太空是什么形状的？

系列介绍：
The Big Idea引导读者带着问题意识对21世纪人类面对的重大议题展开独立思考。
The Big Idea系列主要面向一二线城市的潮流青年。希望启发他们用提问的方式主动接近21世纪关键的议题，在独立思考问题的过程中搜集必要的新知与讯息，在解答问题的同时建立新的认知体系。

本册介绍：
在天文学蓬勃发展的今天，《太空是什么形状的？》一书从一个简单的问题入手，梳理了过去几个世纪人类对宇宙的认识，对当下前沿研究进行了科普，并展望了宇宙的未来。这是一本浅显易懂又引人深思的天文学科普小书，非常适合对宇宙和未来充满好奇的青少年。

贾尔斯·斯帕罗（Giles Sparrow）;斯派洛科普作家，擅长天文学、空间技术和物理学等题材。毕业于伦敦大学学院天文学专业与帝国理工学院科学传播专业。著有《行星》《火星》等畅销书。作为《太空周刊》和《夜空》等杂志的定期撰稿人，他的工作性质使他经常与致力于解决宇宙深层奥秘的宇宙学家打交道。

导言
1. 映射空间
2. 正在膨胀的宇宙
3. 欧米伽系数
4. 多元宇宙的形状
结语
延伸阅读
索引

系列介绍：
The Big Idea引导读者带着问题意识对21世纪人类面对的重大议题展开独立思考。
The Big Idea系列主要面向一二线城市的潮流青年。希望启发他们用提问的方式主动接近21世纪关键的议题，在独立思考问题的过程中搜集必要的新知与讯息，在解答问题的同时建立新的认知体系。

本册介绍：
在天文学蓬勃发展的今天，《太空是什么形状的？》一书从一个简单的问题入手，梳理了过去几个世纪人类对宇宙的认识，对当下前沿研究进行了科普，并展望了宇宙的未来。这是一本浅显易懂又引人深思的天文学科普小书，非常适合对宇宙和未来充满好奇的青少年。

贾尔斯·斯帕罗（Giles Sparrow）;斯派洛科普作家，擅长天文学、空间技术和物理学等题材。毕业于伦敦大学学院天文学专业与帝国理工学院科学传播专业。著有《行星》《火星》等畅销书。作为《太空周刊》和《夜空》等杂志的定期撰稿人，他的工作性质使他经常与致力于解决宇宙深层奥秘的宇宙学家打交道。

物理学家通常将集合多个独立“宇宙”（无论你想怎样定义它们）的复杂结构称为“多元宇宙”。这个术语早是由美国哲学家威廉•詹姆斯（William James, 1842—1910） 在1895 年创造的（尽管他相当粗略地谈论的是超越世俗的感知概念）。同时，个提出多元宇宙可能是物理现实的人是奥地利著名物理学家埃尔温•薛定谔。他在1952 年的一次有影响力的演讲中提出了这个想法。

以上所描述的无穷无尽的时空，和数量上无限的可观测宇宙，是我们能想象的简单的多元宇宙类型。关于它的性质，我们能推断出什么？与我们所处宇宙质料相同并源自我们假定各处状态均等的大爆炸，它们实际只是“更多的时空”。如果我们能通过魔术门进入多元宇宙的另一部分，我们可以合理地期望它们的基本情况与我们的十分相似：空间仍是三维的，时间是一维的，以常见方式运算的物理常数也不变。

当然，可能会有一些有趣的变化。例如，尽管我们不能确定，但是多元宇宙的某些部分可能被反物质所主宰。

物质和反物质理论上是在大爆炸期间产生的，两者的数量相同。物质在当今宇宙中的主导地位仍然是个谜。有人怀疑这与某些亚原子粒子的相互作用从根本上打破了“对称性”有关。这可能意味着整个多元宇宙都偏向由物质占主导的方向，但我们还不能完全确定。

对于多元宇宙来说，“更多的相同”乍一看似乎有点乏味，但我们必须记住，我们谈论的是无限多的相同。在基本物理参数范围内，无限多种可能的场景可能会出现在不同的可观测宇宙（U.）中。可能会有另一个星球或多或少和我们的一样，在那里有另一个你和另一个我—只不过在那里我是左撇子，你乘飞艇去工作，我们都是恐龙的后代。事实上，如果多元宇宙真的是无限的，那么几乎必然有那样一个世界，以及所有其他可以想象的和物理上可能出现的结果。

然而，这种时空延展的多元宇宙只是多元宇宙的一种类型—在有影响力的宇宙学家马克斯•泰格马克所归类的四种宇宙中，这种扩展是级也是直观的层次。在泰格马克的“数学宇宙（U.）”假说中，每种多元宇宙都可以嵌套在一个更高级、更深奥的层次上。所以，以上讨论中相当直观的无限时空的“一级”多元宇宙，只是“二级”多元宇宙中众多（可能
有无限多）这样的结构之一。依此类推……

但是这些更高的层级到底是什么呢？层级越高，它们越难以理解，所以我们将从第二级开始讨论。

从本质上说，二级多元宇宙是一个不断产生“气泡”的物体，这些气泡本身就是一级多元宇宙，并且可能显示出彼此显著不同的特征。虽然一级多元宇宙的所有部分有相同的基本物理性质，但二级多元宇宙中分开的气泡可能显示出截然不同的物理常数—甚至是不同维度数下的不同时空排列。

二级多元宇宙论点的证据来自宇宙（U.）早期历史中发生的一个重要事件。它仅发生在大爆炸后的10-35 秒。这一事件被称为暴胀，它见证了初期宇宙（U.）的一小部分突然剧烈膨胀，从一个小原子的大小膨胀到像银河系一样的星系大小，然后在大约大爆炸后10-23 秒结束膨胀。

从20 世纪70 年代末开始，包括美国的阿兰•古斯和俄罗斯的安德烈•林德在内的宇宙学家将暴胀理论与大爆炸理论结合起来，以解决原始理论的预测和我们观测到的周围宇宙（U.）中实际情况之间的许多差异。

重要的是，它解释了宇宙（U.）中大规模结构的存在，以及我们在这里的事实。我们已经看到，甚至在宇宙微波背景辐射（CMBR）形成之前，这些结构就已经通过引力对暗物质的影响开始合并，但是如果大爆炸符合艾萨克•牛顿的宇宙学原理（见第3 章），它应该已经产生了平滑的物质分布。

那么初少量的质量集中体是源自哪里呢？质量集中体的引力经过增强，并开始先将暗物质，后将明物质吸引到纤维状结构和空洞的宇宙网中。暴胀理论回答了上述问题: 在亚原子尺度的量子物理规则下，婴儿宇宙不可避免的微小变化被突然放大，于是产生了初的质量集中体。根据这一理论，我们整个的可观测宇宙，甚至在更宽泛意义上的一级多元宇宙，都是在更大的大爆炸中从一个原子大小的区域迸发出来的。这个想法已经被广泛接受（如果不是一致认可的话），但显而易见的问题是：什么触发了它？为什么它只发生在我们宇宙（U.）的特定部分？