原作者 百度三體吧 短命郭嘉

準備花一段時間放在這本科普書的一些閱讀體驗上，這是本好書，就像《宇宙的琴弦》那樣的好書，值得一看再看！


本帖相當於我閱讀這本書的一個筆記，大家都可以參與討論和學習！


滾鍵盤！以下是大劉為這本科普的代序。


文明的歷程，就是人類越看越遠的歷程，隨着視野的延伸，人們所知道的宇宙變得越來越大。


我小的時候生活在太行山區，那時遠方的山脊線在我眼中曾經是很奇妙的東西，看着那條以空曠的天空為背景的山脊，我總是好奇山的那邊會有什麼東西，漸漸地開始想像山那邊有一個很神奇的世界。對於那時的我，那條山脊線就是世界的邊緣。對於人類的遠古祖先來說，這種感覺可能常常出現，在那時的人們眼中，可能一個山谷就是世界的全部。


不同民族的神話傳說中，都出現過覆蓋全世界的大洪水的敘述，以至於人們曾經認為地球真有過一個大洪水時代。其實這可能是一個誤解，因為神話中的「世界」概念與我們今天大不相同，比如最著名的《聖經》中的大洪水，也聲稱是席捲全世界，但那個世界只是地中海地區及其有限的一個範圍，那次洪水也只是一次地區性洪水而已，即使黑海灌入地中海的猜測成立，離現今意義上的世界性洪災還差得遠。


後來，人類的世界視野擴展到整個宇宙，並延伸到星空中，而在相當長的一段時間裡，人類所認識的宇宙仍然只有太陽系大小，土星和海王星就是宇宙的邊緣。17世紀末恆星視行差的發現，使人類眼中宇宙的尺度發生了一次巨大的飛躍，但直到20世紀初，科學家們仍然認為銀河系就是宇宙的全部。現在，可觀測宇宙的尺度已經擴展到百億年以上，這是一個人類的想像力已經難以把握的巨大存在，而平行宇宙理論告訴我們，這樣一個巨大的宇宙並非存在的全部，而可能只是滄海之一粟。


我們對多重宇宙理論並不陌生，但大多來源於量子力學的多世界假說，而在這本書中，共為我們描述了多達9種可能的多重宇宙，大多以前鮮有聽聞，量子力學的那一種反而放到了最後。


在這9種平行宇宙中，最為直觀的應該是所謂的百納布多重宇宙，我們對宇宙無限的概念並不陌生，在一個無限的宇宙中，相距遙遠的區域必然形成無數的多重宇宙，最驚人的推論是：基本粒子的組合方式是有限的，如果宇宙無限，那麼必然會出現粒子的組合與我們所在的子宇宙相同的其他子宇宙，而這樣的子宇宙也是無窮多個，也就是說，我們的世界可能有無數個拷貝。這是一個在數學上最能為我們普通人理解的多重宇宙模型。最具哲學性的是所謂終極多重宇宙，設想所有可能的規律和參數都是存在的，都能夠成各自的宇宙，甚至包括那些無法用數學計算和表達的規律，這無疑是無窮大中的無窮大了。這樣的宇宙動搖了認識論的哲學基礎，科學探索建立在這樣的動機上，即試圖說明宇宙規律和宇宙參數為什麼是現在這個樣子，但在終極多重宇宙中，所有的可能性都存在，就像鞋店中所有尺寸的鞋子，其中必然有合我們腳的那一雙，這樣探索的意義就大打折扣。除以上兩種外，書中還描述了包括弦論在內的現代最前沿的物理學和宇宙學理論所產生的多重宇宙模型，甚至還探討了可能在計算機中產生的虛擬宇宙。


我一直認為，人類歷史上最偉大最美妙的故事，不是游吟詩人唱出來的，也不是劇作家和作家寫出來的，這樣的故事是科學講出來的，科學所講的故事，其宏偉壯麗、曲折幽深、驚秫詭異、恐怖神秘，甚至浪漫和多愁善感，都遠超出文學的故事。這本書更證明了這個想法。作為一個科幻迷，在讀此書時充滿了閱讀科幻小說的快感，但此書的想像力卻遠遠超越了科幻，其宏大廣闊和瘋狂的程度是任何科幻小說所不及的，比如弦論中的高位空間形態有10的500次方種之多，由此可能產生同樣數量的多重宇宙，而我們所在的宇宙所有基本粒子的總和也不過10的90次方；還有那包含一切可能的終極多重宇宙，科幻小說中從來不敢描述這樣的概念。讀這本書的自始至終，震撼緊跟着震撼，神奇疊加着神奇，書中的思想之遼闊深遠，想像力之瘋狂，讓人頭暈目眩。但本書不是科學幻想，其中的每一種多重宇宙模型，都是嚴謹的科學推論，都有着理論和數學基礎，其含金量是科幻所遠不能比的。所以，科學不是想像力的桎梏，恰恰是想像力的源泉和翅膀。本書的書名本來叫《宇宙的雲圖》，我感覺這個書名更貼切一些，在這幅壯麗的雲圖面前，我們的思想尺度被拉伸到極致，有一種站在無限時空之外的上帝的體驗。


現代科學，特別是物理學，已經進化到極其深奧的領域，其前沿理論所描述的世界已經遠遠超出了我們日常的經驗範圍，而描述這些理論所用的艱深的數學語言也讓人望而生畏。而本書的作者格林卻有一種偉大的才能，能夠把最深奧和晦澀的理論用符合我們現實經驗的語言描述出來，不僅能夠為我們所理解，而且這些描述鮮活生動，富有美感。這種才能在他之前的一本介紹弦論的書《宇宙的琴弦》中已經表現出來，那是我讀過的包括相對論、量子力學和弦論在內的現代理論物理學介紹得最為清晰明白的一本書，格林的才能在這本書中更是發揮的淋漓盡致。同時，本書的翻譯也十分出色，譯者對理論物理學和宇宙學有着專業而深刻的理解，用流暢的譯文完美地表達了原書的意蘊，本書在高層次的科學傳播著作的翻譯中可以說是一個典範。


說到科學傳播，不由生出諸多感嘆。相對於有着明確現實意義的應用科學和技術，每個人更應該了解的卻是最基礎的科學理論，以及其最前沿的進展，因為這是人類眼中與着大自然的最新圖景。如果一個人，從降生起直到老死，終生都沒有走出過家門，這無疑是十分悲慘的人生。而我們如果在短暫的人生中匆忙而過，對超出我們視覺的宏大和微小的世界毫無了解，每天的思想都在生活和工作的範圍里徘徊，那就等於在精神上一輩子沒走出過家門，這無疑是人生的一大遺憾。


曾經，基礎科學的最新理論對社會和人們的思想產生了深刻的影響，哥白尼的日心說、牛頓的古典力學以及達爾文的進化論，莫不如此。但後來，這種影響漸漸消失了，基礎科學，特別是理論物理學，變成了象牙塔上的空中樓閣，離社會生活越來越遠。如果要找出一個界限的話，那就是量子力學，大眾正是在量子力學出現之後才對理論物理學和宇宙學漸漸陌生的。相對於包括相對論在內的基於決定論的古典理論，量子力學以後的物理學顯現出全新的哲學面貌，對人們所習慣和熟悉的認知方式產生了巨大的挑戰，特別對於一直接受單一哲學教育的中國公眾，這種陌生感和挑戰就更加明顯。


於是產生了一個令人不安的現象：在科學技術飛快改變着人類生活的同時，科學的最新的世界觀卻不為人知，社會公眾和科學家眼中的大自然和宇宙差距越來越大，公眾眼中的宇宙仍是一副古典的圖景，這種認知的差距可能成為社會進步潛在的最大障礙。


例如，現代物理學和宇宙學為我們展示了一個極為廣闊的宇宙，而平行宇宙理論的出現，不論書中的9種多重宇宙假說的哪一種成為現實，都使宇宙的廣闊又增加了許多個數量級，將人跡未至的廣漠空間又複製了無數份。這種宇宙與人類在大小上的反差觸摸驚心，這種反差其實是一個明確無誤的哲學上的啟示，召喚着人類走出灰塵般的地球搖籃，去填補那巨大的空白，這種開拓和擴張不僅是文明的使命，更是生命的本質。但是現在，人們顯然沒有感受到這種召喚，他們仍沉浸在古典宇宙圖景中，在人類中心的幻覺里得過且過。


基礎科學日益遠離大眾，有可能使人類躺在技術的安樂窩中再次進入蒙昧時代，社會急需第二次科學啟蒙運動，這就使得《隱藏的現實：平行宇宙是什麼》這樣優秀的科學傳播著作具有不可估量的意義。


2013年3月18日
劉慈欣

簡單列出本書中介紹的9種平行宇宙的名稱：


1、百納被多重宇宙。
2、暴漲多重宇宙。
3、弦論多重宇宙。
4、膜和循環多重宇宙。
5、景觀多重宇宙。
6、量子多重宇宙
7、全息多重宇宙
8、虛擬多重宇宙。
9、終極多重宇宙。

先說說第一個最簡單的多重宇宙：百納被多重宇宙。


百納被是什麼？百度出的圖片是：
可以看出就是一塊塊方布沿着各邊緣堆砌的樣子。


百納被多重宇宙的直觀上的含義也就是這樣的，每一塊方布都是一個子宇宙，無數多個子宇宙就這麼三維空間的方向上並排排列好。


由於宇宙的所有物質是由有限個種類的基本粒子組成，那麼那麼多種基本粒子的各種形態的排列組合就是有限的。而百納布多重宇宙觀說，宇宙在空間上是無限廣闊的，到處都是物質填充在其內部。那麼無限的空間，被有限的排列組合方式所填充，那麼必然存在重複的排列組合。那麼我們目前所觀察到的宇宙（一個子宇宙），全部的基本粒子的排列組合就是一種模式的固定序列。這個序列必然會在無限物質中，重複地出現。所以說，這樣情況下，必然存在好多個與我們這個子宇宙一模一樣的其他子宇宙。


舉個簡單的例子，一個容器（子宇宙）可以放3個玻璃球（其內的物質），而玻璃球有4種顏色（基本粒子形態的排列方式）。那麼這個容器里的玻璃球的顏色組合有幾種？3×4=12種對吧。如果我有1萬個這樣的容器，每個都放入3個玻璃球。玻璃球的顏色只有12種排列方式，所以這1萬個容器中具有大量重複的、相同的玻璃球組合方式。高中學過排列組合的可以秒理解。如果容器有無數個，那麼某種組合的出現數量也將是無限次。

第二個：暴脹多重宇宙。


首先要說的是宇宙大爆炸假說，說的是我們的宇宙起源於一兩百億年前的一次大爆炸，這個大爆炸的起點是一個點狀（無體積，含有能量）的存在。當宇宙大爆炸開始之後，宇宙空間和時間就開始不斷膨脹，直到今天仍然在膨脹。大爆炸也被稱作「宇宙的創生」。


科學家發現了「宇宙微波背景輻射」，是宇宙創生時出現的原始光子，是那種直到現在仍然在宇宙間遊盪的光子湯。剛開始，這鍋光子湯很燙，能量很高，波長很短很短頻率很高。但隨着宇宙膨脹擴大，光子湯慢慢冷卻了（能量下降）。但光速是恆定的，光子能量下降就意味着波長變長。百億年之後的現在，這鍋光子湯的波長已經長到了微波的範圍（比可見光的波長更長，再長一點就成為尋常的無線電波了），所以稱為微波背景輻射。


暴脹理論。這玩意兒是人們對大爆炸理論與現實觀察數據產生了一種「不可思議的巧合」的思索引出的。也就是說只有假設宇宙初期暴脹過，才能解釋這個看似十分巧合的觀察數據。具體如下：


這個觀察數據指的是，無論我們把望遠鏡對準宇宙的哪個方向，觀測到的宇宙微波背景輻射居然是相同程度的。微波背景居然在全宇宙範圍內是極其均勻的。這看起來很正常，但科學家們找到了一個值得推敲的地方。

微波背景輻射指的是回蕩於宇宙範圍內的那鍋光子湯，它們自宇宙創生起就在這個不斷膨脹的宇宙里，永遠以恆定的光速奔波。其中的極小一部分光子在最近撞到了我們的望遠鏡里，成為我們了解宇宙奧秘的一個數據。


在我們的物理學家的理論中，有一個非常基礎的假設，那就是宇宙學原理：宇宙中不存在大範圍的特殊的地方，比如某個區域的規律與其他地方是不同的，比如某個區域的某些物理基本參數值不同於其他地方。換句話說，宇宙在大尺度上是均勻的。微波背景輻射的均勻性正好體現了宇宙學原理。


現在我們就得仔細從大爆炸開始，看看宇宙學原理是不是會成立。結果顯示，這樣創生出來的宇宙，出現各向同性（均勻性）的幾率可以說是無限接近於零。換句話說，宇宙學原理不能從大爆炸理論中給出。下面我們仔細看看怎麼回事。就說這個微波背景輻射的均勻性問題。


光子湯有能量，每個光子都有能量，我們可以把這種能量看作是溫度。能量的傳遞或者說溫度的傳遞，必須通過接觸或者輻射的方式來進行。就比如熱的物體要把熱量傳遞給冷的物體，要麼放在一起，要麼通過自身輻射。


而我們在觀察宇宙時發現的微波輻射在全空間範圍內的均勻性，有這麼一個不可思議的地方：


在我們觀察宇宙的一端時發現了新的物質，那意味着那裡發出的光才剛剛到達我們這裡，還沒來得及跑到宇宙的另一端呢。這種情況就指出了，宇宙的兩端根本還沒來得及發生相互影響，沒有接觸過，更沒有任何輻射到達對方。可令人咂舌的是，宇宙兩端的微波輻射居然是完全相同程度的！


這就好像兩個傢伙一出生就被兩個人抱走後獨自成長，相互之間沒有任何交流。結果我們發現他倆說的是同一種語言！除非什麼？除非這兩個抱走孩子的人，說的是同一種母語。問題在於我們的宇宙中，沒有這種抱着孩子走的人。出現這種全同現象，就肯定有一個被忽略了的因素存在着。


還有一個比這個更不可思議的地方就是：為什麼宇宙一端的光子剛剛到達我們這裡，還來不及傳到另一端呢？這麼大的空間是怎麼膨脹出來的？別忘了光速可是速度極限。這意味着宇宙空間的膨脹速度，起碼在某個階段必須超過光速，並且超過很多倍，以至於百億年前發出的光子，到最近才剛剛走完了一小段路程。注，空間的膨脹速度可以超光速，這不違背相對論。


一個叫暴脹宇宙論的理論出現了，它解決了這兩個不可思議。首先暴脹論就是承認宇宙膨脹速度就是超光速的，起碼在宇宙外圍的那部分空間一直在超光速膨脹，而且越來越快永不減速。但是這個理論的一個核心是，宇宙在創生初期，雖然也膨脹，但起始的一個階段膨脹速度不超光速，以一種比較緩慢的方式膨脹。接着在某個臨界時刻，忽然宇宙空間開始了超光速膨脹。


它更解釋了為何來自於互不溝通的兩部分空間的微波背景輻射會完全一樣，那是因為在沒有超光速膨脹之前，光子湯完全可以在整個宇宙範圍內來回跑個遍，抹平了不同區域的溫度差。最終，這個被平均化了溫度差的宇宙，開始了超光速膨脹。接着我們就觀察到了全方位均勻的微波背景輻射。

暴脹論認為宇宙的膨脹速度曲線如下，橫軸為時間，縱軸為宇宙膨脹速度：

這裡再延伸說說這根曲線帶來的問題。在左下方的原點，代表着宇宙的創生。那也是時間的創生，是絕對的0時刻。從那個時刻開始，宇宙就開始膨脹，但膨脹的速度由於一個原因而慢慢減緩，這個原因很顯然就是引力。但是當宇宙空間的體積到達了某個值之後，宇宙膨脹速度由於另一個原因而開始增長，並且是永久性遞增的趨勢。這另一個原因是什麼？廣義相對論告訴我們，也是引力！！！！！！！！！！


當我讀到這裡時我就徹底凌亂了，有一個名詞叫「排斥性引力」，讓我百思不解：引力怎麼可能是排斥效果的呢？？這兩個絕逼相反含義的詞居然被捏在了一起啊，還是物理界最燦爛的明星：廣義相對論所解出的結論。。


好吧這本科普書又花了一大片篇幅來解釋這個概念，我就直接說說我看完後的理解了。


引力並不再是牛頓時代的那個只包含相互吸引的作用力的概念了，在現在看到「引力」兩個詞，必須要立刻在腦海里翻譯成」時空彎曲「。舉個例子，廣義相對論中，離心力也是一種引力，也是一種時空彎曲的方式。離心力卻是形成物體相互遠離效果的。


那麼排斥性引力就是具有排斥效果的時空彎曲。嗯，這樣一來就多了一個途徑來理解了。時空彎曲的方式可以有多種形態，曲率為正的，那就是吸引效果；曲率為負的，那就是排斥效果。排斥性引力可以類比離心力來理解其存在的意義，當然不能直接類比說宇宙在旋轉。。宇宙是否旋轉其實沒有意義，因為找不到絕對可以參考的對象。


當初老愛從廣相推導出這個概念時，賦予了它」宇宙常數「的名稱。老愛用它來抵抗物質之間的相互吸引，來維持宇宙的穩定存在。雖然老愛的這種用法是錯了的，但老愛解出的這個概念確實有用的。暴脹論就是用它來解釋宇宙膨脹加快趨勢的。


這本科普書的作者不是我上面的說法，他說，在廣義相對論中，決定時空彎曲曲率的不僅僅是能量或質量，還有一個決定性因素是」壓強「，這三者共同決定時空彎曲的形式。正壓強形成吸引效果，負壓強形成排斥效果。他還說，空間本身就是天生擁有負壓強屬性的，這並不是指某個東西均勻地分佈在空間里，而是空間本身具有的。當空間膨脹了，多出來的空間就提供相同的、額外的負壓強，提升排斥效果。


所以一開始，宇宙創生後，空間以慣性膨脹（⊙﹏⊙b汗），空間擴大，空間負壓慢慢增加，排斥效果也慢慢增大。但此時宇宙的物質（各種基本粒子湯）之間的引力是很強大的，阻礙着空間的膨脹，並且強過排斥性負壓。就算如此，空間仍然在膨脹，只不過膨脹速度越來越慢。但當空間的體積達到一定程度後，整體空間的負壓排斥效果就開始超過物質間的正壓引力了，宇宙就開始進入了一個排斥效果永遠大於吸引效果的不歸路。


那麼空間是怎麼會出現排斥性的負壓你呢？作者指出，通過空間局部的量子特徵，能讓空間產生這種排斥效果。

作者用開香檳酒的例子來解釋。我也只能簡單說說了。


開香檳酒，把酒瓶塞往外拉的時候，酒瓶內的能量是減少的。我們都發現（吐，我從來不喝酒不開酒瓶）當瓶塞被拔出的那個時候，瓶口會有青煙冒起。這青煙就是瓶口附近的氣態水蒸氣凝結出來的東西。就是因為瓶內瓶口附近的能量減少了，溫度下降，造成水蒸氣的凝結。這是一個增大體積，卻減少其內部能量的例子。這種場合是「正壓」。我們相反看，如果我把酒瓶塞努力往瓶子里推，那麼顯然瓶內能量會增加，增加的能量來自於我的推動。這或許就是「正壓」的含義。


現在慮酒瓶內裝的不是酒，而是真空。。只有空間，沒有任何物質。整片空間在它任何的局部微小區域，都有一個量子能量值，我們說這片空間被一片量子能量場所覆蓋。這裡簡單說說什麼是場或者能量場。空間的每一個點都有一個能量值，這個能量值來自於量子特性，於是叫量子能量。而能量場呢，它描述了空間內所有點的能量分佈合情況。場就像是個高級別的函數，對於能量場，那就是給定了一個空間位置，你就能給出一個能量值。用高級點的數學語言來說，場就是一個從三維空間坐標，到一個實數（能量值）的映射。


那麼空間的量子能量又來源於什麼呢？去百度下零點能或許會有收穫。


科學家們指出，空間的每一個位置的這種量子能量，都應該是相同的，或者說空間的量子能量場是均勻分佈的。而且，這個場賦予了空間具有「負壓」的效果。


香檳酒的例子中我們說，拉瓶塞會減少瓶內的能量，或者推瓶塞會增加瓶內的能量，這是「正壓」。於是「負壓」就是相反了，拉瓶塞會增加其內的能量，推瓶塞會減少內部能量。


空間的量子能量場正好是符合這種「負壓」特徵的。當我們拉瓶塞時，增加了瓶內的空間，使得瓶內空間體積增大，瓶內整體量子能量增多。推動瓶塞則相反，減少了瓶內的量子能量。


進一步的理解。


如果香檳酒瓶內裝的滿滿的酒，甚至是過度滿的香檳，那麼我們必須用按住瓶塞的方式，來保證香檳酒不滿溢出來。這對我們來說是，滿滿的香檳給我們帶來的是正的壓強。


那麼什麼情況下，瓶內的東西給我們帶來的是負的壓強呢？只有瓶內的東西不斷地對外產生內吸作用，才會產生這種效果，我們必須時刻拉着瓶塞不讓它被吸進去，才能保證瓶內空間體積不變。注意，這時我們必須不考慮瓶外的大氣壓。與上述正壓相反，這就是負壓。


前面我們說了瓶內的充滿量子能量場的空間是負壓情況的，所以這種空間的量子能量場就是一個會不斷對外圍產生向內吸附作用的存在。


這種樣子的均勻能量場場合下，每一片小空間都會對其他空間小碎塊內的物質產生吸引作用，顯然最外圍的那片空間最大最多，對內部的物質和空間產生更多的吸力，最終效果就是物質不斷往外圍推動，外圍空間不斷擴大，形成空間膨脹。要記住一點，能量場不會因為空間擴大而被「沖淡」，它始終保持着相同的場值。增大的空間造成更大的能量總和，產生更大的「由內向外的吸力」，即更大的膨脹力。這種空間的能量場，被稱為「暴脹場」，專門對暴脹起作用的場。這股膨脹力是如此的巨大，使得空間的膨脹速度遠超光速。


然而科學家們又發現，這種由排斥性引力造成的暴脹，只能存在於很短的時間內。這跟能量的釋放有關。


這部分我的理解也很粗糙，不一定準確。


空間具有量子能或者稱為暴脹能。這些能量也會被釋放，就像積攢着的勢能會釋放成動能一樣。這樣，在之前提到的「空間」好像不是我們現在觀察到的真空，而是另一種具有較多暴脹勢能的東西。高勢能空間？


隨着它的膨脹，它所蘊含的暴脹勢能被釋放，最終成為物質體子這種能量狀態。降低了暴脹勢能的空間不再是「高勢能空間」了，而是成為我們周圍的這片「低勢能空間」了，那些消失了的暴脹勢能，轉變成了我們的宇宙物質。


所以暴脹的過程只能持續一小段時間，因為暴脹勢能只有那麼多，而且釋放的過程是那麼地快捷。


暴脹論解決了那個宇宙學原理的存在難題。正是因為暴脹前的那些高能背景輻射（現在的微波背景輻射是低能量的）以光速迅速抹平了宇宙各處的差異。所以現在我們觀察到兩片完全沒有通過光子溝通過的宇宙區域，沒有溫度差。

給一張廣義相對論中，能量動量密度（能動密度）張量的組成圖：