暴胀理论带来的一种多重宇宙观。


不管暴胀理论现在还没有被证实，从它却可以获得一种合理的想象，这个想象带给我们的是一个比百纳被形式更具有科学素养的多重宇宙场景。


暴胀论指出，原始空间具有暴胀势能。在大爆炸发生之前，原始空间是怎么存在的？原始空间是怎么随着大爆炸产生的？大爆炸是怎么产生的？大爆炸理论有一个悖论，那就是大爆炸来自于何处。那个奇点，是一切物理规律都不能描述的存在，是个不合理的地方。


于是有一种说法是：大爆炸之前我们的宇宙的原始空间是一个极小的区域，大概就是普朗克尺度吧。其实有无数个这样的普朗克尺度大小的“高暴胀势能空间”存在，并可以认为是紧密排列在一起的，就像是一块饼干里的屑粒紧密地排在一起一样。其实如何排列是不重要的，接下去就知道了。每一个饼干屑粒都是一个等待着大爆炸的“奇点”。


奇点有暴胀势能，也有量子抖动。所谓量子抖动就是那种来自于量子论不确定原理的，无法被观察到的能量上上下下起落现象。有一个阈值，它限定了只有当奇点的能量跌落到它之下后，奇点的势能就会如同洪水一样一发不可收拾地转换成物质粒子，形成暴胀。但通常情况下，奇点的量子抖动幅度都不会达到这个阈值的程度。然而，量子论还有个玩意儿叫“隧穿效应”，即使能量壁垒足够大，其内的能量涨落不足以超过壁垒而满溢出去，仍然可以以一种很小的概率穿透这层壁垒，达到满溢出去的结果。


无数个奇点势能涨落着，总有那么几个奇点隧穿了阈值的能量壁垒，产生了大爆炸，将势能转换为物质粒子，形成了一片物质宇宙。我们的宇宙就是其中之一。


书中举例说整个宇宙就好似一块瑞士奶酪块。奶酪块我们或许不熟悉，反正只需要知道奶酪内部会不断产生空气泡。这就像上面说的情形，一开始整个宇宙的每一处都是高暴胀势能奇点，整个宇宙就像一块内部尚没有气泡的奶酪。接着随着时间的流逝，由于量子抖动过程和隧穿效应，奶酪内部的各处随机出现一个个的气泡，每个气泡就是一个发生了大爆炸的宇宙。气泡内的空间暴胀势能是远低于气泡外的奶酪的暴胀势能的。


气泡会随着暴胀过程而急速扩大体积，奶酪块也随着急速扩大体积。这个扩大过程因为内部不断产生新的气泡，而且旧气泡也仍然在扩大，而不断扩大，永不停止。


在这个理论中有一个细节，解释了我们现实中观测到的不同区域的宇宙微波背景辐射的一些极微小的差异，有的地方比其他地方更大那么一点点，有的地方却更小那么一点点。这种“有的地方”是一片极其广袤的宇宙区域，而不是豆腐块那么的一小块区域。


理论说，量子抖动会形成能量的小幅度上下涨落：一会儿稍微大一点，过了一小会又会稍微跌落一点，在平均值附近来来回回。这里的“一小会儿”指的是普朗克时间尺度之下的时间间隔，而不是抽一支烟的那么巨大的时间间隔。同时量子抖动又在普朗克空间尺度内，使不同地方的暴胀能发生微小差异。


但是暴胀发生后，空间区域急速扩张。但这时候量子抖动仍然在发生着，这些量子抖动会被空间的急速扩张而迅速地放大到一大片空间区域。我们闲杂观察到的几片宇宙区域之间的背景辐射差异，在远古时代就是普朗克空间尺度下的量子抖动结果。

宇宙微波背景辐射分布图：
图片是能观察到的宇宙区域。图中颜色较暗的是能量较低的微波辐射区，较亮处是较高能量的微波辐射区。这些明暗分布就是源自于远古时代的一次量子抖动。

需要指出的是，空间的暴胀势能场还是一种假设，并没有实验证据。


回到那个奶酪模型当中，每个泡泡一旦产生，空间就急速增大，越来越大的泡泡使得整片奶酪也随之增大。结果就是，两个原本离开一定距离的泡泡，因为期间不断新出现膨胀泡泡，而相远离的速度超过了光速（这个叫退行速度），使得这两个泡泡之间永远失去了任何联系。就算一个泡泡中有一个强大文明，她也无法与领一个泡泡中的文明联系，更不用说跑过去看一眼了。


但是每个泡泡被产生后，它们各自内部的规律虽然说仍然是相同的，但形态上会出现完全不同的变化。这并不是说物理参数发生变化，比如两个泡泡宇宙内光速仍然是同一个数值，光速仍然是最大速度，光速仍然是对不同惯性系对称的，但每个泡泡的物质环境可能会很不同。比如有的泡泡可以是很光明，有的泡泡所有地区都有强大的磁场，再比如某个泡泡内希格斯场很强，于是那里的质量都很大。。。


书中着重描写了希格斯场的情况。先来看看希格斯场是怎么回事。


很多资料都模糊地说，希格斯场赋予了物质以质量属性。就这句话，说了等于没说。


有一个概念与它十分相近，却在相对论出现之前就出现了，那就是马赫对引力和质量的新看法，这种新看法不同于牛顿，它与相对论有着密切的关系。当然现在看，这个新看法也不那么新了，而且广义相对论中它也不在整体上成立。但这个思路很接近希格斯场对物质质量影响的情况。


看看老马是怎么说的吧。


牛顿说万有引力是物质与物质之间的固有吸引作用力。无论相距多远，这种引力始终存在于任何俩物体之间。万有嘛。而每个物体都有个叫引力质量的抵抗引力作用的惯性。至于引力质量为何会出现？牛顿说不出。他只好说这是物体固有的东西。马赫却给了物体引力质量的一个解释：是除了它自身以外，其他所有物体对它的引力综合在一起造成的一种“牵制效应”。


比如一个很轻的乒乓球，被一大堆紧绷着的橡皮筋拉着在球表面，那么当我们试图去推动这个乒乓球的时候，它会呈现出一股远超出它本身质量的阻力。如果我们看不到橡皮筋，就会以为这个乒乓球很重很重，质量很大。我们可以说，橡皮筋的拉力赋予了乒乓球的质量。


马赫设想的场景中，许许多多的星系对物体的引力代替了橡皮筋。物体的质量就是那些引力对物体的整体拉扯而形成的阻碍运动变化趋势的假象。


希格斯场赋予物体质量的思路与这个类似。标准粒子模型说，粒子穿过希格斯场的时候，会努力保持它原有的运动状态。当我们试图改变粒子的运动状态时，会遇到希格斯场对粒子运动状态变化的阻碍。这个阻碍就体现为质量。


需要注意的是，这种被希格斯场所赋予质量的粒子，只限于基本粒子（电子、夸克），而中子质子的质量更多地来自于其内部的相互作用（强作用力）。


暴胀泡泡宇宙模型里，每个泡泡的希格斯场很可能都有不同的“场强”，同一个粒子在某个泡泡里是这样的质量，在另一个泡泡里质量会不一样。这会造成不同泡泡里各种作用力的强度和距离都不同，因为传递作用力的也是那些基本粒子，质量来源于希格斯场。这样，我们这个泡泡里有星系，有太阳由地球，领一个泡泡里可能是什么物质都没有，只有只有一大块超级固体，我们这种生命是不可能在那些泡泡里存在或者生存的。

接下来作者对泡泡里的时间展开了一番思索。很有趣。


学过相对论的都知道，同一段物理过程的时间，在不同环境中的观测者那里是不同的。环境一指相对速度，二指引力场强度。这在整个宇宙（泡泡）的尺度上，整体的统一的时间就失去了意义。


于是我们可以尝试用另一种东西来代替原本的时间观。当这种东西在全宇宙里有统一的表现的话，那么就可以使用这么的一个全局时间概念。


这种新的时间测量方法，就是去测量宇宙空间某一点位置上的“暴胀能量值”（书中称之为暴胀场取值）。当泡泡里两个点位置的暴胀能值相等，我们就可以说这俩地点经历了相同的时间间隔。


应该这么说，泡泡一旦产生了，暴胀能量就会迅速跌落，散发出来的能量形成了物质粒子。于是每一处的暴胀能量在泡泡开启后，都会不断下跌再下跌，只是跌得不再如暴胀时期那么快了。于是暴胀能量值，可以看做是一个全泡泡内都可以精确测量，并且相互比较的时间概念了。比如可以这么说一段时间：能值从100到20这段时间，或者索性说时间等于-80（没有单位或者其他什么单位）。


接着作者给出了一个令人瞠目结舌的结论：对于泡泡外部的观测者来说一段永无止境的时间，在泡泡内部观测者眼里，只不过是某个时刻的无限广阔的空间。


这说出了两层意思：
1、泡泡外观测者的时间观，与泡泡内观测者的时间观是截然不同的，两回事。
2、泡泡内的时间与空间，相当于泡泡外的空间与时间，反过来的。
这使我想到了某种对黑洞内部时空结构的说法：进入了黑洞视界后，时间变成了空间，空间变成了时间。


其实这种说法只是把泡泡内外的两个观测者放在了不同的角度来看问题，有点哗众取宠的感觉。


对于泡泡内部的观测者来说，他在某个时刻看到的整片宇宙，其实是这个宇宙不同时刻发出的光所呈现出来的一种“幻像”。比如我们现在看到一百亿光年外的星系，那是这片星系在一百亿年前的样子，不是“现在”的样子，“现在”那片区域可能根本没有任何星系在那里游荡。


那如果泡泡已经存在了无限长的时间（泡泡外的时间观），泡泡内的观测者就会看到无限久之前的宇宙样子，呈现出的就是一片无限大的空间。


这个看似有点哗众取宠的说法，只是为了提出那个百纳被宇宙是可以存在着的，由永恒的暴胀所产生。而且在这里，每一个泡泡都是一个无限大的百纳被宇宙，这样的百纳被宇宙又有无限多个。

第三种，弦论的多重宇宙


弦论嘛，可以去看格林写的《宇宙的琴弦》，对弦论的介绍很详细，比这本科普详细的多。弦论就是后来人继续走老爱曾经独自一人走过的那条路之后出现的一个统一场理论，就是那种能解释一切的终极理论。


过去几百年来的物理学理论，都是沿着“各种概念、各种方法的不断统一”这条途径前进的。这条路被老爱提升到最高的角度，他就是研究那个能解释一切的终极理论的鼻祖。之后由于量子力学这门旁支的崛起，大量物力资源（人、物资、实验）都投入到这个新兴理论上，造成统一之路的暂时中断，只有老爱一个人在做着失败的尝试。当然，量子力学如果不成熟，统一之路也走不起来，老爱那些尝试也不全失败，起码证明了这点。


量子力学在研究原子内部时发现了另外的两种作用力（强力和弱力），这下补全了全部的四种作用力。对除了引力之外的其他三种力的研究过程中，逐渐发现它们具有统一的基础。于是统一思路又一次复燃，这三种自然力被统一到了标准模型中，但无论如何，就是无法用同样的办法去搞引力。


超弦理论（弦理论）就是达到纳入引力这个目标的一个方法，那是目前看起来最有希望统一四种自然力的终极理论，但是极度缺乏实验证据（可以说到现在为止一个都没有，是无法被证伪的）。


一大波新概念扑面而来了。


首先就是量子场的概念。前面说过，场就是一个空间的高级函数。可以把场看做是一股弥散在整个空间的“迷雾”。这里稍微扩展一点点。场是空间坐标的函数，给定一个空间坐标，就有一个场值与之对应。每个空间坐标（位置）都存在且唯一地存在一个场值。这个场是什么，那么场值就是什么。比如说大气温度吧，只要有空气存在的地方，都有那个地方的空气温度。每一个地方（坐标）都存在着一个温度值，不同位置有不同的温度值。于是这个就叫温度场，场值就是温度值。


温度场的场值是一个实数，叫做标量场，其他场的场值不一定是实数了，也可能是个矢量（比如大气的速度场，每个空间位置有一个速度矢量），那叫矢量场，或者张量（比矢量更高级更复杂的一个东西，广义相对论的引力场就是个张量场，每个空间位置都有一个时空曲率张量）。


标量场，矢量场和张量场都是经典的场概念，是无限连续、无线光滑的，空间坐标的变化是光滑的，场值的取值也是光滑的。量子场则是相反，空间坐标和场值只能一份一份地取值，是离散的，是数码化的，就像量子论那样。


当大家企图用量子场论（其它三种力）的数学方法处理引力时，却出现了“概率无穷大”这个毫无意义的结果。概率的取值范围是0到1之间，概率无穷大不是指“必定发生”，概率等于1才意味着这点。


量子场论有一个基本思路就是量子抖动，分析引力和其他三种力的量子抖动，有本质的不同。其它三种力就好像在舞台上几个道具，各自的抖动就是简单的抖动。引力却是那个舞台本身，如果舞台也那样的抖动，那么抖动就会无限重复地叠加到舞台本身，最终舞台塌了。


要指出的是，分析引力的场合只能是那种极小范围内存在极大质量能量的情况，比如黑洞，比如宇宙创生。书里提到了普朗克长度：10的-33次方厘米，这个尺度小到无法想象，原子核的尺度比它大得多了（超过10个数量级，也就是大1后面10个0倍）。书中有个比喻：如果把一个原子放大到可见宇宙那么大（一两百亿光年），那么普朗克长度只是一棵树的高度。量子抖动就是发生在普朗克长度以下的。还有一个叫普朗克质量的东西，是质子质量的10的19次方倍。


弦论说，一条具有能量的弦，是组成一切基本粒子的最基本的存在。换句话说，任何基本粒子（电子、夸克、中微子等等）其实一根相同类型的弦的不同存在方式。弦有能量，就会震动。振动有频率和振幅。于是弦的能量也有大有小，还有各种不同的表现方式，就像音弦那样。宇宙万物由许许多多的弦组成，就像一曲能量的交响曲（详见《宇宙的琴弦》）。


弦的振幅大，频率高，那就是能量高，质量大。弦的某些振动形式对应着“电荷”，产生电磁力，产生同性相斥异性相吸的奇怪效果。弦的另一些振动形式对应了一种叫“色荷”的东西，那是强作用力的“荷”，产生了强作用力这个玩意儿。这方面看，引力最简单，只有一种“荷”就是质量。电磁力复杂一点，有两种“荷”：正和负。强作用力则有三种“荷”，于是人们用三原色来代表这三种荷。弱作用力我就不那么清楚了。


弦的尺度（相当于直径）极小，也就是普朗克长度的程度，所以从理论上都看不到弦的内部结构。现在已知的所有的基本粒子，都是弦的某些固定的振动方式。总有一天通过计算，可以直接从理论上推测出新的基本粒子。


另大家重视弦论的一点是，已经找到了一种弦的振动模式，正好可以用来描述引力。否则，弦理论也不过是个捏出来的泥巴。


量子场论指出，任何一种量子场都有对应的量子，也就是某种基本粒子，它充当着传递该种作用力的媒介作用。比如电磁场就对应着光子，光子传递电磁力。那么引力场也有一种叫引力子的基本粒子了，它的量子特性，正好是弦的某种振动模式所能够描述的。于是很自然地，那种振动模式的弦就被按上了“引力子”的名称，成为了传递引力的还没被实验发现的假想基本粒子。


于是，弦论拥有一个极其令人兴奋的特性，那就是拥有从量子论到相对论的全部特征，它融合了这两个一直以来都水火不容的基本理论框架。

原作者到这里就停更了。

好文是好文，可惜原作者弃坑了