果宇宙正在膨脹和冷卻，那么這意味著在過去的時(shí)刻它應(yīng)該更加緊密和炙熱。

這時(shí)我們就會(huì)想是什么導(dǎo)致了宇宙的膨脹，宇宙已經(jīng)膨脹了多大，換句話說我們宇宙的膨脹速率是多少？根據(jù)廣義相對(duì)論，宇宙的膨脹率是由主導(dǎo)宇宙的能量類型決定的。

在我們宇宙歷史的大部分時(shí)間里，盡管宇宙充滿了星系、恒星、行星以及我們所發(fā)現(xiàn)的所有物體，但宇宙的大部分時(shí)間都是由正常物質(zhì)和輻射能量主導(dǎo)的。(這里不包括暗能量主導(dǎo)，暗能量這對(duì)早期的宇宙沒有任何影響。)

當(dāng)宇宙由物質(zhì)主導(dǎo)時(shí)，它的膨脹方式是：

我們注意到膨脹速率H，隨著時(shí)間的推移而減小。這意味著過去的宇宙更熱、密度更大、膨脹速度更快。如果宇宙在過去更熱，這意味著宇宙中的輻射波長(zhǎng)更小能量更高!

所以如果我們追溯到足夠遠(yuǎn)的時(shí)期，那時(shí)的宇宙更熱，密度更大，在某一時(shí)刻它會(huì)熱到無法形成中性原子!如果我們繼續(xù)往回推，輻射的能量密度最終會(huì)超過物質(zhì)的能量密度。這將導(dǎo)致宇宙以不同的方式膨脹!那么以輻射為主導(dǎo)的宇宙是如何膨脹的?

輻射為主導(dǎo)膨脹與物質(zhì)的膨脹相似，因?yàn)樵跀?shù)學(xué)的計(jì)算結(jié)果只有一點(diǎn)不同。但是我們不能回到任意高溫，或者回到奇點(diǎn);宇宙微波背景告訴我們，過去宇宙的溫度是有極限的。

那么，在我們所知的“大爆炸”的最初階段發(fā)生了什么?在我們這個(gè)炙熱、稠密、充滿物質(zhì)和輻射的宇宙出現(xiàn)之前是什么?

據(jù)我們現(xiàn)在所知，宇宙曾出現(xiàn)過一段暴脹時(shí)期。宇宙的暴脹把空間的褶皺拉平，使宇宙空間在任何地方都具有均勻平坦的性質(zhì)，從而建立了今天我們所觀察到的宇宙初始條件。

這時(shí)宇宙由真空能量主導(dǎo)，而不是由物質(zhì)或輻射能量主導(dǎo)。當(dāng)宇宙被真空能量所掌控時(shí)，它的膨脹過程將看起來非常不同。讓我們來看一看……

注意這時(shí)宇宙的膨脹率不會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降！這意味著宇宙的膨脹是呈指數(shù)暴增的，在很短的時(shí)間內(nèi)，它不僅可以膨脹到我們?nèi)祟愃芾斫獾姆秶猓€可以膨脹到到比整個(gè)可見宇宙大幾倍的范圍！

現(xiàn)在，你可能想知道我們無法觀測(cè)的宇宙有多大。可以這么說，宇宙中超過460億光年的部分，我們根本看不見星體發(fā)出的光。

那么是什么決定了宇宙暴脹的程度呢？讓我們來看看暴脹的標(biāo)準(zhǔn)模型。

這里的y軸代表能量。也是空間固有的真空能量。很明顯，現(xiàn)在我們太空中的真空能量非常小:比我們想象的宇宙暴脹時(shí)期要少28個(gè)數(shù)量級(jí)!

如果我們想讓宇宙膨脹的足夠大，以解釋我們今天所觀察到的平坦和大致均勻的宇宙，那么宇宙就需要在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持暴脹狀態(tài)。上圖中，意味著我們需要從這條曲線的平坦部分開始。

只要沿著這條曲線慢慢的滑動(dòng)，我們就會(huì)得到足夠時(shí)間的暴脹來產(chǎn)生我們現(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙（主要性質(zhì)：平坦和均勻）。

最終能量曲線會(huì)進(jìn)入谷底，這時(shí)，真空能量被轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和輻射。這個(gè)過程發(fā)生在138億年前。導(dǎo)致宇宙暴脹的本質(zhì)很可能是量子場(chǎng)或量子漲落。

如果真空能量是一個(gè)量子粒子，那么它的波函數(shù)會(huì)隨著時(shí)間擴(kuò)散，自由地占據(jù)任意的疊加狀態(tài)。這如何應(yīng)用于上面的暴脹理論呢?當(dāng)我們讓它隨著時(shí)間擴(kuò)散，我們會(huì)得到什么?

上圖我們得到這個(gè)量子場(chǎng)的一部分，如果它滾動(dòng)得夠慢，量子場(chǎng)實(shí)際上會(huì)從它開始的地方向后擴(kuò)散，直到其他區(qū)域繼續(xù)開始膨脹的狀態(tài)！還記得我們上面展示的經(jīng)典暴漲圖嗎?

在這幅圖中，暴脹發(fā)生了一段時(shí)間，然后在所有地方同時(shí)結(jié)束。

但是如果我們?cè)试S暴脹狀態(tài)成為一個(gè)量子場(chǎng)，我們必須計(jì)算它的擴(kuò)散的速度，暴脹的速度，它滾下山的速度。如果它滾動(dòng)的速度太快，或者膨脹的速度太慢，它就沒有足夠的時(shí)間在宇宙的足夠區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散。但是如果它滾動(dòng)得足夠慢，膨脹得足夠快，擴(kuò)散得足夠快，會(huì)發(fā)生什么呢？

我們將從最初暴脹區(qū)域開始，用藍(lán)色表示膨脹區(qū)域。如果曲線接近谷底的地方，暴脹就會(huì)結(jié)束，我們可以用紅色的x來標(biāo)記它。但是如果時(shí)空區(qū)域繼續(xù)暴脹，我們會(huì)讓時(shí)空區(qū)域保持藍(lán)色，由于量子場(chǎng)的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致更多的空間暴脹。（下圖）

雖然單個(gè)區(qū)域的暴脹將在任何給定的時(shí)間結(jié)束，但足夠多的量子場(chǎng)決定了它的行為將會(huì)經(jīng)歷量子“擴(kuò)散”，讓整個(gè)空間回到穩(wěn)定的指數(shù)膨脹狀態(tài)，因此膨脹將持續(xù)一段時(shí)間。

換句話說，宇宙中有一些區(qū)域曾經(jīng)暴脹過，那些假真空能量變成了輻射和物質(zhì)，而宇宙的這些部分和我們自己區(qū)域有著非常相似的歷史。但是在這些區(qū)域之間，還有其他的部分繼續(xù)膨脹。

這就是為什么存在多元宇宙，而不僅僅存在我們的宇宙!

現(xiàn)在，我們?cè)僬f一個(gè)保守的估計(jì)。在這個(gè)故事的版本中，多元宇宙的所有不同區(qū)域的基本常數(shù)是相同的，而其他宇宙和我們自己的宇宙有著相同的物理定律，具有相同的量子真空。

以上的觀點(diǎn)——多重虛假真空、多元宇宙、與量子引力的聯(lián)系等等——是近年來人們依據(jù)弦理論的推測(cè)得到的。但是這些觀點(diǎn)被大多數(shù)科學(xué)家所認(rèn)可。