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本文是《隐藏的现实》一书的第三章,作者B·格林 ,译者李剑龙(笔名Sheldon,科学松鼠会会员)。

因为从根本上存在差异,百衲被多重宇宙和暴胀多重宇宙看起来没有关系。百衲被的多样性来自空间的无限性,暴胀的多样性来自暴胀的永久性。但这两者之间其实存在着深刻而惬意的联系,于是我们兜了一圈又回到前两章的讨论中。暴胀产生的平行宇宙又会产生很多表弟,也就是百衲被多重宇宙。这个过程需要时间。

爱因斯坦的研究揭示了很多奇闻异事,其中最难以捉摸的是时间的流动性(thefluidityoftime)。虽然日常的经验告诉我们,时间的流逝是客观存在的概念,相对论却证明这只是一种表象,因为我们生活在低速的弱引力环境中。如果速度接近光速,或者置身于强大的引力场中,我们所熟悉的全局意义下的时间概念就会蒸发殆尽。如果你从我身边急速跑过,我认为同时发生的事情在你看来就不同时了。如果你在黑洞的边界附近闲逛,你的手表走过的一小时要比我的一小时漫长得多。这不是魔术师的障眼法,也不是催眠师的催眠术。时间的流逝取决于测量者的详细状况—运动的轨迹以及他所受到的引力。

当我们考虑整个宇宙,或者考虑被暴胀环绕着的泡泡宇宙时,问题很快出现了:既然时间的可塑性极强,需要量身定制,那么我们又该如何从宇宙的层面讨论一个绝对的时间呢?我们可以自如地讨论宇宙的“年龄”,可是由于星系在快速地相互远离,速度又跟间距成正比,难道时间流逝的相对性不会让每一个宇宙计时员的候选者面临头疼的时间账目问题吗?更尖锐地说,当我们说宇宙已经“存在了140亿年”,难道我们用某个特定的时钟测量过这段时间吗?

当然测过。而且,通过认真思考宇宙的这种时间就可以直接将暴胀和百衲被多重宇宙联系起来。

任何针对时间的测量都是在测量某个特定物理系统的变化。就拿一个挂钟来说,我们测量的是指针的位置变化。拿太阳来说,我们测量太阳在天空中的位置变化。拿碳-14来说,我们测量通过放射性衰变变成的氮原子占原始样本的百分比。由于历史原因和简便起见,我们以地球的转动和运行作为参照,来定义“天”和“年”的标准。但是,当我们考虑宇宙尺度上的时间时,就要用其他更有用的计时方法。

我们已经知道,暴胀会产生大量的空间区域,这些区域的性质大体而言是均匀的。在一个泡泡宇宙中测量两个独立区域的温度、压强、物质的平均密度,结果会基本相符。虽然测量的结果会随着时间变化,但是大尺度的均匀性能够保证,平均而言这里的变化和那里的变化一样大。一个重要的情况是,在数百亿的历史中,由于空间在无情地膨胀,我们泡泡宇宙中的物质密度在稳步地减小,但由于变化发生得很均匀,我们泡泡宇宙的大尺度均匀性并没有遭到破坏。

这一点十分重要,就像有机物中的碳-14会逐渐变少,测量其中的变化就能确定地球上的时间流逝一样,测量逐渐变小的物质密度也就能确定空间中的时间流逝。又由于变化发生得很均匀,物质的密度就可以用来标记时间的流逝,从而为我们的泡泡宇宙树立一个全局性的标准。如果人人都勤奋地用物质的平均密度来对准手表(从黑洞回来以后,或者以接近光速的速度旅行过后还要再次对表),在整个宇宙中我们都能保证手表的同时性。当我们说起宇宙的年龄时—也就是我们泡泡宇宙的年龄,我们想象这个时间是在全宇宙都对准了的手表上测到的;只有在这些手表看来,宇宙的时间才是一个合理的概念。

在我们泡泡宇宙的最早时期,相同的理由也可以用在另一种细节的变化上。当时普通的物质还没有形成,所以我们不能考虑空间中物质的平均密度。换言之,暴胀场携带着我们宇宙的能量宝库—这些能量不久后就会转变成我们熟悉的粒子,所以我们可以设想,用暴胀场的能量来校准时钟。

现在,根据能量曲线,暴胀场的能量由场的取值确定。为了知道我们的泡泡中给定地点的时刻,我们就得知道那里的暴胀场的取值。于是,就像两个年轮数目相同的树的年龄也相同,就像放射性碳元素比例相同的两个冰川沉积物的年龄也相同,空间中两个地点的暴胀场取值相同,我们就说它们经过了相同长度的时间。这就是我们在泡泡宇宙中设定和校准时间的方法。

我之所以讲这么多,是因为当我们考虑暴胀多重宇宙的瑞士奶酪时,会得出一个反直觉的惊人结论。就像哈姆雷特的名言:“我即使被关在果壳之中,仍自以为无限空间之王”,从外面看,每个泡泡宇宙的空间范围都是有限的,但是从里面看,它们又都是无限大的。这是个了不起的发现。无限的空间正是我们讨论百衲被多重宇宙时用到的条件,所以我们可以把百衲被多重宇宙纳入暴胀的故事中。

外部和内部的观测者存在绝对的认知鸿沟,是因为他们对时间的定义截然不同。虽然说起来很隐晦,但我们还是会发现,在外部观测者看来是永无止境的时间,在内部观测者看来,都不过是某个时刻无限延伸的空间罢了。

泡泡宇宙的内部空间

为了理解这是怎么回事,想象特雷克希飘浮在充满暴胀场的快速膨胀的空间区域中,正在观察附近泡泡宇宙的形成过程。把暴胀测量仪对准不断变大的泡泡,她就能直接追踪暴胀场的取值变化。虽然那个区域—宇宙奶酪中的孔洞,是3维的,但是沿着1维的泡泡直径测量暴胀场更简单,于是特雷克希所记录的数据就生成了图3.8(a)。在特雷克希看来,越靠上的数据对应的时间越迟。从图表可以明显看出,特雷克希会发现泡泡宇宙(在图中表示为颜色较浅的格子,那里暴胀场的取值变小了)变得越来越大。

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【图3.8(a) 每一行都记录了外部观测者眼中某个时刻的暴胀场取值。越 靠上的数据对应的时间越迟。每一列代表空间的不同位置。泡泡宇宙是暴 胀场取值变小,暴胀停止的一个空间区域。浅色的条目记录了泡泡中的暴 胀场取值。在外部观测者看来,泡泡越变越大。】

然后我们设想诺顿也在研究同一个泡泡宇宙,不过是从内部看;他用自己的暴胀测量仪孜孜不倦地进行细致入微的天文观测。不像特雷克希,诺顿用到的时间概念跟暴胀场的取值是对准的。这是问题的关键,所以我需要你全神贯注地听我讲。想象一下,包括你在内,泡泡宇宙中所有人都戴着一只手表,显示着暴胀场的取值。当诺顿举行一场宴会时,他告诉客人等到暴胀场等于60的时候再来。因为每个人的手表都是根据相同的均匀标准设定的—暴胀场的取值,宴会进行得一帆风顺。每个人都按时出现在了宴会上,因为每个人对时间的定义都是一致的。

根据这个道理,诺顿就很容易计算出泡泡宇宙在某个时刻的大小。实际上不费吹灰之力:诺顿要做的不过是按照数字作画。把暴胀场所有取值相等的格子连起来,诺顿就描出了泡泡之中某个时刻的所有地点。这是诺顿的时间,是内部观测者的时间。

诺顿把这一切画成了图3.8(b)。把暴胀场取值相同的点连起来,形成的每一条曲线都代表某个时刻的全体空间。图上显示得很清楚,每条曲线都向两边无限延伸,这就说明在内部的居民看来,泡泡宇宙是无限大的。图3.8中的无穷多行数据反映了特雷克希体验的外部时间的无限性,而在诺顿这样的内部人员看来,这代表了每时每刻空间都是无穷无尽的。

这个发现十分了得。在第2章中我们已经知道,百衲被多重宇宙要求空间无限宽广,我们当时说这种情况可能成立,也可能不成立。现在我们知道,暴胀多重宇宙中每个泡泡,从外面看都是有限的,从里面看又都是无限大的。如果暴胀多重宇宙成立的话,那么泡泡中的居民,比如我们,不仅是暴胀多重宇宙的子民,还是百衲被多重宇宙的成员。

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【图3.8(b) 泡泡中的某个人对图3.8(a)中的信息进行了重新编排。大 小相同的暴胀场取值对应于同一时刻,所以每条曲线都包括存在于某个时 刻的全部空间点。暴胀场的取值越小,对应的时间就越迟。注意每条曲线 都可以无限延伸,所以在内部观测者看来,空间是无限的。】

当我第一次学习百衲被和暴胀多重宇宙时,其中的种种暴胀环节让我为之叹服。暴胀宇宙学解决了一系列存在已久的谜题,同时,它作出的预言跟观测十分相符。根据我们说过的原因,暴胀一旦发生就不会自动停止;泡泡宇宙一个接一个地在暴胀中产生,我们就居住在其中一个宇宙里。从另一方面来说,空间十分巨大还不够,只有拥有无限大的空间时,百衲被多重宇宙才能功德圆满(巨大的宇宙中可能有你的副本,无穷大的宇宙中肯定有你的副本),百衲被多重宇宙看来无法避免:不过宇宙也可能是有限的。但是,我们现在发现,如果从内部居民的观点来进行恰当的分析,永恒暴胀中的泡泡宇宙都是无限大的。暴胀的平行宇宙产生了百衲被的平行宇宙。现有的宇宙学最佳数据对应的最佳理论让人相信,我们可能身处一个巨大的暴胀平行宇宙系统中,系统的每个部分都是一个巨大的百衲被平行宇宙。前沿研究所得出的宇宙概念,不但是平行宇宙,而且是平行的平行宇宙。这就表明,现实不但非常广阔,而且浩瀚无边。

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16 Responses to “[隐藏的现实]之暴胀多重宇宙”

  1. 韦文就说道:

  2. AluminiumSheet说道:

    没看懂内部空间无限性的论述和表......是智商拙计了吗?

    • Sugar说道:

      我看懂了,不过也花了10多分钟。

    • Sugar说道:

      实际上TA的语言组织有点问题,说的还不够清晰。

    • laoma说道:

      我理解我们看到60的宇宙只有13格,更远的关于60宇宙的信息还没有传过来。下一个时刻,就可看到60的宇宙有15格。等更长的时间,就可以看到这个宇宙更大。

    • menger说道:

      这个其实,泡泡内外情景有些类似我们讨论本宇宙内部,黑洞内外的情况。
      黑洞内外,时空坐标互换。黑洞内空间对应的是外部的时间。
      就好像0~1的范围是有限的,但其倒数的范围是无限的。

  3. A盘说道:

    不是很懂。
    我有个问题,图的上部是无限的吗?这个很关键。如果图的上部是无限的,那么内部和外部的观察者都能看的无限的空间;如果图的上部是优先的,那么内部和外部的观察者都只能看到有限的空间。

  4. 大风说道:

    没有上一章看的明白,外部观察有限,内部无限没看懂。

  5. 救赎时刻说道:

    那其实空间还是有限的嘛,从内部观察空间无限是因为内部视角的局限性,那百纳被多重宇宙还成立吗,我怎么有点糊涂了

  6. 冯吉琥说道:

    图a横线是时间,在一开始是有限的。但是随着空间的增大,暴涨值会有所不同。故而随着时间的往后,测量到的暴涨值会有所变化。这也代表了横线的延长。越往后变化值越多,横线也延长的越多。因此说外部观测者认为时间在无限延续。
    图b是内部观察者的视角,以暴涨值作为时间的依据。每过一段时间,相同暴涨值的区域就会出现新的空间区域。因此对于内部观察者空间的延续是无限的。
    大致就这么理解吧。

  7. unou说道:

    在理解中,百纳被和泡泡不都是一个意思嘛,百纳被的模型看起来像平面的,泡泡就是立体版。
    百纳被每个宇宙都在扩张和泡泡里的每个宇宙都在膨胀,不一个意思吗?

    等等……
    百纳被的宇宙大小是不变的,每个宇宙空间是相连的,只是光还没传播到足够远,所以既没有看到别的宇宙,别的宇宙也看不见我们?
    泡泡的宇宙大小在变,在空间不是相连的,有一天会碰到其他宇宙(当然就是现在碰到了我们也还看不见)

    我好像突然明白了区别……是这样吗?

  8. David说道:

    是翻译问题。

  9. www.szmtus.com说道:

    暴胀一旦发生就不会自动停止;泡泡宇宙一个接一个地在暴胀中产生,我们就居住在其中一个宇宙里。

  10. 圓月彎刀说道:

    我们的宇宙明明是有限的,我们却自以为无限,源于身处其中的错觉,空间和时间显然是本质一致的东西,却因为我们的感官,给出了分别

  11. 将就看懂说道:

    一个哲学问题提出来啦:从外面看,都是有限的;从里面看,又都是无限的。
    又是一个数学问题!
    长知识。

  12. Jarlon说道:

    对于泡泡里面的人来说,暴涨值相同意味着同一时刻;对于泡泡外面的人来说,每一行意味着同一时刻。空间定义是一样的,同一列都意味着同一位置。这样理解对吧。