多宇宙的碰撞

多数人都不希望早晨醒来看到发黑的眼圈，但是，一些宇宙学家却觉得没有比在宇宙的“脸”上发现一个又大又圆的黑眼圈更美妙的事了。

宇宙的这张脸就是宇宙微波背景（CMB）——充满整个宇宙的热辐射。这种辐射是宇宙大爆炸后约38万年时被释放的，当时宇宙火球已充分冷却，电子能够与质子结合形成原子，使光子得以自由飞行而不再被散射。不过，天文学家也认为CMB光子发自一个表面，那是可观测宇宙的最外“边缘”。如果CMB被视作一个表面，那么它在我们看来就是时空中诸点的集合，它对应于宇宙不再是一锅超热的离子汤，并且其原始光子最后一次被散射的时刻。

CMB是彭齐亚斯和威尔逊在1964年发现的，它迅速成为大爆炸最重要的证据。但近来，宇宙学家们对那次大爆炸是否是唯一的大爆炸产生怀疑。现代宇宙学和现代物理学理论暗示，我们的宇宙可能只是无穷无尽的宇宙泡沫中的一个泡，这一图景有个奇异的名称——“多元宇宙”（multiverse）。

多元宇宙现在只是一种猜想。但是，宇宙学家认为它终将被证实。对斑痕累累的CMB表面的详细研究很可能支持这个疯狂的猜想——这不是指我们可以直接看到其它的宇宙，而是说可以找到它们撞击我们所在宇宙时留下的痕迹。

无数个小宇宙

乍看之下，多元宇宙似乎只是宇宙学家的玩具，他们对只有一个宇宙可供研究感到日益无聊。其实问题是，现代宇宙学中最流行的一种学说——暴涨，总是预言会有无限多个“袖珍宇宙”被创造出来。

暴涨是Alan Guth（现在麻省理工学院）和其他学者在20世纪80年代初提出的，它能解决大爆炸宇宙学的几个关键问题。它解释了宇宙为什么在各个方向上看起来是均匀的，为什么时空在大尺度上看上去是平直的，为什么实验者探测不到数量巨大的只有一个磁极的粒子（即所谓的磁单极子）。

通过让宇宙“打嗝”，暴涨完成了以上壮举。宇宙膨胀并不像大爆炸理论所预言的那样快，宇宙最初的膨胀较为缓慢，然后突然被人噗嗤吹了口气，就像气球般地变大了至少一亿亿亿倍。空间本身所固有的能量——称为“真空能量”，推动了这种指数式的快速暴涨，因为浓聚的真空能量施加的是巨大的排斥力。宇宙快过光速的膨胀（爱因斯坦理论的速度限制并不适用于时空本身）至少延续了10-35秒，长成一个比我们实际可观测到的至少大1000倍的宇宙，Guth如是说。暴涨结束后，宇宙才以正常的速度膨胀。

到目前为止，暴涨已经通过了各种观测检验，取得了极大的成功，其中最引人瞩目的就是预言了CMB上暖斑和冷斑的大小。但是，暴涨还没有用“漂亮整洁的蝴蝶结”将宇宙史精确地连接起来。其中一个重大难题就是：暴涨的大多数形式都是无止尽的。激发暴涨的能量应当随着空间的膨胀得到补充，给一连串无止无尽的大爆炸添加燃料。正如哥伦比亚大学的物理学家Brian Greene在他最近写的《隐匿的真相》（The Hidden Reality）一书中所解释的，多元宇宙图景中有一个单点已从暴涨狂热中苏醒，后来成为我们这个小小的宇宙泡，但多元宇宙作为整体可能仍处于“病态”，它比任何一个袖珍宇宙都膨胀得更快，就像不断隆起的瑞士奶酪。随着膨胀，这块宇宙奶酪会生长出许多新的空穴，其中一个空穴就展现为我们的可观测宇宙。

“大多数深入思考过暴涨的物理学家都会告诉别人，‘是的，暴涨通常是无止尽的，我喜欢这样’或者‘暴涨通常是无止尽的，我尽量不去想它’”，加州大学圣克鲁兹分校的Anthony Aguirre说，“如果暴涨是无止尽的，那么这些泡宇宙并不比别的东西更不可思议。”

多元宇宙的思想受到欢迎的另一个原因是弦理论。弦理论认为，宇宙中的每一个粒子都是一段细微的在10维时空中振动的能量弦。迄今为止，这个理论是为统一物理学的三个领域所进行的最复杂的尝试，这三大领域是粒子物理学、爱因斯坦的广义相对论（描述引力）与量子力学（描述微观尺度上粒子间的相互作用和力）。尽管弦理论被认为在现代科学技术中并非是到处适用的，但是建立在它的数学框架上的一些方法已为某些物理问题提供了目前最好的解释，例如理想液体（简单地说，理想液体就是没有粘性、不可压缩的液体。液态的氦4在-271℃的超低温下，会转变为超流体，表现出粘性消失、热传导率无限大等奇异的特性。目前发现的“最完美的液体”是在粒子加速器中产生的超高温夸克-胶子等离子体。——编者注）等物质的不可思议的极端行为。

这是NASA的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）详细绘制的宇宙微波背景，宇宙微波背景是当宇宙冷却到光子得以自由穿行时所释放的辐射。这幅宇宙早期的全天图像用WMAP的7年观测数据绘制和着色，不同颜色表示微小的温度涨落，它们对应于早期宇宙中物质密度的细微差异。

宇宙学家们之所以青睐弦理论，是因为它能使暗能量的数值不那么骇人听闻。“暗能量”是代表驱使宇宙膨胀加速的动力的一个专业术语，但理论物理学家的计算表明，暗能量的作用应该比观测到的大100个数量级，这是各门自然学科中理论和观测结果之间最大的分歧。

如果多元宇宙存在，弦理论就可以解决这个问题。Guth解释说，弦理论认为存在10⁵⁰⁰个不同类型的真空空间，每一个真空空间许可的粒子、力和暗能量的数量都是不同的。如果真空空间不只有一个，那么就有10⁵⁰⁰个可能解，而且每个解都是正确的，这意味着每一个解都对应于一个不同的宇宙，这些宇宙又存在于一个更大的多元宇宙中，那么暗能量的数值就根本不是不可思议的了。我们只不过居住在其中一个宇宙中，暗能量的数值就是我们测量到的数值，这个数值与我们的存在相互和谐。

这些理论论据并不能构成多元宇宙的直接证据，但是这类直接证据也许能够找到。泡宇宙诞生于一个无限大、维数更高的多元宇宙中，后者能比它其中任何一个泡宇宙更快地膨胀，但如果有足够多的泡宇宙在这一图景中诞生，那么其中有些泡宇宙可能会与我们过于接近而发生碰撞。

宇宙碰撞之时

宇宙的碰撞可能会在斑痕累累的CMB面上留下形如微小圆斑的温度撞击疤痕。这些圆斑由比周围稍暖（或稍冷）的CMB光量子组成，甚至可能比 NASA的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）所绘制的CMB图上显示的斑疤更不明显。这说明了某些问题，因为在整个天空的2.7开CMB背景上，各点之间的温度最多相差0.0002开。

为了理解宇宙碰撞为什么会在微波背景上产生暗圆斑，请想象一下多元宇宙中有一个与我们非常接近的袖珍宇宙，它猛烈地撞击我们，就像一个相扑选手猛烈撞击另一个选手那样。如此激烈的碰撞会使这两个宇宙相互吞噬，就像粘到一起的两个肥皂泡（肥皂泡不会反弹）。多数情况下，两个宇宙之间会形成一个类似肥皂泡膜般的圆形壁。纽约大学的Matthew Kleban在2009年与人合作，最早详细预言了宇宙碰撞对微波背景的影响，他说，这层膜从碰撞那刻起就在“嗡嗡作响”，这种振动产生的尾波将传入这两个宇宙。

尾波在我们的宇宙中传播，与此同时我们的宇宙也在快速膨胀，这将稀释尾波的能量。但尾波依然十分强劲，它在穿越我们的宇宙时，足以改变其所经之处的密度，很像铙钹击打时发出的声波在传向我们耳朵的途中改变空气的密度那样。当宇宙冷却到可释放光子时，尾波对早期宇宙密度的影响会在CMB上留下一个微小的温度异常圆斑。

如果我们的宇宙真的与其它泡宇宙发生过“撞车”，那么这些碰撞在我们的微波背景上留下的伤痕数量将永远不会改变，无论是现在、过去还是未来。Aguirre解释说，这主要是因为从我们的角度来看，任何一次碰撞都已经发生。它们发生在CMB形成的很久以前。从内部看来，泡宇宙的壁并不对应于空间里的一个点。相反，它对应于一个时间点——宇宙大爆炸的时刻，即时间开始的时刻。向泡宇宙深处运动（在外部看来）对应于时间的流逝（在内部看来）。

在这一图景中，宇宙的不同时代就像是一系列同心壳层。最外的壳层是宇宙大爆炸，其内则是标记暴涨结束、宇宙对光变得透明等等各时刻的壳层。一次碰撞的各种影响必须通过这些时间壳层才能到达我们这里。因此，从内部看来，永远不会有“新”的碰撞发生。天文学家绝不会指着CMB说：“哎呀，那边那个痕迹是刚刚出现的。”

同样的道理，这些碰撞没有一个能够伤害到我们。正如Aguirre所指出的，既然我们在这里了，说明我们已经逃脱了可能的灾难。

CMB“表面”有点类似我们看到的阴天。当我们往上看云时，我们只看到最后散射光的那层云的表面。类似地，WMAP探测器观测CMB时，从时间上说它是往回看，看到的是宇宙光子被自由电子散射出来的那一刻。

“多元宇宙？”

无限多宇宙的图景是很难想象的。虽然这个宇宙泡图景通常被称为“多元宇宙”，但是你得正确地理解为一个各处都不相同的单个宇宙，这是个拥有众多空间区域或“口袋”，彼此间差异巨大的宇宙。宇宙学家采用“多元宇宙”的名称是为了清楚地表示，这种图景远比我们通常谈论的宇宙更为巨大和奇异。此外，“宇宙”（universe）这个词已经被使用过，所以不得不用一个新词，即“多元宇宙”（multiverse）。

在碰撞的宇宙 从我们的角度来看，我们的宇宙与其它宇宙的所有碰撞都已经发生过了。对我们来说，我们宇宙的壁不是空间里的一个点，而是时间上的一个点——宇宙大爆炸的时刻，即时间开始的时刻。从地球走向遥远的宇宙相当于时间的回溯，好像通过一系列同心壳层。如果有另一个宇宙撞击我们的宇宙，那么碰撞产生的尾波进入我们的宇宙时必须通过这些壳层，它在到达我们这里之前将穿越我们宇宙的整个历史。

在天上寻找蛛丝马迹

宇宙学家希望在CMB上检测到这些微弱的疤痕。然而，WMAP的微波背景数据没有显现有明显的圆斑，即使著名的“WMAP冷点”（Cold Spot）也已被当作统计异常而排除。

“我们所谈的疤痕模式被各种随机涨落的斑疤所掩盖”，Kleban说，“这就像在强静电噪声下看电视。”

加拿大Perimeter理论物理研究所的Matthew Johnson补充说：“正因为数据太多，以致不能直接检验这一假设，WMAP实验大约有300万像素，为了检验这一假设，你需要试验300万像素中每一对像素之间的相关性，这样的工作量可是一个庞大的天文数字，就是现代超级计算机也做不到。”

因此，Johnson和他的同事们开始寻找“沙里淘金”的滤波器。这些滤波器是一些独特的信息处理方法，能在噪声中找出预想的信号。使用这类滤波器的风险在于，如果你不知道你要找什么，你就不能使用这类方法（换句话说，这种滤波器是专为寻找符合你理论的信号而设计的）。Johnson的小组进行了仔细的检查，在考虑理论和数据符合程度的前提下，计算收集到的可疑疤痕是宇宙碰撞的可能性有多大。如果可能性很低，那么这些疤痕就可能并不是泡宇宙碰撞所致。

去年在两种一流物理学期刊上发表的姐妹篇论文中，Johnson和他的同事们对他们第一代滤波器试验的自检工作做了描述。他们根据所作的分析类型，称它为索需滤波器（needlet filter）。在最初一轮检查中在WMAP的7年结果中发现了几处异常，但自检将泡宇宙碰撞从最可能的解释中排除了。

Johnson小组没有气馁，他们想出了一个专门寻找泡宇宙碰撞的更好算法。这个算法使用了一些所谓的“最佳滤波器”，这些滤波器常被物理学的各分支学科和信号处理工作用来探索隐匿在随机背景中的致密天体。该小组使用这种方法初步发现了16个可疑撞击疤痕（还没有进行自检），其中包括了所有原先用索需法发现的可疑疤痕。这些可疑疤痕的角半径从1.5°到90°都有。由于该小组还没有进行自检，所以Johnson等人不知道这些信号真正来自宇宙撞击而不是统计涨落的可能性有多大。

该小组在进行仔细检查前正在等待欧洲空间局“普朗克”探测器的结果。“普朗克”发射于2009年，用于测量微波背景的温度和偏振，它的角分辨率的精细程度大约是WMAP的两倍。“普朗克”所载高频仪器的致冷剂于今年1月14日已经耗尽，这之前，它已完成了5次全天的巡天测量。它的低频仪器还在继续工作，增加的数据可为天文学家用来改进校准。欧洲空间局将在2013年初公开前15个月的CMB数据，2014年将公布全部数据。

用特殊算法对CMB的初步分析发现了16处异常痕迹，可能是其它宇宙与我们的宇宙碰撞所致。宇宙学家尚不能肯定泡宇宙的碰撞是不是这些异常痕迹的最佳解释。

我们不清楚“普朗克”探测器上的仪器灵敏度是否高到能检测到宇宙学家希望看到的信号，也不清楚这些异常疤痕是否真的与碰撞有关，这些问题仍然模糊不清而留下众多疑问。Kleban说：“我认为‘普朗克’探测器能够检测到某些可以有力证明宇宙泡碰撞的证据。那时是不是每个人都相信，我不知道，这得问大家。”

其它信号也可用来确认CMB上的可疑碰撞。例如，星系流或宇宙空洞如果与这些圆斑整齐地排成一线，那也是有利于碰撞解释的强有力证据。虽然似乎已发现这类情况，但能完全确认的迄今还没有。

辛苦和迷茫

即使无止尽的暴涨、泡宇宙和多元宇宙存在的假设成立，还有一种可能，那就是泡宇宙形成得不快，不足以使泡宇宙在更大的多元宇宙暴涨驱动而彼此远离之前就相互发生碰撞。因此，激烈的泡宇宙图景可能是真实的，但我们或许永远看不到撞击疤痕。“这在很大程度是可证明的，但不一定可证伪”，Johnson谨慎地说道。假如他们永远探测不到任何东西呢？“那么我们就处于一滩浑水之中了”，他说。

Kleban说：“我认为，主要的怀疑在于我们看到一个撞击疤痕的可能性有多大。我也有那种顾虑。我绝不下大注去打赌我们将会检测到它，因为这得碰运气。”

然而，泡宇宙的碰撞为找到某种东西的第一个真正观测证据提供了可能，Aguirre说他的同事们常称之为“仅仅是一种无害的消遣，其结果很可能是一场空”。他说：“几年前，人们在谈论无止尽的暴涨和多元宇宙时，对此你很可能会不屑一顾，因为你会说‘嗯，那很有趣，但是既然无法观察到它，我们为什么还要费心去想它呢？这是炒作、想象，你的模型也许是这样预测的，但有谁在乎呢？’”但随着观测到宇宙碰撞后果的可能性开始出现，泡宇宙学正在突破“不是真正科学”的非议而逐步发展起来。假如真的找到了这种碰撞的痕迹，那将是一项颠覆性的发现。

还有一种可能，那就是宇宙学家永远找不到CMB的撞击疤痕，即便如此，他们或许会发现别的东西，虽然那些不是他们正在寻找的。不过它们有可能同样地重要：意外的发现往往和艰难的工作一样，也可以推动科学的进步。

“很可能我最终会失望，我们什么都找不到”，Kleban说，“但它始终值得去求索，因为在你去做之前，你永远不知道那里真正有什么。”

“玫瑰”四周的光环

其它宇宙的撞击还会在宇宙微波背景上留下第二种撞痕。但是这种撞痕不会显示在微波背景温度上。它将以一种独特的方式呈现出来：CMB光在空间传播时发生振动。

当宇宙碰撞产生的尾波穿越宇宙时，它会稍微影响途中所经过的宇宙物质的密度。这些密度异常点有个奇怪的现象，即成对出现。例如，到达湖面的声波从空气进入水里时要改变速度，因为声音在不同的介质里以不同的速度传播。但是并不是到达水面上的所有声音都能穿入，其中部分被反射掉了。结果是一个变成了两个，一个声波向前，一个往后。

Matthew Kleban说，如果差不多在同一时刻，空间中处处的声速都同时改变的话，在一个膨胀的宇宙中也会出现两个波。当宇宙从一个离子汤火球逐渐变稀、变冷为近乎真空时，恰恰就满足这种现象发生的条件。宇宙尾波类似声波，是一种压力波。所以，当物质在宇宙中占优之时，尾波就分裂成反射波和透射波，并留下两个而不是一个密度异常点。此后不久当有光子飞越之时，就会被这两个异常点所散射。

这种散射使CMB光子产生偏振，使其波长以一种特殊的方式在某个特定方向上发生偏移。如果温度差异区的角径为12°或更大，偏振信号将显示为两个环，一个在温度差异区的内部，另一个在其外部。如果能探测到与CMB上的温度差异圆斑相匹配的偏振信号，那就会大大增强宇宙学家的自信——他们已经真的发现了一个宇宙碰撞产生的撞痕。

这幅剖面图示意了泡宇宙碰撞产生的透射尾波和反射尾波。将这串尾波-撞痕-尾波切片向接近和远离地球的方向滑动，分别对应于CMB上的温度差异撞痕变大或变小。当这串切片向球边缘接近时，尾波之间视张角增大，但不会超过几度。

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