暴脹理論帶來的一種多重宇宙觀。


不管暴脹理論現在還沒有被證實，從它卻可以獲得一種合理的想像，這個想像帶給我們的是一個比百納被形式更具有科學素養的多重宇宙場景。


暴脹論指出，原始空間具有暴脹勢能。在大爆炸發生之前，原始空間是怎麼存在的？原始空間是怎麼隨著大爆炸產生的？大爆炸是怎麼產生的？大爆炸理論有一個悖論，那就是大爆炸來自於何處。那個奇點，是一切物理規律都不能描述的存在，是個不合理的地方。


於是有一種說法是：大爆炸之前我們的宇宙的原始空間是一個極小的區域，大概就是普朗克尺度吧。其實有無數個這樣的普朗克尺度大小的「高暴脹勢能空間」存在，並可以認為是緊密排列在一起的，就像是一塊餅乾里的屑粒緊密地排在一起一樣。其實如何排列是不重要的，接下去就知道了。每一個餅乾屑粒都是一個等待著大爆炸的「奇點」。


奇點有暴脹勢能，也有量子抖動。所謂量子抖動就是那種來自於量子論不確定原理的，無法被觀察到的能量上上下下起落現象。有一個閾值，它限定了只有當奇點的能量跌落到它之下後，奇點的勢能就會如同洪水一樣一發不可收拾地轉換成物質體子，形成暴脹。但通常情況下，奇點的量子抖動幅度都不會達到這個閾值的程度。然而，量子論還有個玩意兒叫「隧穿效應」，即使能量壁壘足夠大，其內的能量漲落不足以超過壁壘而滿溢出去，仍然可以以一種很小的機率穿透這層壁壘，達到滿溢出去的結果。


無數個奇點勢能漲落著，總有那麼幾個奇點隧穿了閾值的能量壁壘，產生了大爆炸，將勢能轉換為物質體子，形成了一片物質宇宙。我們的宇宙就是其中之一。


書中舉例說整個宇宙就好似一塊瑞士乳酪塊。乳酪塊我們或許不熟悉，反正只需要知道乳酪內部會不斷產生空氣泡。這就像上面說的情形，一開始整個宇宙的每一處都是高暴脹勢能奇點，整個宇宙就像一塊內部尚沒有氣泡的乳酪。接著隨著時間的流逝，由於量子抖動過程和隧穿效應，乳酪內部的各處隨機出現一個個的氣泡，每個氣泡就是一個發生了大爆炸的宇宙。氣泡內的空間暴脹勢能是遠低於氣泡外的乳酪的暴脹勢能的。


氣泡會隨著暴脹過程而急速擴大體積，乳酪塊也隨著急速擴大體積。這個擴大過程因為內部不斷產生新的氣泡，而且舊氣泡也仍然在擴大，而不斷擴大，永不停止。


在這個理論中有一個細節，解釋了我們現實中觀測到的不同區域的宇宙微波背景輻射的一些極微小的差異，有的地方比其他地方更大那麼一點點，有的地方卻更小那麼一點點。這種「有的地方」是一片極其廣袤的宇宙區域，而不是豆腐塊那麼的一小塊區域。


理論說，量子抖動會形成能量的小幅度上下漲落：一會兒稍微大一點，過了一小會又會稍微跌落一點，在平均值附近來來回回。這裡的「一小會兒」指的是普朗克時間尺度之下的時間間隔，而不是抽一支煙的那麼巨大的時間間隔。同時量子抖動又在普朗克空間尺度內，使不同地方的暴脹能發生微小差異。


但是暴脹發生後，空間區域急速擴張。但這時候量子抖動仍然在發生著，這些量子抖動會被空間的急速擴張而迅速地放大到一大片空間區域。我們閒雜觀察到的幾片宇宙區域之間的背景輻射差異，在遠古時代就是普朗克空間尺度下的量子抖動結果。

宇宙微波背景輻射分布圖：
圖片是能觀察到的宇宙區域。圖中顏色較暗的是能量較低的微波輻射區，較亮處是較高能量的微波輻射區。這些明暗分布就是源自於遠古時代的一次量子抖動。

需要指出的是，空間的暴脹勢能場還是一種假設，並沒有實驗證據。


回到那個乳酪模型當中，每個泡泡一旦產生，空間就急速增大，越來越大的泡泡使得整片乳酪也隨之增大。結果就是，兩個原本離開一定距離的泡泡，因為期間不斷新出現膨脹泡泡，而相遠離的速度超過了光速（這個叫退行速度），使得這兩個泡泡之間永遠失去了任何聯繫。就算一個泡泡中有一個強大文明，她也無法與領一個泡泡中的文明聯繫，更不用說跑過去看一眼了。


但是每個泡泡被產生後，它們各自內部的規律雖然說仍然是相同的，但形態上會出現完全不同的變化。這並不是說物理參數發生變化，比如兩個泡泡宇宙內光速仍然是同一個數值，光速仍然是最大速度，光速仍然是對不同慣性系對稱的，但每個泡泡的物質環境可能會很不同。比如有的泡泡可以是很光明，有的泡泡所有地區都有強大的磁場，再比如某個泡泡內希格斯場很強，於是那裡的質量都很大。。。


書中著重描寫了希格斯場的情況。先來看看希格斯場是怎麼回事。


很多資料都模糊地說，希格斯場賦予了物質以質量屬性。就這句話，說了等於沒說。


有一個概念與它十分相近，卻在相對論出現之前就出現了，那就是馬赫對引力和質量的新看法，這種新看法不同於牛頓，它與相對論有著密切的關係。當然現在看，這個新看法也不那麼新了，而且廣義相對論中它也不在整體上成立。但這個思路很接近希格斯場對物質質量影響的情況。


看看老馬是怎麼說的吧。


牛頓說萬有引力是物質與物質之間的固有吸引作用力。無論相距多遠，這種引力始終存在於任何倆物體之間。萬有嘛。而每個物體都有個叫引力質量的抵抗引力作用的慣性。至於引力質量為何會出現？牛頓說不出。他只好說這是物體固有的東西。馬赫卻給了物體引力質量的一個解釋：是除了它自身以外，其他所有物體對它的引力綜合在一起造成的一種「牽制效應」。


比如一個很輕的桌球，被一大堆緊繃著的橡皮筋拉著在球表面，那麼當我們試圖去推動這個桌球的時候，它會呈現出一股遠超出它本身質量的阻力。如果我們看不到橡皮筋，就會以為這個桌球很重很重，質量很大。我們可以說，橡皮筋的拉力賦予了桌球的質量。


馬赫設想的場景中，許許多多的星系對物體的引力代替了橡皮筋。物體的質量就是那些引力對物體的整體拉扯而形成的阻礙運動變化趨勢的假象。


希格斯場賦予物體質量的思路與這個類似。標準粒子模型說，粒子穿過希格斯場的時候，會努力保持它原有的運動狀態。當我們試圖改變粒子的運動狀態時，會遇到希格斯場對粒子運動狀態變化的阻礙。這個阻礙就體現為質量。


需要注意的是，這種被希格斯場所賦予質量的粒子，只限於基本粒子（電子、夸克），而中子質子的質量更多地來自於其內部的相互作用（強作用力）。


暴脹泡泡宇宙模型里，每個泡泡的希格斯場很可能都有不同的「場強」，同一個粒子在某個泡泡里是這樣的質量，在另一個泡泡里質量會不一樣。這會造成不同泡泡里各種作用力的強度和距離都不同，因為傳遞作用力的也是那些基本粒子，質量來源於希格斯場。這樣，我們這個泡泡里有星系，有太陽由地球，領一個泡泡里可能是什麼物質都沒有，只有只有一大塊超級固體，我們這種生命是不可能在那些泡泡里存在或者生存的。

接下來作者對泡泡里的時間展開了一番思索。很有趣。


學過相對論的都知道，同一段物理過程的時間，在不同環境中的觀測者那裡是不同的。環境一指相對速度，二指引力場強度。這在整個宇宙（泡泡）的尺度上，整體的統一的時間就失去了意義。


於是我們可以嘗試用另一種東西來代替原本的時間觀。當這種東西在全宇宙里有統一的表現的話，那麼就可以使用這麼的一個全局時間概念。


這種新的時間測量方法，就是去測量宇宙空間某一點位置上的「暴脹能量值」（書中稱之為暴脹場取值）。當泡泡里兩個點位置的暴脹能值相等，我們就可以說這倆地點經歷了相同的時間間隔。


應該這麼說，泡泡一旦產生了，暴脹能量就會迅速跌落，散發出來的能量形成了物質體子。於是每一處的暴脹能量在泡泡開啟後，都會不斷下跌再下跌，只是跌得不再如暴脹時期那麼快了。於是暴脹能量值，可以看做是一個全泡泡內都可以精確測量，並且相互比較的時間概念了。比如可以這麼說一段時間：能值從100到20這段時間，或者索性說時間等於-80（沒有單位或者其他什麼單位）。


接著作者給出了一個令人瞠目結舌的結論：對於泡泡外部的觀測者來說一段永無止境的時間，在泡泡內部觀測者眼裡，只不過是某個時刻的無限廣闊的空間。


這說出了兩層意思：
1、泡泡外觀測者的時間觀，與泡泡內觀測者的時間觀是截然不同的，兩回事。
2、泡泡內的時間與空間，相當於泡泡外的空間與時間，反過來的。
這使我想到了某種對黑洞內部時空結構的說法：進入了黑洞視界後，時間變成了空間，空間變成了時間。


其實這種說法只是把泡泡內外的兩個觀測者放在了不同的角度來看問題，有點嘩眾取寵的感覺。


對於泡泡內部的觀測者來說，他在某個時刻看到的整片宇宙，其實是這個宇宙不同時刻發出的光所呈現出來的一種「幻像」。比如我們現在看到一百億光年外的星系，那是這片星系在一百億年前的樣子，不是「現在」的樣子，「現在」那片區域可能根本沒有任何星系在那裡遊盪。


那如果泡泡已經存在了無限長的時間（泡泡外的時間觀），泡泡內的觀測者就會看到無限久之前的宇宙樣子，呈現出的就是一片無限大的空間。


這個看似有點嘩眾取寵的說法，只是為了提出那個百納被宇宙是可以存在著的，由永恆的暴脹所產生。而且在這裡，每一個泡泡都是一個無限大的百納被宇宙，這樣的百納被宇宙又有無限多個。

第三種，弦論的多重宇宙


弦論嘛，可以去看格林寫的《宇宙的琴弦》，對弦論的介紹很詳細，比這本科普詳細的多。弦論就是後來人繼續走老愛曾經獨自一人走過的那條路之後出現的一個統一場理論，就是那種能解釋一切的終極理論。


過去幾百年來的物理學理論，都是沿著「各種概念、各種方法的不斷統一」這條途徑前進的。這條路被老愛提升到最高的角度，他就是研究那個能解釋一切的終極理論的鼻祖。之後由於量子力學這門旁支的崛起，大量物力資源（人、物資、實驗）都投入到這個新興理論上，造成統一之路的暫時中斷，只有老愛一個人在做著失敗的嘗試。當然，量子力學如果不成熟，統一之路也走不起來，老愛那些嘗試也不全失敗，起碼證明了這點。


量子力學在研究原子內部時發現了另外的兩種作用力（強力和弱力），這下補全了全部的四種作用力。對除了引力之外的其他三種力的研究過程中，逐漸發現它們具有統一的基礎。於是統一思路又一次復燃，這三種自然力被統一到了標準模型中，但無論如何，就是無法用同樣的辦法去搞引力。


超弦理論（弦理論）就是達到納入引力這個目標的一個方法，那是目前看起來最有希望統一四種自然力的終極理論，但是極度缺乏實驗證據（可以說到現在為止一個都沒有，是無法被證偽的）。


一大波新概念撲面而來了。


首先就是量子場的概念。前面說過，場就是一個空間的高級函數。可以把場看做是一股彌散在整個空間的「迷霧」。這裡稍微擴展一點點。場是空間坐標的函數，給定一個空間坐標，就有一個場值與之對應。每個空間坐標（位置）都存在且唯一地存在一個場值。這個場是什麼，那麼場值就是什麼。比如說大氣溫度吧，只要有空氣存在的地方，都有那個地方的空氣溫度。每一個地方（坐標）都存在著一個溫度值，不同位置有不同的溫度值。於是這個就叫溫度場，場值就是溫度值。


溫度場的場值是一個實數，叫做純量場，其他場的場值不一定是實數了，也可能是個矢量（比如大氣的速度場，每個空間位置有一個速度矢量），那叫矢量場，或者張量（比矢量更高級更複雜的一個東西，廣義相對論的引力場就是個張量場，每個空間位置都有一個時空曲率張量）。


純量場，矢量場和張量場都是經典的場概念，是無限連續、無線光滑的，空間坐標的變化是光滑的，場值的取值也是光滑的。量子場則是相反，空間坐標和場值只能一份一份地取值，是離散的，是數碼化的，就像量子論那樣。


當大家企圖用量子場論（其它三種力）的數學方法處理引力時，卻出現了「機率無窮大」這個毫無意義的結果。機率的取值範圍是0到1之間，機率無窮大不是指「必定發生」，機率等於1才意味著這點。


量子場論有一個基本思路就是量子抖動，分析引力和其他三種力的量子抖動，有本質的不同。其它三種力就好像在舞台上幾個道具，各自的抖動就是簡單的抖動。引力卻是那個舞台本身，如果舞台也那樣的抖動，那麼抖動就會無限重複地疊加到舞台本身，最終舞台塌了。


要指出的是，分析引力的場合只能是那種極小範圍內存在極大質量能量的情況，比如黑洞，比如宇宙創生。書里提到了普朗克長度：10的-33次方厘米，這個尺度小到無法想像，原子核的尺度比它大得多了（超過10個數量級，也就是大1後面10個0倍）。書中有個比喻：如果把一個原子放大到可見宇宙那麼大（一兩百億光年），那麼普朗克長度只是一棵樹的高度。量子抖動就是發生在普朗克長度以下的。還有一個叫普朗克質量的東西，是質子質量的10的19次方倍。


弦論說，一條具有能量的弦，是組成一切基本粒子的最基本的存在。換句話說，任何基本粒子（電子、夸克、中微子等等）其實一根相同類型的弦的不同存在方式。弦有能量，就會震動。振動有頻率和振幅。於是弦的能量也有大有小，還有各種不同的表現方式，就像音弦那樣。宇宙萬物由許許多多的弦組成，就像一曲能量的交響曲（詳見《宇宙的琴弦》）。


弦的振幅大，頻率高，那就是能量高，質量大。弦的某些振動形式對應著「電荷」，產生電磁力，產生同性相斥異性相吸的奇怪效果。弦的另一些振動形式對應了一種叫「色荷」的東西，那是強作用力的「荷」，產生了強作用力這個玩意兒。這方面看，引力最簡單，只有一種「荷」就是質量。電磁力複雜一點，有兩種「荷」：正和負。強作用力則有三種「荷」，於是人們用三原色來代表這三種荷。弱作用力我就不那麼清楚了。


弦的尺度（相當於直徑）極小，也就是普朗克長度的程度，所以從理論上都看不到弦的內部結構。現在已知的所有的基本粒子，都是弦的某些固定的振動方式。總有一天通過計算，可以直接從理論上推測出新的基本粒子。


另大家重視弦論的一點是，已經找到了一種弦的振動模式，正好可以用來描述引力。否則，弦理論也不過是個捏出來的泥巴。


量子場論指出，任何一種量子場都有對應的量子，也就是某種基本粒子，它充當著傳遞該種作用力的媒介作用。比如電磁場就對應著光子，光子傳遞電磁力。那麼引力場也有一種叫引力子的基本粒子了，它的量子特性，正好是弦的某種振動模式所能夠描述的。於是很自然地，那種振動模式的弦就被按上了「引力子」的名稱，成為了傳遞引力的還沒被實驗發現的假想基本粒子。


於是，弦論擁有一個極其令人興奮的特性，那就是擁有從量子論到相對論的全部特徵，它融合了這兩個一直以來都水火不容的基本理論框架。

原作者到這裡就停更了。

好文是好文，可惜原作者棄坑了