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    解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

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      作者介绍

      解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      迈克斯●泰格马克,1969年出生于瑞典。本科毕业于斯德哥尔摩经济学院与瑞典皇家理工学院物理系攻读了博士学位。

      MIT物理系终生教授,平行宇宙理论世界级研究权威。《科学》杂志“2003年度突破奖”第一名获得者,被誉为“最接近理查德●费曼的科学家”“当今最具原创力的物理学家之一”

      未来生活研究所(Future of Life Institute)智库创始人,致力于人工智能方面的研究。

       

      ▲解读第一部分:星际空间之旅

      ▼第一章  宇宙空间

      人类认识宇宙的过程,可以从古代一直延续到当代,从古希腊天文学家埃拉托斯特尼利用不同地区正午时太阳角度的差别测量了地球的周长,到阿里斯塔克斯利用月相(地球在月球上的投影)的变化得出的地月大小比值计算出了月球的周长,然后又计算出了地月距离,再利用直角三角形定理计算出了地日距离,再到德国数学家、天文学家费里德里希●贝塞尔分别利用视差原理(如下图)和光度衰减原理测量了两颗太阳系外的恒星与地球的距离,以及后来德国眼镜商约瑟夫●冯●弗劳恩霍夫发明了光谱仪装置,人们利用该装置不仅可以远程检测恒星的元素构成,还可以测量恒星的温度、体积等,并且还可以利用多普勒效应测量两颗互相环绕公转的恒星的相对速度和距离,并推导出其质量,甚至还可以间接推导出环绕该恒星的行星的大小,有无大气层及其大气成分,地表大气压还有地表磁场强度等等。

       解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      随着人类对自己所处的客观实在的宇宙的认知的不断进步,人类观测宇宙的手段也在不断升级,由于对宇宙标准烛光——造父变星的认识,人类能观察并测量的宇宙范围也在不断扩大,从太阳系内的行星到邻近的恒星,从银河系内的恒星系统再到系外星系,从百万光年扩展到十亿光年,在这些进步的同时,人类也愈发觉得自己所处的宇宙之大和自身所属文明之小。

      解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      用纯粹的逻辑分析便可以得知,空间是无边界的。古希腊的欧几里得通过纯粹的逻辑推理得出,和其他(例如数字)数学结构相似,几何也可以精确地描述无限的三维空间,于是欧几里得所发展出描述三维空间的数学理论及其几何性质,成为了人们所公认的唯一符合逻辑的物理空间世界观。

      但是在19世纪初,数学家卡尔●高斯、雅诺什●鲍耶和尼古拉●罗巴切夫斯基共同发现了在三维空间中还可能存在着其他合理的逻辑解释,例如空间未必非要是无限的,在不同的空间中三角形内角和不同(球面大于180°,平面等于180°,双曲面小于180°,如下图),这便诞生了在非平面条件下的非欧几何,更有激进的数学家们提出了空间也是可以弯曲的,这种想法后来被阿尔伯特●爱因斯坦用在了广义相对论上,这种理论可以用来检测空间的弯曲程度,空间未必非要是无限大的,对于一个有限的四维超球面的三维表面来说,其空间虽是有限的但也没有边界。

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      对于没有弯曲的空间来说,例如圆柱体的侧表面(三角形内角和等于180°),可以展开成平面,如果从某一点出发,最终依旧会回到起点。这种空间的连接性在数学中被称为“拓扑性”,将所有维度上都连接着自身的平滑空间称为“环面”。一个二维环面的拓扑性与面包圈很相似。爱因斯坦的理论允许我们栖息的物理空间是一个三维曲面,既是平滑的,又是有限的,当然也可能是无限的。

      从直观上看,空间是一种物理实体,承载着整个物质世界。但是,从数学的角度来看,空间就像是几何学,其所有的固有性质都是数学性质,如维度、曲率和拓扑性。所以,物理实在也具有很多数学性质。

       

      ▼第二章  宇宙时间

      由于光线从遥远的深空到达地球需要很长的时间,因此,在地球上看到的越遥远的地方,在时间轴上就越久远,因此,人们可以通过观察遥远的深空来研究宇宙的历史。在近现代的科学家们的共同努力下,终于得到了有一定公信力的宇宙演化史。

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      大约在140亿年前,我们所处的宇宙的温度要比太阳核心还要炙热,并且以超乎想象的速度膨胀,一秒钟内就能膨胀到原来的两倍大,这就是所谓的“大爆炸”,虽然在此之前发生了什么至今仍旧无从知晓,但之后发生的膨胀和聚集却是已知的。

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      在宇宙大爆炸开始后仅一分钟的时候,氢元素已经形成,此时宇宙中氢的温度高达10亿摄氏度,在这样的温度下足以触发氢原子的热核聚变,虽然这样的聚变条件只存在了几分钟,但是足矣使得一部分的氢剧变成了氦,直到后来由于宇宙的膨胀导致其温度下降至氢热核聚变的最低温度以下,这种太初核合成的过程便结束了。根据计算与观测,大概有25%的氢元素聚变成了氦元素,并形成了少量的锂元素。

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      之后又经过了的40万年的膨胀和稀释,由氢元素和氦元素组成的等离子体逐渐冷却成了透明的气体。而这一刻,就是在宇宙深处的等离子体墙,发出暗淡的光茫,这表现在人们所观测到的宇宙微波背景辐射(如下图)。

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      在之后的几十年中,由于对称性破缺和量子涨落效应随着宇宙的膨胀而被放大,宇宙中物质密度的分布不均在万有引力的作用下,逐渐聚集成了气体星云,最终在引力和压力的双重作用下,这些气体星云演化成了行星、恒星、星系、超星系团乃至整个宇宙的大尺度结构。

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      美国天文学家埃德温●哈勃通过对不同距离的星系的观测,在通过多普勒效应进行测速后,发现宇宙中绝大多的星系都在离银河系远去,并且距离越远的星系退行速度越快,这表明了我们所处的宇宙仍旧处在不断膨胀的过程中,而那些在可观测宇宙范围之外的星系,其退行速度已超过了光速(广义相对论认为任何物体都不能相对空间做超光速运动,但空间本身可以被随意拉伸,不管多快都行)。

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      小结一下,简单的物理定律就能准确地描述宇宙的整个历史,不仅可以从过去预测未来,也可以从未来预测过去。而这些支配着宇宙历史的物理定律,都是以数学公式的形式呈现的,因此,我们对宇宙历史最精确的描述,都是数学描述。

      ▼第三章  精确宇宙学

      近现代的科技进步,尤其是宇宙微波背景和星系聚集的数据,彻底的改变了宇宙学,使其变成了一门精确科学。例如宇宙年龄的测算已经从100亿年的误差到1亿年(1%)的误差,即137-138亿年的宇宙年龄。 

      爱因斯坦的广义相对论告诉人们,几何原理不仅作用于数学,而且也作用于物理,其方程说明了一切质量都会使空间发生弯曲,且质量越大空间弯曲的就越明显,这个弯曲空间会使得周围运动物体的轨迹向其靠近,这以一种几何的方式解释了万有引力。

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      这就意味着只需要测量一下宇宙微波背景功率谱曲线(将宇宙微波背景分解成一组不同天图的组合,即“多极矩”,每个多极矩中温度起伏的总量所绘制的曲线,称之为宇宙微波背景的功率谱)中的第一个峰值,根据爱因斯坦的场方程,如果宇宙的平均密度为10-26kg/m3,即每立方米包含6个氢原子,那么我们的宇宙就是平坦的,否则就是弯曲的。

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      根据对星系质量观测值和理论值的对比,人们发现这两者之间存在着很大的差别,这表明宇宙中存在95%的东西是不为人们所知的,通过对宇宙中的物质总量减去普通物质的量,得出了还有27%的物质是无法被观测到的,这些物质就被称之为“暗物质”。减去这些,还有68%的是什么呢?这种东西很特殊,不会聚集成团,被称之为“暗能量”。这表明,组成我们宇宙的,有95%的都是我们无法观测到的东西。

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      索尔●佩尔缪特、亚当●里斯、布莱恩●施密特、罗伯特●科什纳四位科学家通过对Ia型超新星(即由一颗白矮星和一颗主序星组成的双星系统,当白矮星吸收一定质量的主序星气体时,就会发生超新星爆炸)之间的距离进行测量,并据此红移计算出它们的退行速度,得出了一个惊人的结论,即宇宙在最初的70亿年里都在减速膨胀,但从那以后,宇宙竟然开始加速膨胀。

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      综上,精确宇宙学最让人感到诧异的一件事就是,整个宇宙的运转被简单的数学规律控制着,甚至可以一直追溯到它炽烈暴躁的开端。这些方程的精确度令人瞠目结舌,是其他学科方程如经济学所无可比拟的,精确宇宙学凸显出了数学在理解世界过程中的神秘作用。

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      尽管及精确宇宙学告诉我们,今天所观测到的一切事物都起源于一场炙热的大爆炸,但却无法解答很多问题,例如宇宙大爆炸的原因、炙热气体的来源、气体均匀分布的原因、0.002%种子起伏的原因等等,弗里德曼的膨胀宇宙方程很难解决更加遥远过去的问题。这就意味着,要想理解宇宙的终极起源,需要一个彻底的新理论。

      ▼第四章  宇宙的起源

      由于弗里德曼大爆炸模型对宇宙最早期的解释上存在严重的问题,迫切需要新的理论进行修正。例如:

      1、根据最新的观测,宇宙微波背景辐射的温度在天空中的各个方向上都几乎相同,如果宇宙大爆炸并不同步,就会产生明显的温差,而由于宇宙巨大的距离和膨胀速度使得相隔遥远的两片区域根本没有足够的时间来相互作用(哪怕是光也无法抵达),这就说明了宇宙大爆炸在各区域是同步发生的,而目前还没有理论可以解释该现象,这就是所谓的“视界问题”,即地平想问题。

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      2、针对宇宙未来的命运,弗里德曼方程存在的三种解,分别对应着宇宙的三种结局:位于临界状态的那个解代表着平坦的宇宙,它将一直保持完美的平坦,永远膨胀下去。如果低于该临界值,宇宙膨胀的速度将会逐渐减慢,在未来的某一刻将会停止膨胀转向坍缩,最终走向大挤压;如果高于该临界值,宇宙的膨胀将会永远地高速进行下去,以至于物质被稀释到无法形成星系的程度,整个宇宙将会被冰冷和黑暗的大冷寂所笼罩。而我们目前所处的宇宙,则处于一个相对平坦的状态。

       解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      3、要想让我们的宇宙拥有一个能够保持绝对平坦的密度,就需要一个前提,即在很久以前,存在一种微小而均匀的物质,它的密度不会因为体积膨胀而被稀释,根据爱因斯坦的引力理论,这团物质会发生爆炸,也就是所谓的暴胀,根据爱因斯坦方程的一个解,这团不可稀释的物质每膨胀一倍所花的时间相同,这被称之为“指数级增长”,如下图所示:

       解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      如上图所示,随着物质尺度的翻倍,其膨胀速度也会翻倍,这引发了加速膨胀,根据最流行的暴胀理论,暴胀从开始到结束,整个过程不到10-35秒,比光前进10-12个质子的距离还要短。也即是说,指数级膨胀在细微之物中产生了震天撼地、快速膨胀的爆炸,这便解决了“爆炸问题”。但由于暴胀物质最终会衰变成普通物质,这些普通物质继承了暴胀阶段所带来的初速度,继续在万有引力的作用下减速膨胀。

       解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      并且,暴胀理论还能解决视界问题,暴胀早起,空间中的任意两个区域的距离都很近,有足够的时间来相互作用,并且,由于宇宙中的任意两片区域拥有一个共同的起源,因此拥有相同的特征。

      同样,保证理论也能解决平坦性问题,当一个曲面被膨胀到了无穷大,其有限的空间内几乎就是平坦的,这就是只要暴胀持续的时间够长,足够早就今天的可观测宇宙,那么空间也将变得平坦无比,直至今日也是这样,没有发生大挤压或者大冷寂。

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      为了遵循物理定律,即质量能量守恒定律,要想要宇宙加速膨胀,暴胀物质必须拥有负压,而且这个负压必须非常强大才能确保宇宙以指数形式暴胀,并且万有引力不仅仅是由质量引起的,还是由压力引起的,正压能带来相互吸引的万有引力,经过计算得知,负压所引起的万有斥力要比质量引起的万有引力强3倍。在暴胀物质把自身炸的遍地开花的时候,膨胀所消耗的能量创造出了足够的新质量,使这些物质保持着恒定的密度。

      总而言之,正是万有引力拉扯着暴胀物质,向其注入了能量。由于爱因斯坦质能方程E=mc2,有质量的物体具有正能量,为了保证万物总能量不变,引力必须有能力平衡这些正能量,而万有引力的来源——引力场具有负能量,被引力所加速的物体就会获得一定的负能量。

      在暴胀理论中,由于暗能量的发现,人们可以确定,那些密度均匀而又难以稀释的物质不是别的什么东西,正是暗能量,新的理论认为暴胀速度要比原先理论所描述的慢些,每次翻倍的时间长达80亿年。

      而使得宇宙微波背景辐射图存在不均匀现象的宇宙涨落,其原因正是来自量子力学。由于在宇宙暴胀的早期,今天银河系所占据的空间比一个原子还小许多,所以量子力学所产生的微观效应是不可忽视的,再往后,随着宇宙的膨胀,量子效应所造成微妙的不均匀则被拉伸到了极大的尺度,形成了今天的星系、星系团和超星系团。

       解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      暴胀并不是发生在宇宙大爆炸之后,而是发生在大爆炸之前,并创造了大爆炸,并且宇宙大爆炸并不是时间的起点,因为尚不能确定时间有没有一个真正的起点暴胀物质会瞬间以指数的形式增长,无论是体积、质量、膨胀速度都膨胀了巨大的数量级。暴胀之前所留下的所有粒子很快降至接近零的温度,只剩下量子涨落的那点热量(这些量子涨落也产生了引力波)。

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      对于这个宇宙来说,暴胀即结束了,有没有结束。因为140亿年前,在我们现在所栖身的这片空间里,暴胀物质衰变成了普通物质,导致这片区域的暴涨结束了。但由于暴胀物质衰变的速度有限,暴胀物质翻倍的速度要比其衰变的速度快很多倍,因此整个宇宙的暴胀永远不会结束,而那些衰变了的暴胀物质所在的空间,则成为了不断扩大的非保障空间区域,暴胀在这些区域内已经停止了,这些区域成为了日后星系诞生的地方。

      因此,我们称之为“大爆炸”的事件,并不是宇宙的终极开端,而只是一个结束,它为我们这部分空间中的暴胀画上了句号。

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      暴胀最令人惊异的是,它能在有限的体积内创生出无限的体积!具体地说,它能在一团比原子还小的物质中创造出一个无限的空间,包含着无限多的星系,而不用影响外部空间。也许,在外界看来,这个无限的宇宙可能就像一个亚原子黑洞。

      宇宙的暴胀可以理解为,在宇宙的“边缘”不断的发生着暴胀,在暴胀后的中心区域,暴胀逐渐结束了,传统的大爆炸理论就在此开始生效,并逐渐演化成了今天的可观测宇宙。

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      ▼第五章  第一、二层平行宇宙

      1、第一层平行宇宙

      要想解释第一层平行宇宙,就要先弄清楚我们自己的宇宙代表着什么,以下是两条术语的解释:

      物理实在:一切存在的事物;

      我们的宇宙:在物理实在中,本质上能被我们观测到的部分。

      所谓我们的可观测宇宙,也可以叫做“我们的世界体积”或者“我们的粒子视界内的区域”,与其尺度相似的“哈勃体积”代表着星系退行速度小于光速的区域。我们的宇宙是一个以地球为球心的球形区域,靠近我们宇宙边界的物体发出的光线经过140亿年的旅途才刚刚抵达我们身边。现在这些物体距离我们大约为5X1026米远。

       解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      但是在我们可观测宇宙的范围之外更是存在着巨大的空间和大量的物质,我们看不到那个世界,也不可能与之接触,因为光线和其他信息没有足够的时间到达我们这里。这就是最简单的一种平行宇宙。我把这种身处遥远区域、与我们宇宙的尺度相仿的宇宙称作“第一层平行宇宙”(Level I parallel universe),所有的第一层平行宇宙组成了“第一层多重宇宙”(Level I multiverse)。

      解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      为了描述第一层平行宇宙,我们就要提到对世界的物理描述的两个部分:①一切是如何开始的;②它们是如何演变的。也就是初始状态和物理定律,后者将决定初始状态随时间演化的规则。在第一层平行宇宙中,每个观察者所处的地方的物理定律与我们是相同的,但是他们的初始条件与我们不同。

      虽然要想形成和我们的世界一模一样的第一层平行宇宙世界,需要太多的巧合,如地球的形成、生命的进化、恐龙的灭绝、人类的诞生、文明的进步等等,这使得该事件发生的几率趋于无穷小,但这件事发生的概率并非为零,因为在我们所处的世界里这件事情就发生了。并且如果样本的数量足够大,发生几率再小的事件也一定会发生,对于暴胀所创造出的无数个第一层平行宇宙而言,就像投了无数次的骰子一样,与我们的世界完全一样的第一层平行宇宙存在的概率为100%,数量为正无穷个,因为无穷大的一小部分还是无穷大。由此还可以推断出,与我们所处的世界相似的第一层平行宇宙的数量也是正无穷个。

       解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      但是,即便一个人完全了解关于宇宙整个过去和未来的所有知识,也无法预测其自身的未来,之所以如此,是因为他不知道在这么多个平行宇宙中,哪一个才是自己所处的那个。

      在第一层宇宙中,所有可能发生的事情,都一定会发生。该假设遵循以下两个逻辑不通的前提假设:

      ①无限的空间和物质:在早期,空间就是无限的,充满了炽热的、不断膨胀的等离子体。

      ②随机的种子:在早期,某种机制播撒下了这样的种子,使得任何区域都能孕育出任意一种可能性的种子起伏,它们看起来是随机的。

      首先,对于第二个假设来说,即使没有暴胀也十分合理,因为人们已经观测到了这些看似随机的种子起伏的存在,并且根据宇宙微波背景和星系天图的精确测算也都证明了第二个假设的合理性。

      解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      然后,对于第一个假设而言,主流宇宙学界就有着以下两大观点:其一是宇宙是一个相当均匀地充满着物质的无限空间,至今仍然是宇宙学标准模型中的一部分,但该假设存在较大争议。其二是宇宙是一个空间有限但没有边界的封闭世界,如果空间向自身弯曲,就像一个超球面,该超球面的体积要比人们能观测的部分大了至少100倍,这也解释了我们可观测空间(包括宇宙微波背景实验)为何如此平坦而难以检测到曲率的存在。

       解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      对于封闭循环的无限空间而言,如果朝着某一方向一直走下去,总会走回到起点的,但是目前天文观测尚未得到这一现象,也就是该理论尚未得到证实。但尽管如此,天文观测证实了观测范围越大,宇宙中的物质看起来就越均匀,这也说明了我们所处的世界并非位于宇宙的什么特殊位置(如宇宙的中心)。

       解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

       

      2、第二层平行宇宙

      根据之前的理论,暴胀能从有限的空间内创造出无限的空间,因此,暴胀也很有可能在几个相邻的体积内发生,只要交界处的暴胀永不结束,就能由此产生几个相邻的无限区域,这些相邻的无线区域就被称之为第二层平行宇宙。

      由于暴胀产生的空间速度极快,甚至超过了光速,尽管其它的第二层平行宇宙与我们处于同一个空间中,但即便以光速前进,也无法到达,这也是第二层平行宇宙同第一层平行宇宙的不同之处。

       解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      如上图所示,其中灰色区域代表了正在进行暴胀的区域,在其中的某些地方会停止保障,形成新的U形区域,即正常的时空。任何暴胀的区域都会膨胀的非常迅速,并不断会有地方停止暴胀,逐渐形成无数多个U形区域,这些U形区域一起组成了第二层多重宇宙,如图下图所示。

       解读《穿越平行宇宙》第一部分——星际空间之旅

      在每一个U形区域内,随着暴胀的结束,暴胀物质会转化为普通物质粒子,最终聚集形成原子、恒星和星系。

      在第二层多重宇宙里可能存在许多不同的无线区域(平行宇宙),而这些区域内的物理定律也不尽相同,甚至可能有着天壤之别。从定义上来说,物理定律可以分为基本物理定律(fundamental laws of physics)和有效物理定律(effective laws of physics)其中,基本物理定律(客观实在)无论在何时何地都是一成不变的,但它能衍生出复杂的物理状态;在不同的物理状态中,有自我意识的观察者就会推论出不同的有效物理定律(主观映射)。

      在暴胀时代,每个微小的空间内都蕴藏着巨大的能量,足以使得量子涨落在微小的区域内触发偶然的相变,这篇小区域随后暴胀为一个巨大的区域,其内部的相处处相同。并且一个区域只有处于特定的相才能停止暴胀,以保证不同的相空间之间的边界处于永恒暴胀的状态。因此,永恒暴胀有能力创造出任何一种可能存在的空间类型,并将整个图景变为了现实。对空间的每一种相,暴胀都能创造出无数多个第一层多重宇宙,并且每一个第一层多重宇宙都充满了这种相。

      并且,第二层多重宇宙从根本上改变了我们对物理定律的传统观念。许多曾被认定为放诸四海而皆准、不随时间和空间而变化的基本定律,到头来原来都只是有效物理定律,就像只对本地人有约束力的地方法规一样,每个地方的旋钮设定都可能不一样,从而形成不同的相。

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      在我们的宇宙中,许多物理量都是非常精细微妙的,也就是说这些物理量只要有一个发生了微小的变化,我们的宇宙就会发生巨大的改变,例如如果暗能量的密度稍微大一点,恒星和星系将无法形成,整个宇宙将会是一片死寂,如果暗能量的密度稍微小一点,宇宙将会在自身的引力下坍缩;除此之外,例如电磁力、弱相互作用力、电子质量、宇宙种子的起伏度等物理量发生微小的改变,都会造成宇宙的极大变化,至少不会形成今天的宇宙和其中的一切已知的生命形态。

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      为什么我们今天所生活的宇宙是这个样子?这个问题可以理解为一个无法解释的巧合,其中一种解释——人择原理,认为之所以人类能够存在并观察思考这个宇宙,正是因为这些精确的宇宙参数,这种解释看起来无懈可击,但又让人感觉没有正面回答问题。可以举出很多宇宙参数微调的例子,我们可以用太阳系的微调性来预言其他不同恒星系的存在;同样的逻辑,我们也可以用我们宇宙的微调性来预言其他不同宇宙的存在。两者之间唯一的区别在于,其他恒星系可以被我们观测到,其他宇宙却永远无法被我们观测到。

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      我们生活在一个看似随机的宜居宇宙中,但这些随机的物理参数应该满足与宜居性有关的概率分布。将这些数字在多重宇宙中的变化情况与星系形成等物理过程结合起来,就能对可能观测到的现象作出统计学预测。目前来看,这些预测与暗能量、暗物质和中微子的数据十分吻合(如下图)。

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      根据最流行的弦理论宇宙模型,空间拥有9个维度,其中又6个维度是无法察觉的,这是因为这6个维度都蜷缩在非常微观的尺度内。根据推测,所有的9个维度一开始都是蜷缩起来的,但是在我们生活的宇宙空间内,暴胀展开了其中的3个维度,并拉伸到极大的尺度,剩下的6个维度仍然处于蜷缩状态,无法观测到。也许在第二层多重宇宙中的其他地方,暴胀展开的时空维度可能不尽相同,从而创造出不同维度的众多世界(如下图)。

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      当然,除了暴胀理论外,还有可能存在其它的宇宙创生机制,例如循环爆炸理论、黑洞创生理论、膜宇宙理论等。现在,平行宇宙理论虽然面临着诸多争议,但已经被主流科学界所接受并开始研究。

      以上是对第一层和第二层平行宇宙理论的阐释,在后面的几章里,还将会讨论第三层和第四层平行宇宙理论。

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