“昔者庄周梦为胡蝶,栩栩然胡蝶也,自喻适志与,不知周也。不知周之梦为蝴蝶与,胡蝶之梦为周与?周与胡蝶,则必有分矣。此之谓物化。”——《庄子·齐物论》
有关多元宇宙的哲学思想,最早出现在我们都很熟悉的一个故事:庄周梦蝶!庄周在梦中分不清那是蝴蝶的庄周,还是庄周的蝴蝶,正是说明了我们无法分辨真实和虚幻,而多元宇宙也是自量子力学和宇宙暴涨理论发展起来以后,有关现实性问题提出来的科学猜想。今天我们就从科学的角度聊以下几个问题。
什么是多元宇宙理论?每个多元宇宙会有不同的自然规律吗?还是说其他宇宙仍然按照与我们相同的基本法则运作?每一个宇宙都来自于我们认为的大爆炸,还是它们都有自己独立的“大爆炸”和独立的空间扩张?以上的问题就先从我们自己所了解并能够观察到的宇宙说起。
宇宙和我们的宇宙(0级多元宇宙)
上面图片中的每一个点都是一个星系,每一个星系都包含了数百万到数万亿颗恒星;其中最大的星系是银河系质量的数千倍。而上图中只显示了我们可观测宇宙中大约0.0002%的星系!
上面这副照片相信大家都很熟悉,是哈勃太空望远镜对准了一个不起眼的黑暗天空(那里看起来空无一物,也没有任何显著的特征,更没有明亮的恒星,没有已知的星系,没有尘埃或中性气体云)持续曝光观察了23天,我们在遥远的宇宙中发现超过5000个星系。哈勃观察的这一小块区域只占全天空的1/3200万,所以我们推断在宇宙中至少有几千亿个星系。
在最大的尺度上,我们宇宙的视野向各个方向延伸了约460亿光年。除此之外,我们唯一受到的限制就是:宇宙的年龄是有限的,光速也是有限的。
但据我们所知宇宙的大小根本不止于此!而且我们在太空中的位置和所看到的一切并没有什么特别之处;无论我们往哪里看,宇宙在结构、密度和所有性质上都是大致相同的。
我们甚至可以观察到宇宙大爆炸后残留的余热:微波背景辐射(CMB)。
这是宇宙从大爆炸发生后的38万年、从近460亿光年的位置向四面八方辐射的快照。我们所看到的一切都表明,宇宙的密度和性质在任何地方都是近似相同,物理定律在宇宙的任何地方都是相同的,宇宙的空间也不是一个封闭的球面,就所谓的正曲率,宇宙不会重新塌缩。
我们所能看到的宇宙区域,也就是可观测宇宙只是整个宇宙的一小部分。我们认为在宇宙存在的整个过程中,我们所能看到的恒星、星系和辐射,只是大爆炸中创造的一小部分。
虽然宇宙很庞大,但根据我们的观察发现,无论宇宙究竟有多大,它的每一个部分(包含不可见区域)都具有以下相同的性质:
宇宙在任何时候、任何地点都遵循着同样的物理定律,
每个区域都有独特的历史,并且与其他每个区域没有因果关系(这意味着不能交换信息)
这一切都源于我们认同的大爆炸事件。
换句话说,即使在可观测的宇宙之外,也有很多相同的宇宙区域,或者我们应该称之为0级多元宇宙,并不是我们认为的多元宇宙!
0级多元宇宙意思是说,宇宙就包含了我们的可见宇宙和不可见宇宙,就只有这么一个宇宙。
然而,我们认为有一个多元宇宙,不仅仅是我们的宇宙,这是因为我们掌握宇宙暴涨理论以后认为宇宙有独特的起源方式!
宇宙暴涨下的多元宇宙
自大爆炸以来宇宙一直在膨胀,空间的膨胀与宇宙中存在的物质和能量密度有直接的关系。当宇宙更年轻、温度更高、密度更大、能量更高的时候,膨胀速度比今天的要快的多。今天,宇宙的能量密度比以往任何时候都低,而且还在继续下降,逐渐接近一个很小的非零值。
这个很小的非零能量我们称为暗能量,是空间本身固有的能量。虽然物质和辐射密度在不断膨胀的宇宙中一直被稀释,但暗能量的密度总保持不变。因此,暗能量已经成为宇宙膨胀率最重要的因素。
在大爆炸之前,宇宙也经历了同样的膨胀,区别在于大爆炸之前的能量更大,膨胀速度更快!这就是所谓的宇宙暴涨时期。
宇宙暴涨时期,发生在大爆炸之前,开始于10^-36秒,暴涨结束后就诞生了我们常说的宇宙大爆炸的初始条件,炽热、稠密的夸克、胶子等离子体原始汤。而暴涨的发生完全是有量子场决定的,量子的波动会导致在空间的各处发生着同样的暴涨。
暴涨会导致其所作用的时空呈指数级膨胀,指数级膨胀的速度非常快!而且暴涨是发生在不同的空间区域。从而创造了很多没有联系的宇宙!
由于量子场论的性质,无论暴涨是如何开始的,空间的大部分区域一旦暴涨开始,将永远保持指数膨胀。但很明显,这并没有发生在我们的宇宙中;暴涨在某种程度上停止了,并产生了我们今天生存的宇宙。无论暴涨以何种机制在我们的空间结束,它也应该能够在任何其他的空间区域结束!
即使暴涨区域的增长速度比膨胀的区域结束的要快,时空中就会出现大量的不连续区域,在这些区域中,膨胀已经结束(下面用X标记)而在其他区域暴涨继续发生。
当暴涨结束时,这些相互独立的时空区域都会产生大爆炸的初始条件,并且经历自己时空区域的大爆炸。这就是我们所说的多元宇宙。而这样的多元宇宙,在宇宙暴涨的背景下肯定会发生。
总结:关于多元宇宙,我们得出一些结论
有一些宇宙,完全独立于我们的宇宙,它们有完全独立的大爆炸事件,与我们所知的宇宙形成的大爆炸事件相同。
我们的宇宙比可观测区域要大得多,这些区域都是在大爆炸中产生的,都具有相同的基本定律和常数。
由于宇宙暴涨的存在,所以应当还有其他宇宙,它们有着不同的大爆炸,但很可能有着相同的基本定律和常数,
暴涨产生的其他宇宙与我们的宇宙没有因果关系,不会影响我们,也不会受到我们的影响。
它们都有自己独特的历史,在其他的宇宙中可能也存在智慧的观察者同样在寻找类似的答案。
这就是我们所认为的多元宇宙。