原作者 百度三体吧 短命郭嘉

准备花一段时间放在这本科普书的一些阅读体验上，这是本好书，就像《宇宙的琴弦》那样的好书，值得一看再看！


本帖相当于我阅读这本书的一个笔记，大家都可以参与讨论和学习！


滚键盘！以下是大刘为这本科普的代序。


文明的历程，就是人类越看越远的历程，随着视野的延伸，人们所知道的宇宙变得越来越大。


我小的时候生活在太行山区，那时远方的山脊线在我眼中曾经是很奇妙的东西，看着那条以空旷的天空为背景的山脊，我总是好奇山的那边会有什么东西，渐渐地开始想象山那边有一个很神奇的世界。对于那时的我，那条山脊线就是世界的边缘。对于人类的远古祖先来说，这种感觉可能常常出现，在那时的人们眼中，可能一个山谷就是世界的全部。


不同民族的神话传说中，都出现过覆盖全世界的大洪水的叙述，以至于人们曾经认为地球真有过一个大洪水时代。其实这可能是一个误解，因为神话中的“世界”概念与我们今天大不相同，比如最著名的《圣经》中的大洪水，也声称是席卷全世界，但那个世界只是地中海地区及其有限的一个范围，那次洪水也只是一次地区性洪水而已，即使黑海灌入地中海的猜测成立，离现今意义上的世界性洪灾还差得远。


后来，人类的世界视野扩展到整个宇宙，并延伸到星空中，而在相当长的一段时间里，人类所认识的宇宙仍然只有太阳系大小，土星和海王星就是宇宙的边缘。17世纪末恒星视行差的发现，使人类眼中宇宙的尺度发生了一次巨大的飞跃，但直到20世纪初，科学家们仍然认为银河系就是宇宙的全部。现在，可观测宇宙的尺度已经扩展到百亿年以上，这是一个人类的想象力已经难以把握的巨大存在，而平行宇宙理论告诉我们，这样一个巨大的宇宙并非存在的全部，而可能只是沧海之一粟。


我们对多重宇宙理论并不陌生，但大多来源于量子力学的多世界假说，而在这本书中，共为我们描述了多达9种可能的多重宇宙，大多以前鲜有听闻，量子力学的那一种反而放到了最后。


在这9种平行宇宙中，最为直观的应该是所谓的百纳布多重宇宙，我们对宇宙无限的概念并不陌生，在一个无限的宇宙中，相距遥远的区域必然形成无数的多重宇宙，最惊人的推论是：基本粒子的组合方式是有限的，如果宇宙无限，那么必然会出现粒子的组合与我们所在的子宇宙相同的其他子宇宙，而这样的子宇宙也是无穷多个，也就是说，我们的世界可能有无数个拷贝。这是一个在数学上最能为我们普通人理解的多重宇宙模型。最具哲学性的是所谓终极多重宇宙，设想所有可能的规律和参数都是存在的，都能够成各自的宇宙，甚至包括那些无法用数学计算和表达的规律，这无疑是无穷大中的无穷大了。这样的宇宙动摇了认识论的哲学基础，科学探索建立在这样的动机上，即试图说明宇宙规律和宇宙参数为什么是现在这个样子，但在终极多重宇宙中，所有的可能性都存在，就像鞋店中所有尺寸的鞋子，其中必然有合我们脚的那一双，这样探索的意义就大打折扣。除以上两种外，书中还描述了包括弦论在内的现代最前沿的物理学和宇宙学理论所产生的多重宇宙模型，甚至还探讨了可能在计算机中产生的虚拟宇宙。


我一直认为，人类历史上最伟大最美妙的故事，不是游吟诗人唱出来的，也不是剧作家和作家写出来的，这样的故事是科学讲出来的，科学所讲的故事，其宏伟壮丽、曲折幽深、惊秫诡异、恐怖神秘，甚至浪漫和多愁善感，都远超出文学的故事。这本书更证明了这个想法。作为一个科幻迷，在读此书时充满了阅读科幻小说的快感，但此书的想象力却远远超越了科幻，其宏大广阔和疯狂的程度是任何科幻小说所不及的，比如弦论中的高位空间形态有10的500次方种之多，由此可能产生同样数量的多重宇宙，而我们所在的宇宙所有基本粒子的总和也不过10的90次方；还有那包含一切可能的终极多重宇宙，科幻小说中从来不敢描述这样的概念。读这本书的自始至终，震撼紧跟着震撼，神奇叠加着神奇，书中的思想之辽阔深远，想象力之疯狂，让人头晕目眩。但本书不是科学幻想，其中的每一种多重宇宙模型，都是严谨的科学推论，都有着理论和数学基础，其含金量是科幻所远不能比的。所以，科学不是想象力的桎梏，恰恰是想象力的源泉和翅膀。本书的书名本来叫《宇宙的云图》，我感觉这个书名更贴切一些，在这幅壮丽的云图面前，我们的思想尺度被拉伸到极致，有一种站在无限时空之外的上帝的体验。


现代科学，特别是物理学，已经进化到极其深奥的领域，其前沿理论所描述的世界已经远远超出了我们日常的经验范围，而描述这些理论所用的艰深的数学语言也让人望而生畏。而本书的作者格林却有一种伟大的才能，能够把最深奥和晦涩的理论用符合我们现实经验的语言描述出来，不仅能够为我们所理解，而且这些描述鲜活生动，富有美感。这种才能在他之前的一本介绍弦论的书《宇宙的琴弦》中已经表现出来，那是我读过的包括相对论、量子力学和弦论在内的现代理论物理学介绍得最为清晰明白的一本书，格林的才能在这本书中更是发挥的淋漓尽致。同时，本书的翻译也十分出色，译者对理论物理学和宇宙学有着专业而深刻的理解，用流畅的译文完美地表达了原书的意蕴，本书在高层次的科学传播著作的翻译中可以说是一个典范。


说到科学传播，不由生出诸多感叹。相对于有着明确现实意义的应用科学和技术，每个人更应该了解的却是最基础的科学理论，以及其最前沿的进展，因为这是人类眼中与着大自然的最新图景。如果一个人，从降生起直到老死，终生都没有走出过家门，这无疑是十分悲惨的人生。而我们如果在短暂的人生中匆忙而过，对超出我们视觉的宏大和微小的世界毫无了解，每天的思想都在生活和工作的范围里徘徊，那就等于在精神上一辈子没走出过家门，这无疑是人生的一大遗憾。


曾经，基础科学的最新理论对社会和人们的思想产生了深刻的影响，哥白尼的日心说、牛顿的古典力学以及达尔文的进化论，莫不如此。但后来，这种影响渐渐消失了，基础科学，特别是理论物理学，变成了象牙塔上的空中楼阁，离社会生活越来越远。如果要找出一个界限的话，那就是量子力学，大众正是在量子力学出现之后才对理论物理学和宇宙学渐渐陌生的。相对于包括相对论在内的基于决定论的古典理论，量子力学以后的物理学显现出全新的哲学面貌，对人们所习惯和熟悉的认知方式产生了巨大的挑战，特别对于一直接受单一哲学教育的中国公众，这种陌生感和挑战就更加明显。


于是产生了一个令人不安的现象：在科学技术飞快改变着人类生活的同时，科学的最新的世界观却不为人知，社会公众和科学家眼中的大自然和宇宙差距越来越大，公众眼中的宇宙仍是一副古典的图景，这种认知的差距可能成为社会进步潜在的最大障碍。


例如，现代物理学和宇宙学为我们展示了一个极为广阔的宇宙，而平行宇宙理论的出现，不论书中的9种多重宇宙假说的哪一种成为现实，都使宇宙的广阔又增加了许多个数量级，将人迹未至的广漠空间又复制了无数份。这种宇宙与人类在大小上的反差触摸惊心，这种反差其实是一个明确无误的哲学上的启示，召唤着人类走出灰尘般的地球摇篮，去填补那巨大的空白，这种开拓和扩张不仅是文明的使命，更是生命的本质。但是现在，人们显然没有感受到这种召唤，他们仍沉浸在古典宇宙图景中，在人类中心的幻觉里得过且过。


基础科学日益远离大众，有可能使人类躺在技术的安乐窝中再次进入蒙昧时代，社会急需第二次科学启蒙运动，这就使得《隐藏的现实：平行宇宙是什么》这样优秀的科学传播著作具有不可估量的意义。


2013年3月18日
刘慈欣

简单列出本书中介绍的9种平行宇宙的名称：


1、百纳被多重宇宙。
2、暴涨多重宇宙。
3、弦论多重宇宙。
4、膜和循环多重宇宙。
5、景观多重宇宙。
6、量子多重宇宙
7、全息多重宇宙
8、虚拟多重宇宙。
9、终极多重宇宙。

先说说第一个最简单的多重宇宙：百纳被多重宇宙。


百纳被是什么？百度出的图片是：
可以看出就是一块块方布沿着各边缘堆砌的样子。


百纳被多重宇宙的直观上的含义也就是这样的，每一块方布都是一个子宇宙，无数多个子宇宙就这么三维空间的方向上并排排列好。


由于宇宙的所有物质是由有限个种类的基本粒子组成，那么那么多种基本粒子的各种形态的排列组合就是有限的。而百纳布多重宇宙观说，宇宙在空间上是无限广阔的，到处都是物质填充在其内部。那么无限的空间，被有限的排列组合方式所填充，那么必然存在重复的排列组合。那么我们目前所观察到的宇宙（一个子宇宙），全部的基本粒子的排列组合就是一种模式的固定序列。这个序列必然会在无限物质中，重复地出现。所以说，这样情况下，必然存在好多个与我们这个子宇宙一模一样的其他子宇宙。


举个简单的例子，一个容器（子宇宙）可以放3个玻璃球（其内的物质），而玻璃球有4种颜色（基本粒子形态的排列方式）。那么这个容器里的玻璃球的颜色组合有几种？3×4=12种对吧。如果我有1万个这样的容器，每个都放入3个玻璃球。玻璃球的颜色只有12种排列方式，所以这1万个容器中具有大量重复的、相同的玻璃球组合方式。高中学过排列组合的可以秒理解。如果容器有无数个，那么某种组合的出现数量也将是无限次。

第二个：暴胀多重宇宙。


首先要说的是宇宙大爆炸假说，说的是我们的宇宙起源于一两百亿年前的一次大爆炸，这个大爆炸的起点是一个点状（无体积，含有能量）的存在。当宇宙大爆炸开始之后，宇宙空间和时间就开始不断膨胀，直到今天仍然在膨胀。大爆炸也被称作“宇宙的创生”。


科学家发现了“宇宙微波背景辐射”，是宇宙创生时出现的原始光子，是那种直到现在仍然在宇宙间游荡的光子汤。刚开始，这锅光子汤很烫，能量很高，波长很短很短频率很高。但随着宇宙膨胀扩大，光子汤慢慢冷却了（能量下降）。但光速是恒定的，光子能量下降就意味着波长变长。百亿年之后的现在，这锅光子汤的波长已经长到了微波的范围（比可见光的波长更长，再长一点就成为寻常的无线电波了），所以称为微波背景辐射。


暴胀理论。这玩意儿是人们对大爆炸理论与现实观察数据产生了一种“不可思议的巧合”的思索引出的。也就是说只有假设宇宙初期暴胀过，才能解释这个看似十分巧合的观察数据。具体如下：


这个观察数据指的是，无论我们把望远镜对准宇宙的哪个方向，观测到的宇宙微波背景辐射居然是相同程度的。微波背景居然在全宇宙范围内是极其均匀的。这看起来很正常，但科学家们找到了一个值得推敲的地方。

微波背景辐射指的是回荡于宇宙范围内的那锅光子汤，它们自宇宙创生起就在这个不断膨胀的宇宙里，永远以恒定的光速奔波。其中的极小一部分光子在最近撞到了我们的望远镜里，成为我们了解宇宙奥秘的一个数据。


在我们的物理学家的理论中，有一个非常基础的假设，那就是宇宙学原理：宇宙中不存在大范围的特殊的地方，比如某个区域的规律与其他地方是不同的，比如某个区域的某些物理基本参数值不同于其他地方。换句话说，宇宙在大尺度上是均匀的。微波背景辐射的均匀性正好体现了宇宙学原理。


现在我们就得仔细从大爆炸开始，看看宇宙学原理是不是会成立。结果显示，这样创生出来的宇宙，出现各向同性（均匀性）的几率可以说是无限接近于零。换句话说，宇宙学原理不能从大爆炸理论中给出。下面我们仔细看看怎么回事。就说这个微波背景辐射的均匀性问题。


光子汤有能量，每个光子都有能量，我们可以把这种能量看作是温度。能量的传递或者说温度的传递，必须通过接触或者辐射的方式来进行。就比如热的物体要把热量传递给冷的物体，要么放在一起，要么通过自身辐射。


而我们在观察宇宙时发现的微波辐射在全空间范围内的均匀性，有这么一个不可思议的地方：


在我们观察宇宙的一端时发现了新的物质，那意味着那里发出的光才刚刚到达我们这里，还没来得及跑到宇宙的另一端呢。这种情况就指出了，宇宙的两端根本还没来得及发生相互影响，没有接触过，更没有任何辐射到达对方。可令人咂舌的是，宇宙两端的微波辐射居然是完全相同程度的！


这就好像两个家伙一出生就被两个人抱走后独自成长，相互之间没有任何交流。结果我们发现他俩说的是同一种语言！除非什么？除非这两个抱走孩子的人，说的是同一种母语。问题在于我们的宇宙中，没有这种抱着孩子走的人。出现这种全同现象，就肯定有一个被忽略了的因素存在着。


还有一个比这个更不可思议的地方就是：为什么宇宙一端的光子刚刚到达我们这里，还来不及传到另一端呢？这么大的空间是怎么膨胀出来的？别忘了光速可是速度极限。这意味着宇宙空间的膨胀速度，起码在某个阶段必须超过光速，并且超过很多倍，以至于百亿年前发出的光子，到最近才刚刚走完了一小段路程。注，空间的膨胀速度可以超光速，这不违背相对论。


一个叫暴胀宇宙论的理论出现了，它解决了这两个不可思议。首先暴胀论就是承认宇宙膨胀速度就是超光速的，起码在宇宙外围的那部分空间一直在超光速膨胀，而且越来越快永不减速。但是这个理论的一个核心是，宇宙在创生初期，虽然也膨胀，但起始的一个阶段膨胀速度不超光速，以一种比较缓慢的方式膨胀。接着在某个临界时刻，忽然宇宙空间开始了超光速膨胀。


它更解释了为何来自于互不沟通的两部分空间的微波背景辐射会完全一样，那是因为在没有超光速膨胀之前，光子汤完全可以在整个宇宙范围内来回跑个遍，抹平了不同区域的温度差。最终，这个被平均化了温度差的宇宙，开始了超光速膨胀。接着我们就观察到了全方位均匀的微波背景辐射。

暴胀论认为宇宙的膨胀速度曲线如下，横轴为时间，纵轴为宇宙膨胀速度：

这里再延伸说说这根曲线带来的问题。在左下方的原点，代表着宇宙的创生。那也是时间的创生，是绝对的0时刻。从那个时刻开始，宇宙就开始膨胀，但膨胀的速度由于一个原因而慢慢减缓，这个原因很显然就是引力。但是当宇宙空间的体积到达了某个值之后，宇宙膨胀速度由于另一个原因而开始增长，并且是永久性递增的趋势。这另一个原因是什么？广义相对论告诉我们，也是引力！！！！！！！！！！


当我读到这里时我就彻底凌乱了，有一个名词叫“排斥性引力”，让我百思不解：引力怎么可能是排斥效果的呢？？这两个绝逼相反含义的词居然被捏在了一起啊，还是物理界最灿烂的明星：广义相对论所解出的结论。。


好吧这本科普书又花了一大片篇幅来解释这个概念，我就直接说说我看完后的理解了。


引力并不再是牛顿时代的那个只包含相互吸引的作用力的概念了，在现在看到“引力”两个词，必须要立刻在脑海里翻译成”时空弯曲“。举个例子，广义相对论中，离心力也是一种引力，也是一种时空弯曲的方式。离心力却是形成物体相互远离效果的。


那么排斥性引力就是具有排斥效果的时空弯曲。嗯，这样一来就多了一个途径来理解了。时空弯曲的方式可以有多种形态，曲率为正的，那就是吸引效果；曲率为负的，那就是排斥效果。排斥性引力可以类比离心力来理解其存在的意义，当然不能直接类比说宇宙在旋转。。宇宙是否旋转其实没有意义，因为找不到绝对可以参考的对象。


当初老爱从广相推导出这个概念时，赋予了它”宇宙常数“的名称。老爱用它来抵抗物质之间的相互吸引，来维持宇宙的稳定存在。虽然老爱的这种用法是错了的，但老爱解出的这个概念确实有用的。暴胀论就是用它来解释宇宙膨胀加快趋势的。


这本科普书的作者不是我上面的说法，他说，在广义相对论中，决定时空弯曲曲率的不仅仅是能量或质量，还有一个决定性因素是”压强“，这三者共同决定时空弯曲的形式。正压强形成吸引效果，负压强形成排斥效果。他还说，空间本身就是天生拥有负压强属性的，这并不是指某个东西均匀地分布在空间里，而是空间本身具有的。当空间膨胀了，多出来的空间就提供相同的、额外的负压强，提升排斥效果。


所以一开始，宇宙创生后，空间以惯性膨胀（⊙﹏⊙b汗），空间扩大，空间负压慢慢增加，排斥效果也慢慢增大。但此时宇宙的物质（各种基本粒子汤）之间的引力是很强大的，阻碍着空间的膨胀，并且强过排斥性负压。就算如此，空间仍然在膨胀，只不过膨胀速度越来越慢。但当空间的体积达到一定程度后，整体空间的负压排斥效果就开始超过物质间的正压引力了，宇宙就开始进入了一个排斥效果永远大于吸引效果的不归路。


那么空间是怎么会出现排斥性的负压你呢？作者指出，通过空间局部的量子特征，能让空间产生这种排斥效果。

作者用开香槟酒的例子来解释。我也只能简单说说了。


开香槟酒，把酒瓶塞往外拉的时候，酒瓶内的能量是减少的。我们都发现（吐，我从来不喝酒不开酒瓶）当瓶塞被拔出的那个时候，瓶口会有青烟冒起。这青烟就是瓶口附近的气态水蒸气凝结出来的东西。就是因为瓶内瓶口附近的能量减少了，温度下降，造成水蒸气的凝结。这是一个增大体积，却减少其内部能量的例子。这种场合是“正压”。我们相反看，如果我把酒瓶塞努力往瓶子里推，那么显然瓶内能量会增加，增加的能量来自于我的推动。这或许就是“正压”的含义。


现在虑酒瓶内装的不是酒，而是真空。。只有空间，没有任何物质。整片空间在它任何的局部微小区域，都有一个量子能量值，我们说这片空间被一片量子能量场所覆盖。这里简单说说什么是场或者能量场。空间的每一个点都有一个能量值，这个能量值来自于量子特性，于是叫量子能量。而能量场呢，它描述了空间内所有点的能量分布合情况。场就像是个高级别的函数，对于能量场，那就是给定了一个空间位置，你就能给出一个能量值。用高级点的数学语言来说，场就是一个从三维空间坐标，到一个实数（能量值）的映射。


那么空间的量子能量又来源于什么呢？去百度下零点能或许会有收获。


科学家们指出，空间的每一个位置的这种量子能量，都应该是相同的，或者说空间的量子能量场是均匀分布的。而且，这个场赋予了空间具有“负压”的效果。


香槟酒的例子中我们说，拉瓶塞会减少瓶内的能量，或者推瓶塞会增加瓶内的能量，这是“正压”。于是“负压”就是相反了，拉瓶塞会增加其内的能量，推瓶塞会减少内部能量。


空间的量子能量场正好是符合这种“负压”特征的。当我们拉瓶塞时，增加了瓶内的空间，使得瓶内空间体积增大，瓶内整体量子能量增多。推动瓶塞则相反，减少了瓶内的量子能量。


进一步的理解。


如果香槟酒瓶内装的满满的酒，甚至是过度满的香槟，那么我们必须用按住瓶塞的方式，来保证香槟酒不满溢出来。这对我们来说是，满满的香槟给我们带来的是正的压强。


那么什么情况下，瓶内的东西给我们带来的是负的压强呢？只有瓶内的东西不断地对外产生内吸作用，才会产生这种效果，我们必须时刻拉着瓶塞不让它被吸进去，才能保证瓶内空间体积不变。注意，这时我们必须不考虑瓶外的大气压。与上述正压相反，这就是负压。


前面我们说了瓶内的充满量子能量场的空间是负压情况的，所以这种空间的量子能量场就是一个会不断对外围产生向内吸附作用的存在。


这种样子的均匀能量场场合下，每一片小空间都会对其他空间小碎块内的物质产生吸引作用，显然最外围的那片空间最大最多，对内部的物质和空间产生更多的吸力，最终效果就是物质不断往外围推动，外围空间不断扩大，形成空间膨胀。要记住一点，能量场不会因为空间扩大而被“冲淡”，它始终保持着相同的场值。增大的空间造成更大的能量总和，产生更大的“由内向外的吸力”，即更大的膨胀力。这种空间的能量场，被称为“暴胀场”，专门对暴胀起作用的场。这股膨胀力是如此的巨大，使得空间的膨胀速度远超光速。


然而科学家们又发现，这种由排斥性引力造成的暴胀，只能存在于很短的时间内。这跟能量的释放有关。


这部分我的理解也很粗糙，不一定准确。


空间具有量子能或者称为暴胀能。这些能量也会被释放，就像积攒着的势能会释放成动能一样。这样，在之前提到的“空间”好像不是我们现在观察到的真空，而是另一种具有较多暴胀势能的东西。高势能空间？


随着它的膨胀，它所蕴含的暴胀势能被释放，最终成为物质粒子这种能量状态。降低了暴胀势能的空间不再是“高势能空间”了，而是成为我们周围的这片“低势能空间”了，那些消失了的暴胀势能，转变成了我们的宇宙物质。


所以暴胀的过程只能持续一小段时间，因为暴胀势能只有那么多，而且释放的过程是那么地快捷。


暴胀论解决了那个宇宙学原理的存在难题。正是因为暴胀前的那些高能背景辐射（现在的微波背景辐射是低能量的）以光速迅速抹平了宇宙各处的差异。所以现在我们观察到两片完全没有通过光子沟通过的宇宙区域，没有温度差。

给一张广义相对论中，能量动量密度（能动密度）张量的组成图：