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（封面图片来源：由 DALL-E 生成）

前言的前言

这篇科普文章是给对现代宇宙起源理论有兴趣的读者准备的。没有数学知识的要求，也没有物理知识的要求，但是如果读者想要通过此文更多地了解好莱坞描绘的平行宇宙，会十分失望。

前言

记得上世纪 80 年代小学中学时期（年龄暴露帖 ），学到、听到的宇宙起源理论基本无一例外，就是大爆炸理论：宇宙的起点是一个奇点，体积无限小，密度无限大，温度无限高，"突然"发生爆炸和扩散，逐渐形成现在的宇宙。这个理论是如此的普及和深入人心，我甚至怀疑，3、40 年后的今天，绝大多数人还是坚信宇宙的起源就是大爆炸。不是因为我们固执，而是天文宇宙学发展太快，科普太慢。

首先申明一点，这里并不是说大爆炸没有发生。恰恰相反，大爆炸发生过的残留观测证据是如此之多，精度如此之高，（几乎）无可辩驳：宇宙微波背景辐射（CMB）[1]，观测到的宇宙膨胀[2]，大尺度宇宙结构[3]，轻元素（氢、氦）的含量和分布[4]，等等，所有证据都指向了大爆炸的存在。

但是大爆炸是不是就是宇宙（这里指我们身处的可观测宇宙）的起源，或者说最初的开始呢？从 80 年代起，一些困扰着大爆炸就是宇宙起源说法的问题，开始逐渐得到新的理论上的解释。自从 90 年代后，这些新理论的预测和推断，开始被各种天文和物理观测验证，使得我们对宇宙起源的认知进入了一个新的时代。

问题 1：视界问题（Horizon Problem）

目前可观测宇宙的半径大约是 465 亿光年，而宇宙的寿命目前最准确的估计是在 138 亿年。注意，这里所说的寿命是指从大爆炸开始。按照大爆炸起源说，最开始时候，宇宙无限小，物质和辐射密度无限高。大爆炸过程中，空间飞速膨胀。空间膨胀速度是超光速的，要不然，在 138 亿年的时间里，空间最多膨胀到 138 亿光年的半径，而不是现在的 465 亿光年。空间膨胀速度是超光速，但我们知道物质和辐射的传播速度都是小于等于光速的，那么，必然会造成在整个爆炸过程中，宇宙中会存在（非常多的）不同区域，它们之间无法进行物质或辐射的交流。通俗一点说：老死不相往来。见下图[5]。

从我们目前的观测到的数据来看，整个可观测宇宙异乎寻常的均质（homogenous）和各向同性（isotropic）[6]，简单的说，就是随便你观测哪里，那里的宇宙都和其他地方，在大尺度上比较，几乎一模一样。宇宙微波背景辐射（CMB）在任何不同方向和区域里的区别不超过十万分之一[7]。这就带来了一个很严重的问题。如果宇宙的起点是大爆炸的话，那么在爆炸之后，有很多区域是"老死不相往来"，各自管各自发展。他们是如何做到惊人的一致的呢？

我们知道宇宙微波背景辐射产生是在大爆炸之后 38 万年[8]。而当时可观测宇宙的大小，根据估算半径是在 4 千到 4 千 6 百万光年[9]。看到了没，CMB 是在 38 万年左右形成的，但是当时的可观测宇宙已经远远大于 38 万光年的半径了。也就是说，有很多很多的区域是没有任何物质和辐射交流，但是它们的 CMB 的数值惊人的相似。这怎么可能？因为即使是在爆咋最初时期，不同区域的温度非常相似，但是经过 38 万年的没有任何互相干扰的飞速发展，任何一点点微小的初始差异，都会被 38 万年的发展放大再放大，非常非常不可能呈现出现在观测到的 CMB 的均质和各向同性（小于十万分之一的区别）。下图是 2018 年欧空局的普朗克天文观测卫星拍摄的宇宙微波背景辐射的全景[10]：

这就是第一大问题：宇宙大爆炸起源说无法解释为什么微波背景辐射是如此的各向一致。科学家想破头，也没有找到合理的能够自圆其说的理论，直到膨胀理论的出现。

注：在膨胀理论出现前，也有其他理论试图解释视界问题。例如，可变光速论[11]：光速不是一成不变的，在宇宙早期，光速可能比现在快，这样就不会出现"老死不相往来"的视界问题。但是这个理论一直和实际观测结果不符，不论是早期的数据，还是现代（80、90 年代后的精确观测）数据。又如，Mixmaster 宇宙理论[12]：这里的Mixmaster 名字来自于一种常用的厨房搅拌机：

搅拌机理论比较玄妙，说的是宇宙的膨胀不一定是有简单方向性和平滑的。你可以想象把气球吹大是有简单方向性和平滑的，尽管吹大（膨胀）的速度不一定是匀速。搅拌机理论说，有可能早期宇宙的膨胀是疯狂的、（至少看上去）随机的，也就是说，早期宇宙可能一会儿膨胀快， 一会儿膨胀慢，甚至一会儿收缩一下，还有可能有些区域膨胀，有些收缩，反正一笔糊涂账，就像厨房搅拌机。尽管理论上能够讲得通（参看简介[12]里的公式和计算），搅拌机有可能使得早期宇宙的各个部分都能够"互通有无"，消除差异，达到平衡。但是这个理论实在是有点牵强附会，过于玄乎和不讲道理，和闭着眼睛说"我不要理论，这世界就是上帝创造的"差不多。而且也没有什么实际的观测数据的支撑。渐渐的，就没人理了。

在这里指出两个（还有不少其他的）非主流理论的意思是想强调一下，网上不少人觉得主流理论也不怎么样，为啥我的理论（瞎想）不可能是对的呢？其实，这些人误解了，基本上所有一般人能够想到的"奇思妙想"，在过去几十年、上百年里，无数超级智商的理论学家都想到过了，计算过了。它们被丢弃了是有原因的。

问题 2：平坦问题（Flatness Problem）

大爆炸宇宙起源说的第二个大问题，是空间平坦问题。对于三维空间的平坦与否，比较难以直观的想象。但是二维空间的平坦性质，就比较容易解释。

（A）放在桌子上的一张纸，是平坦的二维空间，三条直线相交组成的三角形的内角和等于 180 度。另一种表述：在平坦的二维空间里，存在且仅存在一条经过某一直线 A 以外一点、且和该直线 A 平行的直线。

（B） 贴敷在球面（当然也可以是其他球面，不一定是标准球面）上的一张纸，是曲率为正的二维空间，三条直线[13]相交组成的三角形的内角和大于 180 度。另一种表述：在曲率为正的二维空间里，不存在一条经过某一直线 A 以外一点、且和该直线 A 平行的直线。

（C） 贴敷在马鞍面上的一张纸，是曲率为负的二维空间，三条直线[13]相交组成的三角形的内角和小于 180 度。另一种表述：在曲率为负的二维空间里，存在无数条经过某一直线 A 以外一点、且和该直线 A 平行的直线。

经过二十世纪初期和中期理论物理和宇宙物理的发展，包括爱因斯坦的广义相对论[14]，哈勃、勒梅特的空间膨胀理论[15]，基于弗里德曼－勒梅特－罗伯逊－沃尔克度规[16]的 ΛCDM 标准宇宙模型[17]，我们认识到，宇宙空间的平坦与否，取决于能量密度。

如果能量密度 ρ 大于某一特定数值（我们通常称这个特定数值为：临界能量密度 ρ_crit），换句话说，ρ/ρ_crit > 1，那么这个宇宙空间就是曲率为正的三维空间。一种不太正确但是比较容易上手的理解是，如果我们的宇宙里的物质和能量太多了，就把空间给"吸"进去，造成类似于曲率为正的三维球体空间。(强调一下，这个理解是给大家科普用的，并不是完全正确的。)

我们把 ρ/ρ_crit 的比值称作密度参数（Density Parameter） Ω 。

如果能量密度 ρ 小于 ρ_crit，换句话说，Ω < 1，那么这个宇宙空间就是曲率为负的三维空间。科普的理解是，空间自身有向外"膨胀"的倾向，如果能量太少，"吸力"不能完全抵抗住"喷发"的力量，空间曲率就会变负，加速膨胀出去。

如果能量密度 ρ 等于 ρ_crit，或 Ω = 1，我们的宇宙就是平坦的。有一点要说明，并不是说平坦的宇宙不膨胀，或者平坦的宇宙不会加速膨胀，而是说宇宙空间的曲率是平坦的。

好了，铺垫了半天，现在来说说宇宙大爆炸起源的平坦问题。

根据最新的 2018 年的 NASA 和欧空局（ESA）合作的普朗克太空任务[18]的结果来看：

Ω = Ω_Λ+Ω_m = ( 0.679 ± 0.013 ) + ( 0.321 ± 0.013 ) = 1 ± 0.013 [19]。

（其中 Ω_Λ 是暗能量的密度参数， Ω_m 是物质（包含普通物质和暗物质）的密度参数。）

也就是说，我们观测的宇宙，在 CMB 生成时期，是异常的平坦。

问题来了，根据 ΛCDM 标准宇宙模型[17]，假设宇宙初始奇点温度是

T_0 = 10^17 GeV ≈ 1.16×10^30 K

（1 GeV，千兆电子伏，大约相当于 10 万亿度左右），要使我们的宇宙不因为空间曲率为正而坍塌，或曲率为负而崩溃，而是平平安安的度过 138 亿年的时间，而且在可预见的将来继续度过更长的时间，空间曲率基本平坦，经过计算，奇点的初始参数 T_0 （初始哈勃常数）必须精确到小数点后面第 55 位（ 10^−55）[20]！！这是无法想象的巧合。即使我们改变初始奇点温度为

T_0=1 MeV ≈ 1.16×10^10 K

（才一百亿度左右，对于宇宙初始的奇点温度来说，这是难以想象的"低"温），初始哈勃常数仍然必须精确到小数点后面第 15 位！

这就是第二大问题：宇宙大爆炸起源说无法解释为何现今宇宙空间是如此平坦。

其他问题

宇宙大爆炸起源理论还有其他问题，如磁单极消失问题[21]，物质和反物质不对称问题[22]，等等。就不再一一列数了。

宇宙大膨胀理论（Cosmic Inflation）

问题介绍完了，解决的理论来了。宇宙大膨胀理论是艾伦·古斯（Alan Guth）在 1970 年代提出和完善，发表于 1981 的论文《Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems》（《膨胀的宇宙：视界问题和平坦问题的一个可行的解释》）[23]成为这一理论学派的奠基石。其中最重要的一段[24]：

他的主要提议都在这短短的几段话里：宇宙大爆炸起源理论的最本质问题是它是一个 "adiabaticity"（绝热过程）。因为绝热，或者说是一个热力学封闭的系统，使得：

• 第一，要达到热平衡（宇宙微波背景辐射的各向同性）就必须有热交换，而这就绕不开视界问题；

• 第二，要达到能量密度参数（ Ω ）为 1，在封闭的系统里，初始值必须异常精确（其实用"异常"远不足以形容 10^−55 [20]！！），这就是平坦问题的根源。

古斯的提议是，如果这个过程是非绝热过程（non-adiabatic），而是有"外界"能量输入，那视界问题和平坦问题都可以有合理的解释。因为科普的原因，不过多过深入研究他的数学计算，而是从宏观理解上来看，宇宙初始经历一个超级膨胀，而这个膨胀不是一个绝热过程，熵不守恒。他提出，空间本身自有的能量[25]，会随着空间膨胀而增加！空间本身是均质的，所以造成了膨胀后的空间自身蕴含的能量是均衡的。

视界问题的解决：等到膨胀结束，空间自身蕴含的能量释放出来，均匀地加热宇宙的每一个角落。这就很好的解释了视界问题：因为不需要奇点物质、辐射在大爆炸过程中的"老死不相往来"的区域之间进行交流，而是这些物质和辐射诞生于膨胀后的均质空间本身，所以它们也是均质和各向同性的。

平坦问题的解决：一只蚂蚁站在乒乓球的表面，它能够感知测量到乒乓球的曲率；这只蚂蚁站在篮球表面，曲率感知就困难了，因为球体积相对于蚂蚁来说变大了；如果蚂蚁站在地球表面，那对于这只蚂蚁说，它所能够看到测量到的区域，可以认为就是平坦的。换句话说，如果我们可观测宇宙只是超级膨胀后的宇宙的极小一部分，那对于我们来说，可观测宇宙就是平坦的。下图[26]里你可以看到，一开始表面曲率十分明显（图 A），但是随着空间的膨胀，到了图 D，表面曲率就近似于平坦了。

自从古斯的论文发表后的近 40 年，宇宙膨胀学说一直在进步和完善，但是基本的原理和假设始终不变。在现代宇宙学里，我们比较确定的事实是，大爆炸发生在大膨胀结束之时（见下图[27]）：大膨胀结束后，空间蕴含的能量被释放出来，飞速加热整个宇宙，我们称它为，大爆炸。

永恒膨胀和平行宇宙（Eternal Inflation，Multiverse）

大膨胀很好的解决了视界问题和平坦问题（和其他一些大爆炸起源说的问题）。那么大膨胀到底持续了多久？现代膨胀研究的共识是：如果要解决平坦问题，膨胀至少需要把宇宙扩大 e^60 ≈ 10^26 倍（在三维中的每一维度上）[28]。换一种说法，大膨胀不是瞬时的，需要一段时间，所以，大膨胀时间是有下限的（10^−32 秒[29]）。但是上限呢？目前最受大家认可的理论是，大膨胀很有可能没有上限[30]，换句话说，是永恒的。怎么理解永恒的膨胀呢？

古斯的膨胀理论里提到了空间本身蕴含的能量，他称它伪真空状态（false vacuum state），正是这伪真空状态产生了负压力（negative pressure），造成了空间的膨胀。1986 年 A.D. Linde 在他的论文[30]里作了进一步阐述，这种状态其实是一种量子场。而量子场，我们知道，是由概率描述的波函数。我们可以想象一下，这个波函数的变化：

图[31]中膨胀量子场的的伪真空状态由 ∗ 表示，因为膨胀需要一定时间，所以这个场势能的顶端是比较平缓的，这样 ∗ 可以缓缓"滚动"。如果它一旦"滚"入谷底，膨胀结束，势能完全释放，大爆炸发生。但是这个"滚动"不是经典意义上的滚动，而是由概率支配的量子波动，所以，并不是 ∗ 一定往下滚，而是可以四面八方按照一定概率分布的滚动。在滚动的时候，空间时时刻刻在膨胀，也就是说，空间不断在变多，而其中的一小部分，因为量子态滚落到谷底而坍塌为大爆炸，一个宇宙诞生。见下图[32]：

每一时刻，空间都在膨胀，空间的膨胀是指数级扩大。而每一时刻，由概率决定，空间里的一小部分膨胀势能滑落谷底，坍塌，大爆炸，宇宙在那里生成（图中用 X 表示）。可以看到，尽管时时刻刻都有新的宇宙生成，但是宇宙生成的速度远远赶不上空间膨胀的速度，导致整个空间膨胀是永恒的。而生成宇宙的数目也是无限的。看， 这就是平行宇宙！

但是这种平行宇宙和好莱坞描绘的不太一样：

第一，所有生成的平行宇宙，几乎不可能有任何交集，因为宇宙之间的空间膨胀是指数级的，所以注定了任意两个宇宙之间几乎肯定在视界之外，无法联系，没有因果。

第二，因为膨胀势能滑落坍塌不同，所有生成的平行宇宙里的物理法则几乎肯定都是不同的，光速不同，对称法则不同，热力学定理不同，完完全全的不同，以至于根本无法想象其他宇宙里的情景。

是不是和你想象中的在另一个平行宇宙中买彩票中大奖，不太一样啊？^_^

参考

1. ^ 宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background, or CMB），是 1948 年 George Gamow 和他的博士生 Ralph Alpher 根据大爆炸起源理论做出的理论预测。1964 年首次由 Arno Penzias 和 Robert Wilson 发现。 https://arxiv.org/abs/1411.0172

2. ^ 哈勃，勒梅特 1920 年代的宇宙膨胀的观测和理论 https://arxiv.org/pdf/1503.08304.pdf

3. ^ 大尺度宇宙结构的起源 https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0604561.pdf

4. ^ 大爆炸核合成生成大量轻质元素 https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/2205.03985v1

5. ^ 宇宙中无法也没有过任何交流的区域的光锥示意图。 https://qr.ae/pKUPjr

6. ^ 注：均质（homogenous）和各向同性（isotropic）不完全是同义词。均质指的是一个物体的每个部分都是相同性质的，例如，一块极其纯净无杂质的磁铁，其每个部分都是相同的元素，性质相同。而各向同性是指，对于一个物体，在每个方向上的性质都是一样的。上面例子里的磁铁，在不同方向和角度上，它产生的磁场是不同的。所以磁铁尽管是均质的，但不是各向同性。

7. ^ 欧空局的普朗克卫星详细观测宇宙微波背景辐射。 https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Planck/Planck_and_the_cosmic_microwave_background

8. ^ 宇宙微波背景辐射的形成时间。 https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Planck/Planck_and_the_cosmic_microwave_background

9. ^" Modern Cosmology" by Scott Dodelson, Chapter "1.4 THE COSMIC MICROWAVE BACKGROUND": 宇宙微波背景辐射（CMB）里的光子的红移在 1100 左右，也就是说可观测宇宙从 CMB 的形成到现今，大约膨胀了 1100 倍。用现在可观测宇宙的半径 465 亿光年来估算，当时宇宙的半径在 4 千到 4 千 6 百万光年左右。

10. ^ 2018 年欧空局的普朗克天文观测卫星拍摄的宇宙微波背景辐射的全景。 https://plancksatellite.org.uk/science/cmb/

11. ^ 可变光速理论。 https://en.wikipedia.org/wiki/Variable_speed_of_light

12. ^ab Mixmaster 宇宙理论。 https://en.wikipedia.org/wiki/Mixmaster_universe

13. ^ab 在非欧几里得平面或空间几何里，一般我们不用"直线"这个说法，而是测地线（geodesic）。

14. ^ 广义相对论。 https://baike.baidu.com/item/%E5%B9%BF%E4%B9%89%E7%9B%B8%E5%AF%B9%E8%AE%BA/472897

15. ^ 哈勃、勒梅特膨胀宇宙模型。 https://baike.baidu.com/item/%E8%86%A8%E8%83%80%E5%AE%87%E5%AE%99%E6%A8%A1%E5%9E%8B/949609

16. ^ 弗里德曼－勒梅特－罗伯逊－沃尔克度规。 https://baike.baidu.com/item/%E5%BC%97%E9%87%8C%E5%BE%B7%E6%9B%BC-%E5%8B%92%E6%A2%85%E7%89%B9-%E7%BD%97%E4%BC%AF%E9%80%8A-%E6%B2%83%E5%B0%94%E5%85%8B%E5%BA%A6%E8%A7%84/0

17. ^ab ΛCDM 标准宇宙模型。 https://zhuanlan.zhihu.com/p/598504061

18. ^ 普朗克太空微波背景辐射观测任务。 https://www.esa.int/Enabling_Support/Operations/Planck

19. ^ "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters“, Page 16, Table 2。 https://arxiv.org/pdf/1807.06209.pdf

20. ^ab Alan Guth, Physical Review, Vol 23, #2, 1981, p349, eq (2.16) https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.23.347

21. ^ 磁单极消失问题。 https://phys.org/news/2016-08-mysterious-magnetic-monopole.html

22. ^ 物质和反物质不对称问题。 https://home.cern/science/physics/matter-antimatter-asymmetry-problem

23. ^ Alan Guth, Physical Review, Vol 23, #2, 1981 https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.23.347

24. ^ Alan Guth, Physical Review, Vol 23, #2, 1981, p349, III. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.23.347

25. ^ 根据 Alan Guth，这空间的能量不同于暗能量。暗能量密度要远远低于膨胀时期的空间能量密度，相差 25 个数量级。

26. ^ 空间膨胀造成局部空间的平坦。 https://bigthink.com/starts-with-a-bang/physicists-multiverse-exists/

27. ^ NASA 宇宙演变示意图。 https://map.gsfc.nasa.gov/media/060915/index.html

28. ^ Pascal Kreling, "The duration of cosmological inflation", pg 22。 https://www2.physik.uni-bielefeld.de/fileadmin/user_upload/theory_e6/Master_Theses/MA_PKreling.pdf

29. ^ 大膨胀的持续时间的下限。 https://en.wikipedia.org/wiki/Inflation_(cosmology)

30. ^ab A.D. Linde, 1986, "Eternally Existing Self-Reproducing Chaotic Inflationary Universe", Physics Letters B. 175 (4): 395–400。 https://web.stanford.edu/~alinde/Eternal86.pdf

31. ^ Charles H. Lineweaver, 2003, "Inflation and the Cosmic Microwave Background"。 https://arxiv.org/abs/astro-ph/0305179

32. ^ https://bigthink.com/starts-with-a-bang/physicists-multiverse-exists/