穿越平行宇宙

到目前为止，我们对暴胀理论的讨论听起来很像一个成功的物理学理论必经的典型生命周期：新理论解决了老问题→更多预测→实验确认→广被接受→写入教科书。听起来，似乎到了暴胀理论该退休的时候了，我们会为它举办一场传统的科学理论退休仪式，主持人会说：“谢谢你，暴胀理论，谢谢你在探索宇宙终极起源方面的积极付出。现在，请退休吧，你将在教科书的某几章节里度过余生。所以，别来烦我们了，我们将探索其他令人兴奋、尚未解决的新问题。”但是，暴胀理论却很像一个顽强的老教授，它就是坚持不退休！除了在早期宇宙学中不断给予之外，暴胀理论还给了我们一个从未想过的大惊喜——然而，我的一些同行并不欢迎它。

根本停不下来

第一个令人震惊的事情是，暴胀拒绝停下来，永远在创造出新空间。这是安德烈·林德和保罗·斯坦哈特在一个更具体的模型中发现的。亚历克斯·维兰金为这个效应的存在找到了一个优雅的证据。他是塔夫茨大学的教授，总是友善待人，语调温柔，正是他邀请我去做了那场让阿兰·古斯睡着的演讲。因为种种原因，维兰金曾遇到过很多政治磨难，因此，每当我为官僚主义而懊恼时，想一想亚历克斯的经历，我就会意识到自己的问题是多么微不足道，我的沮丧就会被感激所取代。也许，正是他对所信之物的坚定和不畏权势的精神，才使他坚持不懈地工作，并发现其他杰出科学家忽视的东西。

维兰金发现，暴胀在何时何地结束的问题十分微妙有趣。我们知道，至少在某些地方，暴胀确实结束了。因为140亿年前，在我们现在栖身的这片空间里，暴胀终止了。这意味着，一定有某种物理过程能摆脱暴胀物质，让它衰变成普通的非暴胀物质。而这些非暴胀物质持续膨胀和聚集，正如上一章所讲到的那样，最终形成了星系、恒星和行星。我们知道，具有放射性的不稳定物质会衰变为其他物质，所以，让我们假定暴胀物质拥有相似的不稳定性。这意味着，暴胀物质也有一个半衰期，在半衰期的时间内，一半的暴胀物质将会发生衰变。如图4-7所示，暴胀引起的尺度翻倍和暴胀物质衰变之间就像在进行一场拔河比赛。为了使暴胀能持续进行，前者必须获胜，这样整个暴胀体积才能随时间而不断增长下去。这意味着暴胀物质翻倍所需的时间必须短于半衰期。图4-7中就描绘了这样一个例子，当暴胀体积增长到3倍时，正好有1/3的暴胀物质发生衰变，一次又一次地进行下去。从图中你能看到，空间的总体积会永远翻倍下去。与此同时，暴胀空间的衰变不断产生出非暴胀区域，所以，非暴胀的空间体积也在不断翻倍，暴胀在这些区域内已经停止，星系最终将在其中孕育。

暴胀这种永不停歇的性质，比我们之前认为的更加普遍。安德烈·林德创造出了“永恒暴胀”（eternal inflation）这个术语。他发现，在他提出的暴胀模型中，即使是最简单的那个，也将通过一种优雅的机制永恒暴胀下去，这种机制与撒下宇宙涨落种子的量子涨落有关。

到现在，全球各地的科学家已经对数量众多的暴胀模型进行了细致地分析，结果发现，几乎所有模型的最终命运都是永恒暴胀。这些计算过程都很复杂，但图4-7中的示意图抓住了本质，向你揭示出为什么暴胀普遍是永恒进行的：为了让暴胀开始发生，暴胀物质的膨胀速度必须大于衰变的速度，这会让暴胀物质总量不停地增长，没有上限。

永恒暴胀的发现，彻底改变了我们对宇宙大尺度图景的理解。我不禁觉得，过去的宇宙学理论听起来就像童话一样天真，它只有一个故事，遵循一条简单的情节线：“很久很久以前，暴胀开始了……暴胀创造了大爆炸……大爆炸创造了星系。”图4-7让这个故事显得很幼稚——它再一次昭示了人类的错误，因为我们总是傲慢地假设自己所知道的一切就是这个宇宙的全部。这一次，我们发现，连大爆炸都只是一个更加宏大之物的一小部分，就像一个不断生长的树形结构。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。

魔法秀：如何从有限的体积内创造出无限的空间

第1章中那个幼儿园小朋友曾问：“空间是无边无际的吗？”永恒暴胀理论给出了一个清楚的答案——空间不仅非常庞大，它实际上是无限的，其中有着无限多的星系、恒星和行星。

让我们更仔细地探索一下这种观点。尽管图4-7中的示意图并没有表达得很清楚，但我们在这里只对一个单独的连通空间进行讨论。现在（下面我们将回到真正的“现在”），这个空间内的一些地方正在飞速地膨胀，因为它们包含着暴胀物质；

一些地方则膨胀得非常缓慢，因为它们之中的暴胀已经结束；

一些地方，比如银河系内的区域，则已经完全停止了膨胀。那么，暴胀结束了吗？根据上面提到的那些研究，得到的答案是：

是，又不是。暴胀已经结束了，同时它又没有结束。这到底是什么意思呢？来看看下面几个结论。

●在空间中的几乎所有地方，暴胀最终将会以大爆炸的形式结束。

●空间中，多多少少会有一些地方，暴胀永远不会结束。

●暴胀体积的总量将永远增加，定期翻倍。

●暴胀结束、包含星系的体积也将永远增加，定期翻倍。

这是否意味着空间现在已经是无限的了？这将第1章开头提出的问题2带到了我们面前：在有限的时间中，如何能创造出无限的空间？听起来不可能。然而，正如我提过的，暴胀就像一场魔法表演，通过创造性地使用物理定律，许多看起来不可能的节目都上演了。实际上，暴胀能做得更好，在我看来，这是它最令人惊异的花招：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垠的空间，其中包含着无限多的星系，而不用影响外界空间。

图4-8告诉我们暴胀是如何玩这个花招的。它展示了时空的一个切面，其中，左右边缘分别代表暴胀永不结束的两点，下边缘对应着一段时间，在这期间，两点间的整个空间都在暴胀。要画出一个正在膨胀的三维空间十分困难，所以在这张图中，我忽略了膨胀和两个空间维度，因为这两者并不影响基本论述。最终，除左右边缘之外，所有地方都停止了暴胀。弯曲的边界线表示暴胀在不同区域停止的精确时间。在一个给定的区域内，如果暴胀结束了，传统的大爆炸理论就开始在此处展开画卷，就像前两章所讨论的那样，先是变成一个炙热的核聚变反应堆，接着逐渐冷却下来，形成原子，再衍生出原子、星系，最终可能出现像我们这样的观察者。

这个花招的关键点在于：根据爱因斯坦的广义相对论，如果这些星系中居住着一名观察者，那他对时间和空间的感知将与我在图4-8中用坐标轴所定义的完全不同。我们的物理空间中并没有标明尺子一样的厘米刻度，宇宙中也没有一堆事先设定好的时钟。相反，每个观察者都需要定义自己的尺子和时钟，从而定义出自己对时间和空间的概念。这种想法与爱因斯坦不朽的核心理念不谋而合，那就是“一切都是相对的”——不同的观察者对时间和空间的感知都不同。具体点说，同步也可以是相对的。

现在假设你有一个好朋友是宇航员，他此时正在火星上执行任务，你向他发送了信息：

“嗨！你那边怎么样啊？”

这条消息通过无线电波以光速从地球传向火星。10分钟后，他收到了你的消息。你等待的过程中，收到了一封来自尼日利亚的垃圾邮件，向你推销便宜的劳力士手表。再过了10分钟，你收到了他的回信：

“我很好，但我很想念地球！”

那么，你收到垃圾邮件和火星宇航员发出邮件，这两件事哪一件发生得更早呢？令人惊讶的是，爱因斯坦发现，这个简单的问题并没有简单的答案。正确的答案取决于问题回答者的速度！比如，我坐在一艘飞船中，正掠过地球，飞向火星。在这个过程中，我拦截到了这三封邮件，并进行了分析。根据飞船上搭载的时钟，我得出结论，你朋友发出邮件的时间早于你收到垃圾邮件的时间。但是，如果我往相反的方向运动，我可能会得出相反的结论，即你收到垃圾邮件的时间更早一些。你感到晕头转向了吗？这正是爱因斯坦发表相对论时，大多数物理学家的反应。但是，之后无数的实验证明，时间就是这样运行的。唯有地球事件在火星信息到达地球之后才发生时，才能让我们确定火星事件早于地球事件。

现在，让我们将其运用在图4-8所示的情况里。对处在这个区域之外的某人来说，可以用横轴和纵轴来分别代表空间和时间，就像我画在图中的那样，于是，A、B、C、D四件事情将按照字母顺序依次发生。此外，B一定发生得比D早，因为你可以想象出从B向D发送一条信息的情景。同样，A一定早于C。然而，鉴于A和B距离遥远，连光线都没有足够的时间到达，那我们是否还能确凿地说A早于B呢？爱因斯坦的答案是，不能。实际上，对一位栖居于图中星系里的观察者来说，将所有地方的暴胀结束都定在一个固定的时间会更有意义，因为暴胀的结束意味着大爆炸，所以对他来说，A和B实际上是同时发生的！正如图中所示，代表着“暴胀结束”的曲线并不是水平的。曲线的左右边缘弯曲得像一个U字形，代表着永不结束的暴胀，所以它实际上是无限的。这意味着，只要从这位观察者的角度考虑，他的大爆炸就开始于无限空间（也就是无限的U字形）中的一个点！这无限的空间从哪里悄然而来呢？——它来自未来无限的时间，来自U字形两端逐渐倾斜的无垠空间。

同样地，他还会认为宇宙在接下来的时间里也是无限的。比如，如果他进行宇宙微波背景实验，拍下了他的宇宙只有40万年历史时的“婴儿照”，他所拍下的等离子体表面对应着图中质子和电子结合变成透明（不可见）氢原子的那个表面。你会发现，这也是一个无限的U字形，所以他将感觉到，40万年历史的宇宙也是无限的。他还会认为C和D是同时发生的，因为它们位于同一个U字形上，第一批星系正在其中孕育。每两条U字形之间，你都能塞下无数个U字形，所以，他感觉到有两个东西是无限的，一是宇宙的空间，二是未来的时间——尽管在外人看来，所有这一切都被灵巧地塞进了一个比原子还小的区域中。真相就是，内部的空间膨胀并不一定会增加它在外部世界所占据的空间——请记住，爱因斯坦允许空间拉伸，并从虚无中创生出更多的体积，而不用从其他地方抢夺而来。实际上，从外界看起来，这个无限的宇宙可能很像一个亚原子黑洞。阿兰·古斯和他的同事们甚至真的研究了这种可能性：在实验室里创造出一种东西，从外部看像个小黑洞，而从内部看则是一个无限的宇宙——至于是否真能做到这一点，人们尚没有定论。^[10]

在本章开始时，我们由弗里德曼的经典大爆炸理论说起，因它无法解释一些基本问题而展开了对暴胀理论的探索。那么，现在让我们用暴胀理论来重新回答一下下面这几个问题。

问题12：是什么导致了大爆炸？

答：一团亚原子尺度的暴胀物质在尺度上的不断翻倍。

问题5：大爆炸是从某个单独的点开始发生的吗？

答：基本上算是。因为它发生于一个比原子还小的区域内。

问题4：大爆炸是从空间中的什么地方开始的？

答：在那个微小的区域内。但是，暴胀将它拉伸到一个葡萄柚般的大小，这个葡萄柚再飞速增长，直到比我们今天看到的整个可观测宇宙还大。

问题2：在有限的时间中，如何能创造出无限的空间？

答：永恒暴胀的过程中创造出了无限多的星系。根据广义相对论，栖身于这些星系中的观察者对时间和空间的区分有所不同。他们会觉得，早在暴胀刚结束的时候，空间就已经是无限的了。

简而言之，暴胀理论彻底改变了我们对宇宙起源的理解，用一个从虚无中创造出大爆炸的简单机制解释了弗里德曼大爆炸模型无法回答的艰深难题。除此之外，它还给予了我们更多馈赠：宇宙空间不仅是庞大的，它实际上是无限的，拥有无限多的星系、恒星和行星。然而，我们在下一章将看到，这仅仅只是冰山的一角。

◆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。

◆暴胀理论解决了这些问题，还解释了大爆炸的起因。

◆暴胀理论解释了为什么空间是平坦的，这也是我们以1%的误差测量出来的结果。

◆暴胀理论还解释了为什么平均来看，遥远的宇宙在各个方向上都是相同的，不同区域之间的起伏只有0.002%。

◆暴胀理论解释了0.002%的起伏来源于被暴胀从微观尺度拉伸到宏观尺度的量子涨落，涨落再被万有引力放大，最终形成今天的星系和宇宙大尺度结构。

◆暴胀理论甚至还解释了获得2011年诺贝尔奖的宇宙加速膨胀理论，重启的暴胀就像慢动作，使得宇宙翻倍的时间并不是短于须臾之间，而是长达80亿年。

◆暴胀理论认为，宇宙增长的过程与人类婴儿发育的过程很相似：先是一个加速增长的阶段，在其中，尺度按固定周期翻倍，接下来是一个更舒缓的减速增长阶段。

◆大爆炸其实并不是宇宙的开端，而是一个结束，即我们这部分空间中的暴胀结束，而在其他地方，暴胀普遍会永远进行下去。

◆暴胀理论预言，我们的宇宙不仅是庞大的，实际上是无限的，其中有无限多的星系、恒星和行星，而孕育它们的初始条件都来自最初的随机量子涨落。