我们的宇宙产生一个类似地球的世界的可能性有多大?
在宇宙的任何地方，我们都能看到许多相似的物体，但每一个都是独一无二的。在我们所知道的所有星系、恒星和行星中，没有两个是完全相同的，而是每一个都有自己独特的历史、性质和组成。然而，这是一个令人信服的想法，如果给定足够的宇宙来工作，最终宇宙中的粒子会以这样一种方式组织自己，即相同的可能性——无论多么不可能——会发生多次不同的时间。也许，考虑到无限宇宙的概念，我们能想象到的每一个系统，包括地球，都可能有无限多的副本，我们每个人都生活在其中。
正是这个想法，在某个地方，可能有无数个我们每个人的副本，才产生了我们现代的多元宇宙概念。也许存在着不同版本的我们，一个微小的决定、结果，甚至一次量子测量，都会导致截然不同的结果。虽然许多人嘲笑多元宇宙是一个根本不科学的想法——毕竟，没有办法看到、测试或获取宇宙中任何部分的信息，超出了我们有限的可观测宇宙——但事实是，多元宇宙的存在根植于科学本身。事实上，如果只有两件事是正确的:
在大爆炸之前并奠定了大爆炸的宇宙膨胀，正如我们所认为的那样发生了，暴胀和宇宙中的所有其他领域一样，本质上是一个量子领域，遵循其他量子理论所遵循的所有量子规则，
那么作为这些想法的必然结果，多元宇宙就出现了。这就是为什么物理学家们(尽管有少数人反对)压倒性地声称多元宇宙必须存在的原因。
Credit: NASA/WMAP Science Team
故事从宇宙膨胀的发现开始。早在20世纪20年代，大量的证据表明，不仅天空中大量的螺旋星系和椭圆星系实际上是整个星系，而且这样一个星系越远，它发出的光就越有系统地向更长的波长转移。虽然最初提出了各种各样的解释，但它们都被更丰富的证据所抛弃，直到只剩下一个:宇宙本身正在经历宇宙膨胀，就像一块发酵的葡萄干面包，其中像星系(如葡萄干)这样的束缚物体被嵌入一个膨胀的宇宙(如面团)。
如果今天的宇宙在膨胀，其中的辐射向波长更长、能量更低的方向移动，那么这就意味着过去的宇宙一定更小、更密集、更均匀、更热。只要任何数量的物质和辐射都是这个不断膨胀的宇宙的一部分，大爆炸的想法就会产生三个明确而通用的预测:
一个大规模的宇宙网络，其中的星系会随着时间的推移而不断增长、进化和聚集;
一种低能背景黑体辐射，是中性原子在炎热的早期宇宙中首次形成时遗留下来的;
最轻的元素——氢、氦、锂和它们的各种同位素——甚至存在于尚未形成恒星的地区，也有一套特定的比例。
Credit: NASA/WMAP Science Team
这三个预言都得到了观测的证实，这就是为什么大爆炸理论作为我们宇宙起源的主要理论占据了至高无上的地位，而其他所有的竞争理论都被淘汰了。然而，大爆炸理论只描述了我们的宇宙在早期阶段的样子;它并不能解释为什么宇宙具有我们所观察到的特定属性。在物理学中，如果你知道系统的初始条件和它遵循的规则是什么，你就可以极其准确地预测——在你的计算能力和系统固有的不确定性的限制下——它将如何任意地进化到未来。
因此，我们可以问一个重要的问题:大爆炸在开始时需要什么样的初始条件才能给我们现在观察到的宇宙?答案有点令人惊讶，但我们发现:
必须有一个显著(至少约1000倍)低于普朗克尺度的最高温度，而普朗克尺度是已知物理定律失效的地方;
宇宙诞生之初，在所有尺度上的密度涨落幅度都大致相同(在小宇宙尺度上的涨落幅度比大宇宙尺度上的涨落幅度要小几个百分点);
膨胀率和总物质和能量密度必须几乎完美地平衡:在大爆炸开始的那一刻，至少达到30个有效数字，同样的初始条件——同样的温度、密度和波动谱——必须存在于所有地点，甚至在两个地点之间，在这两个地点之间，光速的信号不可能在大爆炸后经过的时间里穿过它们之间的距离;
宇宙的总熵肯定比今天低得多，低了几万亿倍。
Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy
每当我们遇到初始条件的问题——基本上，为什么我们的系统以它必然开始的方式开始——我们只有两种选择。我们可以诉诸于不可知，说事情之所以是这样，是因为这是唯一可能的方式(例如，Lady Gaga的解释，说它只是“生来如此”)，我们无法进一步了解任何事情。然而，我们也可以尝试一种科学的方法:我们可以尝试找到一种机制来建立和创造我们知道我们需要的条件。第二种途径是物理学家所说的“诉诸动力学”，我们设计的机制必须做三件重要的事情。
它必须复制它试图取代的模型——在这个例子中是热大爆炸——产生的每一个成功。这些早期的基石都必须产生于我们提出的任何机制。
它必须解释大爆炸无法解释的关键观测事实:宇宙起源的初始条件。这些问题，那些在大爆炸理论中无法解释的问题，必须用任何新出现的想法来解释。
它必须做出不同于原始(大爆炸)理论预测的新预测，这些预测必须以某种方式导致一个可观察、可测试和/或可测量的结果。
我们唯一满足这三个标准的理论是宇宙暴胀理论，它在这三个方面都取得了前所未有的成功。
Credit: E. Siegel (L); Ned Wright’s Cosmology Tutorial (R)
暴胀理论的基本观点是，在宇宙炎热、稠密、到处都是物质和辐射之前，它处于一种状态，由空间本身固有的大量能量主导:某种场或真空能量。只不过，与今天的暗能量不同，它的能量密度非常小(相当于每立方米空间中大约有一个质子)，暴胀时期的能量密度是巨大的:大约是今天暗能量密度的1025倍。根据爱因斯坦的广义相对论，决定膨胀率的是能量密度，这意味着在暴胀期间，膨胀率不仅大得令人难以置信，而且是无情的:随着空间继续膨胀，膨胀率仍然是巨大的。
这与我们今天所熟悉的宇宙的行为截然不同。在一个充满物质和辐射的膨胀宇宙中，体积增加而粒子数量保持不变，因此密度下降。由于能量密度与膨胀率有关，宇宙的膨胀率会随着时间的推移而减慢。
但如果能量密度的形式是空间本身固有的，那么能量密度就会随时间保持不变，膨胀率也会保持不变。结果就是我们所说的指数膨胀，在很短的一段时间后，宇宙的大小翻倍，在这段时间之后，它又翻倍，以此类推。在极短的时间内——几分之一秒——一个最初比最小的亚原子粒子还小的区域可以被拉伸到比今天整个可见宇宙还大。
Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy
在暴胀期间，宇宙——不管它在暴胀开始时具有什么性质——被拉伸到巨大的尺度。这在这个过程中完成了大量的事情，其中包括:
拉伸可观测宇宙，不管它的初始曲率是多少，使其与平坦无异;
取开始膨胀的区域存在的任何初始条件，并将它们拉伸，使它们现在在整个可见宇宙中是均匀的;
取暴胀之前该区域内存在的任何量子，并迅速使它们彼此远离，达到任意低密度;
产生微小的量子涨落，并将它们在整个宇宙中拉伸，因此它们在所有距离尺度上几乎都是相同的，但在更小的尺度上(当暴胀即将结束时);
将所有的“暴胀”场能量转化为物质和辐射，但只允许物质和辐射达到远低于普朗克尺度(但与暴胀能量尺度相当)的最高温度;
创造了一个密度和温度波动的光谱存在于比宇宙视界更大的尺度上，并且到处都是绝热的(恒定熵)而不是等温的(恒定温度)。
这最终满足了我们考虑用新理论取代旧理论所需要的所有三个条件。暴胀再现了非暴胀热大爆炸的成功，提供了一种解释大爆炸初始条件的机制，并做出了一系列不同于非暴胀开始的新预测。从20世纪90年*开代**始直到今天，暴胀情景的预测与观测结果一致，与非暴胀的热大爆炸不同。
Credit: E. Siegel
根据我们今天观察到的宇宙所拥有的属性，为了重现我们所看到的，过去必须发生最低限度的膨胀。这进一步表明，为了成功，暴涨必须满足某些条件:这些条件产生了我们刚刚提到的预测和事后预测。也许最简单，最容易理解的膨胀模型就是把它看成一座小山，只要你在山顶上，你就会膨胀，但一旦你滚到下面的山谷，膨胀就会结束并将能量转化为物质和辐射。
如果你这样做了，你会发现你的山丘有一定的形状，或者物理学家所说的“潜力”，在这些方面取得成功，而其他人则根本没有。获得所需的膨胀量的关键与山顶有关:它需要在足够大的区域内保持足够平坦的形状。简单地说，如果你把膨胀场想象成山顶上的一个球，在膨胀持续的大部分时间里，它需要缓慢滚动，只有在它进入山谷时才会加快速度并迅速滚动，这是导致膨胀结束的原因。作为科学家，我们已经量化了膨胀需要滚动的速度有多慢，这使我们能够了解这种潜力所需的形状。只要顶部足够平坦，暴胀就可以作为宇宙起源的可行解决方案。
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那么，多元宇宙的概念在哪里发挥作用呢?这与我们不能太认真对待球和山类比的一个方面有关:事实上，这是一个纯粹的经典观点。宇宙，至少在我们的理解中，不是纯粹的经典，而是本质上的量子。这意味着，就其本质而言，暴胀，就像我们所知道的所有场一样，也应该是一个量子场。场的量子性质告诉我们，它的许多性质不能精确地确定，而是具有概率分布。而且，就像所有依赖时间的量子系统一样，经过的时间越长，概率分布就会扩散得越大。
换句话说，通货膨胀不是把一个尖球滚下山。相反，真正从山上滚下来的是一个量子概率波函数，它可以取各种允许的值。
但当球沿着山坡滚动时，宇宙正在经历宇宙膨胀，这意味着它在所有三个维度上都呈指数级膨胀。如果我们取一个1 × 1 × 1的立方体，称其为“我们的宇宙”，那么我们可以看到这个立方体在暴胀期间膨胀。如果这个立方体的大小翻倍需要很短的时间，那么它就变成了一个2 × 2 × 2的立方体，这需要8个原来的立方体来填充。让同样的时间过去，它变成了一个4 × 4 × 4的立方体，需要64个原始立方体来填充。让这个时间再过一遍，它是一个8 × 8 × 8的立方体，体积是512。在大约100次“翻倍”之后，我们将得到一个拥有大约1090个原始立方体的宇宙，或者一个体积膨胀了约1090倍的宇宙。
Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy
这就是问题所在。如果暴胀是一个量子场，而量子场随着时间的推移而扩散，那么当山顶上的“量子球”沿着山的平坦部分缓慢滚动时会发生什么呢?
答案是，波函数中向山谷端传播的部分更有可能滚入山谷本身。在这些区域，暴胀很可能很快结束，在那里，场能量将被转换成物质和辐射，我们所知道的热大爆炸将随之而来。这个区域在边界上的形状可能是不规则的，但某些区域似乎描述了我们可以看到和进入的可观测宇宙的一部分。只要发生了足够的暴胀，重现了我们在宇宙中看到的观测成功，这似乎就是对我们自己的宇宙历史的一个很好的描述。
但是波函数中靠近山顶的部分又如何呢?那里的通货膨胀持续的时间更长，我们可以认为这些地区在通货膨胀迅速结束的地区之外。这意味着什么，就这些地区而言:
暴涨结束，大爆炸随之而来;
与那些通胀持续，有增无减，甚至在其他地方结束的国家相比?
Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy
当你计算出在热大爆炸发生之前获得足够膨胀的数学公式时，这就是科学告诉我们多元宇宙几乎不可避免的地方。我们必须要求宇宙经历足够的膨胀，这样我们的宇宙才能以我们观察到的属性存在。我们还知道，在通胀结束的地区之外，通胀肯定持续了更长时间。
现在我们要问一个大问题，“这些区域的相对大小是多少?”如果我们比较以下地区:
通货膨胀在某一时刻结束;
对于那些在这段时间之后通货膨胀还没有结束的地区;
我们发现后一个区域，在膨胀继续的地方，与膨胀结束的地方和随之而来的热大爆炸的地方相比，是指数级的大(并且仍在随着时间增长)。此外，随着时间的推移，这种规模差距还在继续恶化。即使有无限多个区域暴涨结束，也会有更多无限多个区域暴涨持续。此外，宇宙结束的各个区域——热大爆炸发生的地方——都将因因果关系而断开，被更多的膨胀空间区域进一步隔开。
简单地说，如果每次热大爆炸都发生在一个“泡沫”宇宙中，那么这些泡沫就永远不会碰撞。随着时间的推移，我们最终得到的是越来越多的不相连的气泡，它们被一个永远膨胀的空间隔开。
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这就是多元宇宙，也是为什么科学家们接受它作为默认存在的原因。我们有压倒性的证据证明大爆炸是热的，而且大爆炸开始于一系列没有事实解释的条件。如果我们为它加上一个解释——宇宙膨胀——那么，形成并导致大爆炸的膨胀时空就会做出自己的一套新颖的预测。这些预测中的许多都是通过观察得到证实的，但其他不可观察到的预测也仍然作为通货膨胀的结果出现。
其中之一是存在无数个宇宙，这些宇宙是由互不相连的区域组成的，每个区域都有自己的热大爆炸，当你把它们加在一起时，它们构成了我们所知道的多元宇宙。这并不一定意味着不同的宇宙有不同的规则、定律或基本常数，或者你能想象到的所有可能的量子结果都发生在多元宇宙的其他地方。它甚至不一定意味着多元宇宙在物理上是真实的，因为这是一个我们无法验证、验证或证伪的预测。但如果:
通货膨胀理论是一个很好的理论，数据也证明了这一点;
我们的宇宙本质上是量子的，所有的证据都表明它是量子的;
那么多元宇宙就不可避免了。你可能不喜欢它，你可能真的不喜欢一些物理学家滥用这个想法，但直到一个更好的、可行的替代暴涨出现——直到这个替代暴涨已经清除了同样的三个理论障碍——多元宇宙就会一直存在下去。