物理学家为什么认为多元宇宙很可能存在？宇宙暴胀论是基础

多元宇宙论是一个看起来很疯狂的假说，尚未经过直接且实际的检验。不过，尽管备受争议，但该假说其实有着很稳固的理论基础。

宇宙暴胀理论预测了多元宇宙的存在：无数的宇宙都经历了热大爆炸，但大爆炸发生的每个区域都是完全分开的，它们之间只有不断暴胀的空间。我们无法探测到其他宇宙，但在暴胀理论的背景下，多元宇宙的存在是不可避免的。

当我们观察今天的宇宙时，其实是在同时关注两个与宇宙自身有关的故事。第一个故事讲述了今天宇宙的面貌，包括其中所有的恒星和星系，它们如何聚集在一起，如何移动，以及由什么成分组成。这是一个相对简单的故事，是我们通过所能观察的宇宙了解到的。

另一个故事则讲述了宇宙如何形成今天的样子，其中包含了更多有待解开的谜题。当然，我们可以观察处于遥远距离的天体，从中了解宇宙在遥远的过去是什么样子：我们现在所接收到的光来自其最初发出的时候。但我们需要将这些观察与宇宙理论——宇宙大爆炸框架内的物理定律——结合起来，对过去发生的事情进行解释。在这一过程中，我们会看到一些令人惊奇的证据，表明大爆炸发生极短时间内还出现过一个阶段：宇宙暴胀。为了让暴胀理论符合我们所观察到的宇宙，有人给出了一个令人不安的附加条件：多元宇宙。接下来，就让我们来了解一下物理学家们为什么压倒性地认为多元宇宙很可能存在。

早在20世纪20年代，研究者就发现了压倒性的证据，表明天空中大量的螺旋状和椭圆形物体实际上就是星系本身，而且这些星系之间的距离正越来越远，其发出的光会被有序地转移到更长的波长。一开始，物理学家们提出了各种各样的解释，但都无法找到更有力的证据。最终被广泛接受的一个解释是：宇宙本身正在像一块发酵的葡萄干面包一样不断膨胀，而宇宙中包括星系在内的物体就如同葡萄干，随着宇宙(面团)膨胀而不断远离。

膨胀宇宙的“葡萄干面包”模型，星系(葡萄干)的相对距离随着空间(面团)的膨胀而增加。任意两个星系之间的距离越远，到接收到光的时候，观察到的红移就越大。由膨胀宇宙所预言的红移-距离关系在观测中得到了证实，并且与早在20世纪20年代就已经知道的事实相一致。

如果今天的宇宙仍在膨胀，其内部的辐射向更长的波长和更低的能量转移，那么过去宇宙一定更小、密度更大，同时也更均匀、更热。只要在这个膨胀的宇宙中存在任意数量的物质和辐射，从大爆炸理论就可以推导出三个明确而普遍的预言：

(1)一个大型的宇宙网，其中的星系随着时间的推移而增长、演变和聚集；

(2)一个低能量的黑体辐射背景，这是在炽热的早期宇宙中中性原子第一次形成时留下的；

(3)最轻元素——氢、氦、锂及其各种同位素——的特定比例，这些元素甚至存在于尚未形成恒星的区域。

所有这三个预言都被观测证实了，大爆炸理论也因此成为最主流的宇宙起源理论，而其他理论都被抛弃了。然而，大爆炸只描述了宇宙在其早期阶段的样子，并不能解释为什么宇宙具有这些性质。在物理学中，如果知道某个系统的初始条件和它所遵守的规则，你就可以非常准确地预测它未来将如何演变——直到达到计算能力和系统固有不确定性的极限。

一个随宇宙加速膨胀而形成结构的模拟片段，呈现了暗物质丰富的宇宙中数十亿年的引力增长。请注意，纤维结构和较大的星团——形成于纤维的交叉处——主要是由暗物质产生的，常规物质只起着很小的作用。

那么，大爆炸在开始时需要什么样的初始条件，才能形成今天的宇宙呢?根据目前科学家的发现，答案可能有点让人意想不到：

(1)必须存在一个显著低于(至少约1000倍)普朗克尺度的最高温度；在粒子物理和物理宇宙学中，普朗克尺度是指约1.22×10^19GeV量级的能量尺度，在这一尺度下，重力的强度变得与其他基本作用力相当，物理定律失效。

(2)宇宙诞生时，所有尺度的密度涨落幅度都大致相同。

(3)膨胀速率和物质能量总密度必须达到近乎完美的平衡：至少达到30位有效数字。

(4)所有位置——甚至是不相关的位置——的宇宙一定是在相同的初始条件下诞生的，包括相同的温度、密度和波动谱。

(5)宇宙诞生时的熵一定比现在低得多，低了几万亿倍。

如果这三个不同的空间区域从来没有时间加热，也不能共享信息或相互传输信号，那它们为什么都是相同的温度?这是大爆炸初始条件的问题之一；这些区域是如何达到相同温度的，或者它们最初就是如此？