無窮

通貨膨脹持續不斷

「宇宙」一詞曾經被定義為存在的一切，現在通常指的是無數時空氣泡中的一個。

亞利桑那州立大學宇宙學家保羅戴維斯說：「我們一直以來所說的宇宙，可能只是一個更大、更複雜的系統中的一個無限小的碎片，我們需要一個更好的詞來形容這個系統，我們稱之為多重宇宙。

一個世代之前，這樣的多重宇宙只存在於科幻小說中，而不是科學教科書中。 如今，多元宇宙是現實世界科學會議的熱門話題，包括最近在坦佩亞利桑那州立大學舉行的「起源」研討會。 在那裡，戴維斯和其他專家探索了多重宇宙的人擇意義，其新發現的重要性歸功於一種流行的天文物理學理論，即暴漲理論。

起源研討會的發言人之一是麻省理工學院的艾倫·古斯(Alan Guth)，他於1980 年發明了暴漲理論。宇宙爆炸，標誌著當今一個已知宇宙的誕生。

古斯提出，在短短的一瞬間，宇宙呈指數級膨脹，這解釋了為什麼現在可見的宇宙在溫度和結構上如此均勻。 這種指數膨脹足以將時空拉長，足以消除物質和能量最初融合中除了最微小的團塊之外的所有物質，從而形成今天光滑的天空。 暴脹也會為宇宙從微小的起源成長到目前的大小提供動力。

「暴脹解釋了宇宙如何變得如此之大，這可能是我們認為理所當然的事情，但據我所知，沒有任何其他理論能夠接近實際解釋它，」古斯在亞利桑那州會議上說。

古斯解釋說，通貨膨脹是由一種排斥性的重力驅動的，這種排斥性的重力是由太空中的能量場產生的。 隨著時空膨脹，某些場會失去強度，因此局部區域可以逐漸膨脹，使恆星和星係得以發展並黏在一起。 但同時，膨脹領域的其他區域繼續呈指數級增長。 總是有更多的膨脹物質可以產生新的時空氣泡——古斯稱之為「袖珍宇宙」——而且這個過程永遠不會停止。

古斯說：“因此，暴脹一旦開始，就會永遠持續下去，暴脹區域的碎片會分裂並產生這些袖珍宇宙。” “如果這是正確的，我們將生活在無窮無盡的袖珍宇宙中。”

金髮姑娘的泡沫

今天大多數專家認為暴脹是對可見宇宙的外觀和內容的最佳解釋。 如果這是對一個已知宇宙的正確解釋，那麼一定還有無數其他宇宙。

戴維斯說：“問題在於，所有其他宇宙是否都會像我們的宇宙一樣，或者它們是否可能有不同的定律，而我們宇宙中的定律在某種意義上是特殊的。”

基於弦理論的論點表明，多元宇宙包含承載著各種物理現象的氣泡，而弦理論是解釋所有物理定律的最受青睞的候選者（儘管未經實驗證實）。 暴脹理論的另一位先驅、史丹佛大學的安德烈·林德在亞利桑那州研討會上指出，弦理論預測存在大量不同的“真空狀態”，或具有不同屬性（例如物理常數或粒子質量）的時空氣泡。 林德說，在無數個氣泡中，可能有 10 個⁵⁰⁰不同的品種。 儘管任何潛在的基本物理定律都保持不變，但氣泡仍然可以表現出巨大的物理多樣性。 「這是相同的物理基本定律，但實現方式不同，」林德說。

其中一些氣泡對於生命而言不會持續足夠長的時間，在任何有趣的化學反應開始之前先膨脹，然後收縮。 其他人會永遠擴張，就像人類佔據的泡沫一樣。 在某些地方，當地的物理定律會歡迎生物；而在某些地方，當地的物理定律會歡迎生物。 其他人則不允許任何共同建構原子、分子和代謝機制的粒子和力。 宇宙似乎有各種大小和味道，人類泡沫是金髮女孩的版本，正好適合生命。

這是不可能的，或至少是非常不可能的（SN：2008 年 6 月 7 日，第 14 頁 22 號），讓任何其他宇宙在物理上已知其存在。 因此乍一看，除了通貨膨脹方程式之外，沒有明顯的方法可以證明它們的存在。 但事實上，古斯和其他人認為，將人擇推理應用於多元宇宙可以計算已知宇宙的一些可觀察特性，否則這些特性是無法解釋的。 這些計算的成功將驗證多重宇宙是真實的假設。

馬薩諸塞州梅德福塔夫茨大學的亞歷克斯·維倫金(Alex Vilenkin) 表示：「無論你喜歡與否，我們可能生活在一個多元宇宙中，問題是是否有可能以一種方式或另一種方式來判斷。 我認為可以進行測試。

他的推理是基於這樣的信念：人並不特別。 換句話說，如果多元宇宙提供了允許生命進化的多個氣泡，那麼人類很可能生活在一個普通的氣泡中。 例如，如果你丟掉所有無論如何都不允許生命存在的氣泡，然後計算剩餘氣泡的空間平均溫度，人類測量的宇宙溫度應該與該平均值相差不遠。

但計算這個平均值並不簡單，穴居人也能做到。 即使在拋棄壞宇宙之後，仍然存在著無數的好宇宙。 因此，計算測量特定溫度的機率將涉及將無限數量的觀測值除以無限數量的宇宙。 嘗試一下。 你可以明白為什麼這是一個問題。

維倫金、古斯和其他人試圖透過設計「措施」來規避無限問題，即使在無限多元宇宙中也可以對機率進行估計。 一個乍看之下很有希望的想法是定義多元宇宙的有限樣本，並將其限制在有限的時間段內。 想像一下時鐘在空間的每個點啟動並允許時鐘運行直到指定的截止時間。

基於如此監控的有限空間區域的計算可以外推到無限大。

但以這種方式衡量的宇宙是有欺騙性的。 每 10 個就會出現一個新的氣泡宇宙^-37秒； 因此，每當你停止時鐘時，一半的氣泡將只有 10 個^-37幾秒鐘大，還有更多人也很年輕。 這種「年輕偏見」扭曲了計算結果，因此大多數年齡足以讓生命進化的宇宙仍然比人類所處的宇宙年輕得多。 麻省理工學院的宇宙學家馬克斯·泰格馬克計算出，由於宇宙在膨脹時會變冷，因此年輕的宇宙會變得更熱，在這種情況下，宜居宇宙的溫度最有可能比觀測到的要高得多。

因此，古斯和他的同事現在正在尋求一種無限空間的測量方法，以在很大程度上避免年輕偏見。 這種方法（稱為比例因子截止）不是觀察多元宇宙隨著時間的推移而增長，而是跟隨宇宙增長一定的大小。 這種方法仍然會帶來一些年輕偏見，但不是很多。 事實上，年輕一點是件好事。 因為如果宇宙平均年齡太老，人類就不是最有可能有感知的物質形式。 玻爾茲曼大腦的數量將會比人類的數量多得多。

太空中的大腦

波茲曼大腦以 19 世紀物理學家路德維希·玻爾茲曼 (Ludwig Boltzmann) 的名字命名，他是解釋物理學機率過程的先驅。 在無限的宇宙中，一切皆有可能，甚至是精確模仿因果過程演化的物體（例如大腦）的原子的隨機累積。 在宇宙的某個地方，這種隨機的分子混合產生了一個在各個方面都與你的大腦完全相同的大腦，神經元具有相同的配置，以及你所有的記憶和感知。 如果有足夠的物質和能量來製造它們，玻爾茲曼大腦可能會變得相當多，使它們而不是人類成為宇宙的典型觀察者。

但很明顯，你不是玻爾茲曼大腦。 閉上眼睛，清除腦海中所有不愉快的想法。 然後睜開你的眼睛，你會看到所有相同的東西，而不是玻爾茲曼大腦會看到的新隨機的世界。

如果玻爾茲曼大腦在宇宙中占主導地位，那麼人類就會很少見，所以你的存在意味著平均宜居宇宙必須足夠年輕，以限制玻爾茲曼大腦形成的幾率。 Guth 認為，比例因子截止方法可能會成功地限制那些玻爾茲曼式冒名頂替者的可能性，正如麻省理工學院的Andrea De Simone 及其合作者（包括Guth、Vilenkin 和Linde）在網路上發布的一篇論文中所闡述的。arxiv.org/abs/0808.3778。

無論如何，這種新方法似乎可以計算與物理學家當今面臨的最棘手問題之一相關的計算：太空真空中的能量。 這種「暗能量」產生的斥力促使宇宙加速膨脹，但其強度遠低於標準理論的最佳估計。 沒有任何已知的數學可以解釋為什麼暗能量具有如此的強度。

但多元宇宙提供了一個答案——沒有唯一正確的答案。 暗能量的強度因氣泡而異。 那麼，人擇推理表明，人類應該佔據一個具有典型暗能量強度的氣泡——基於所有可能存在生命的氣泡的平均暗能量。 塔夫茨大學的Guth、Vilenkin、De Simone 和Michael Salem 使用比例因子截斷來避免此類計算中的無窮大，結果表明，預期的暗能量強度與計算的平均值相當接近，如最後發表的一篇論文所示年物理評論D。

維倫金在亞利桑那州會議上表示：“這一預測與測量結果非常吻合。” “因此，這可能是我們證明確實存在巨大多元宇宙的第一個證據。”

可以肯定的是，這些計算仍然很粗糙。 他們依賴對多元宇宙中觀察者數量的相當粗略的估計，例如，使用預期的星系數量作為人類（或其他類似生命形式）的代理。 但這些並不是指向人為方向的唯一結果。 另一組麻省理工學院的物理學家，在三月號物理評論D，分析了夸克的質量，並確定它們正好位於適合複雜生命的宇宙的預期範圍內。

儘管如此，頑固的反對者仍然不相信。 諾貝爾獎得主、加州大學聖塔芭芭拉分校卡弗里理論物理研究所所長大衛‧格羅斯一有機會就熱情地反對人擇推理。

「永恆的通貨膨脹在技術上和概念上都是不穩定的，」他在亞利桑那州表示。 弦理論是一個未完成的項目。 「我們仍然不知道弦理論是什麼，」他指出。

格羅斯指出，過去，物理學中明顯無法解釋的特徵最終屈服於尋找單一正確答案的努力，而不是訴諸人擇方法。 他認為，也許傳統理論中現在缺少的一些基本見解有一天會展現出用數學嚴謹性解決自然之謎的方法。

但也許這種缺失的洞察力只是意識到需要掌握無限的不便來解決宇宙難題。 換句話說，無限數量的宇宙可能正是醫生所要求的。