P.hysicists一直希望，一旦我们理解物理学的基本规律，他们会为物理量明确的预测。我们想到的是底层的物理规律可以解释为什么希格斯粒子的质量必须是125 gigaelectron伏，如最近发现的，而不是任何其他价值，也使新粒子是尚未被发现的预测。例如，我们想预测什么样的粒子组成的暗物质。
这些希望现在看来是无望的naïve。我们最有前途的基本理论，弦理论，并没有做出独特的预测。它似乎包含了大量的解决方案，或称“真空”，每一个都有自己的可观测物理常数值。真空都是在一个巨大的永恒膨胀的多元宇宙中物理实现的。
出现我们的问题，因为多元宇宙是时间和空间的无限广阔。
该理论是否失去了它的停泊观察？如果多层又多于多样化，可以包含一些暗物质的暗物质和其他地区的区域，其中暗物质从沉重的粒子中制作，我们如何预测我们在我们自己的地区应该看到哪一个？事实上，很多人就在这些场地上批评了多个人的概念。如果理论没有预测，它会成为物理学。
但一个重要的问题往往在多元宇宙被忽视的辩论。宇宙学总是面临着做出预测的问题原因是我们所有的物理理论都是动态的:基本的物理定律描述了将会发生什么，给定已经发生了什么。所以，当我们在物理中做预测时，我们需要指定初始条件是什么。我们如何在整个宇宙中做到这一点?什么设置最初的初始条件?这是古老哲学问题“第一原因”的科学版本。
多元宇宙提供了一个答案。它不是预测的敌人，而是预测的朋友。
T.他主要的想法是做出概率的预测。通过计算频繁发生的事情以及很少在多层次发生的事情，我们可以对我们将观察到的统计预测。这不是物理学中的新形势。我们以同样的方式了解一套普通的气体。虽然我们不能跟踪所有单个分子的运动，但我们可以为整体的气体提供极其精确的预测。我们的工作是在多层次的活动中制定类似的统计理解。
这种理解可以采取三种形式之一。首先，多元宇宙虽然很大，但可能只能探索有限数量的不同状态，就像一个普通的气体盒子。在这种情况下，我们知道如何进行预测，因为过了一段时间，多元宇宙就会忘记未知的初始条件。第二，也许多元宇宙能够探索无限多个不同的状态，在这种情况下，它永远不会忘记它的初始条件，除非我们知道这些条件是什么，否则我们无法做出预测。最后，多元宇宙可能会探索无限多个不同的状态，但空间的指数膨胀有效地消除了初始条件。
在许多方面，第一个选项是最愉快的物理学家，因为它扩大了我们成熟的统计技术。不幸的是，我们在到达预言与观测猛烈反对。第二个选项是非常令人不安的，因为我们的现行法律不能提供必要的初始条件。它是适用于产生合理的预测，最有希望的第三种可能性。
但该计划遇到了严重的概念障碍。在root时，我们的问题出现，因为多层是一个无限的空间和时间。无论我们转身，这些无限都会导致悖论和谜题。我们将需要一场革命我们对物理学的理解，以便了解多层。
T.在宇宙学做统计预测，他第一个选项可以追溯到一纸由奥地利物理学家玻尔兹曼于1895年。虽然它被证明是错误的，它的失败，我们发现我们目前困境的根源。
玻耳兹曼的建议是从他的理解气体工作一个大胆的推断。要完全指定气体的状态将需要确定每一个分子的确切位置。那是不可能的。取而代之的是，我们可以测量，并愿作出预测的，是气箱的粗粒度特性，如温度和压力。
一个关键的简化方法可以让我们做到这一点。当分子四处跳动时，它们会以各种可能的方式排列和重新排列自己，从而探索所有可能的构型，或“微观状态”。这个过程会抹去关于气体如何开始的记忆，让我们可以忽略初始条件的问题。因为我们无法追踪所有分子的位置，无论如何它们的位置会随着时间变化，我们假设任何微观状态都是等可能的。
这为我们提供了一种计算在给定粗粒度状态或“宏观状态”中找到框的可能性的方法:我们只需计算与我们所知道的宏观状态一致的微观状态的比例。例如，气体更有可能均匀地分布在整个盒子里，而不是聚集在一个角落里，因为只有非常特殊的微观状态下，盒子里的一个区域才有所有的气体分子。
对于此过程能够工作，微观的总数，而非常大的，一定是有限的。否则，系统将永远无法去探索它的所有状态。在气体中，这种有限性是由量子力学的不确定性原理保证。因为每个分子的位置不能被精确地指明，该气体仅具有不同配置的有限数。
出于某种原因开始闪烁的气体会出现，出于一种简单的原因：它们的分子更有可能均匀分布而不是聚类。如果分子从一个相当不可能的配置开始，它们将自然地发展到更可能的人，因为它们随机反弹。
一朵旋转的云，突然间，恰好变成了一个人的形状。
然而，当我们考虑大跨度的时间时，我们对气体的直觉肯定会改变。如果我们把气体放在盒子里足够长的时间，它会探索一些不寻常的微观状态。最终，所有的粒子都会意外地聚集在盒子的一个角落里。
通过这种洞察力，Boltzmann推出了他的宇宙学猜测。我们的宇宙是错综复相的结构，因此与盒子的一个角落中的气体类似于远离均衡的状态。宇宙学家通常认为它必须已经开始这种方式，但Boltzmann指出，在众所周知，即使是一个混乱的宇宙也会随机地波动到高度有序状态。将这个想法归因于他的助手，历史只为“博士”Schuetz，“Boltzmann写道：
“可以说，世界是由热平衡到目前为止，我们无法想象这样的状态的不可能性。但是，我们可以想像，在另一边，多么小的整个宇宙这个世界的一部分？假设宇宙是足够大，那它作为我们的世界这么小的部分应在其存在状态的概率，已经不小了。
“如果这个假设是正确的，我们的世界将越来越回到热平衡;但由于整个宇宙是如此巨大，很可能在未来的某个时候，另一个世界可能会偏离热平衡，就像我们现在的世界一样。”
这是一个很好的主意。什么是耻辱，这是错误的。
如果不是较早，则在1931年的天文学家和物理学家亚瑟·埃丁顿爵士首次指出了麻烦。它与现在称为“Boltzmann大脑”的关系。假设宇宙就像一盒天然气，大部分时间都是在热平衡 - 只是一个统一，零售的稀粥。只有在有奇怪的波动时才出现复杂的结构，包括寿命。在这些时刻，气体组装成恒星，我们的太阳系，以及所有其余的。没有逐步的过程雕刻它。就像一个旋转的云，突然间，恰好恰好遵守一个人的形状。
T.他的问题是一个定量的问题。在一小部分空间中进行有序结构的小幅波动远远远远可能比在巨大的空间区域形成有序结构的大波动。在Boltzmann和Schuetz的理论中，它更可能生产我们的太阳系而不令人兴奋地制作宇宙中的所有其他明星。因此，该理论与观察发生冲突：预测典型的观察者应该看到一颗完全空白的天空，没有明星，当他们晚上抬起头来。
将这一论点发挥到极致，在这个理论中最常见的观察者类型是需要远离均衡的最小波动。我们把它想象成一个独立的大脑，它存活了足够长的时间，直到意识到自己即将死亡:这就是所谓的玻尔兹曼大脑。
如果采用这种类型理论的重视，它预测我们只是谁已经受骗，以为我们正在观察一个巨大的，均匀的宇宙中一些非常特殊的玻尔兹曼大脑。在下一个瞬间我们的妄想极有可能破灭，我们会发现，没有其他恒星在宇宙中。如果我们的妄想状态持续足够长的这篇文章出现，你可以安全地丢弃理论。
我们的结论是什么?显然，整个宇宙毕竟不是一盒气体。玻尔兹曼论点中的一个关键假设是，分子构型的数量是有限的(如果数量很大的话)。这种假设肯定是错误的。否则，我们就是玻尔兹曼大脑了。
因此，我们必须在宇宙学中寻找一种新的预测方法。我们列表上的第二个选项是宇宙有无限种可能的状态。玻尔兹曼开发的工具在计算不同事件发生的概率时就不再有用了。
然后我们又回到了初始条件的问题。不像一个有限的气体盒子，当分子相互扰乱时，它会忘记初始条件，一个有无限可能状态的系统不会忘记它的初始条件，因为它需要无限的时间来探索它所有的可能状态。要做出预测，我们需要一个初始条件理论。现在，我们还没有。我们目前的理论把宇宙的先验状态作为输入，而初始条件理论必须把这种状态作为输出。因此，这需要物理学家的思维方式发生深刻的转变。
T.多元宇宙提供了第三种方式——这也是它的部分吸引力。它允许我们在当前的物理理论框架内以统计的方式进行宇宙学预测。在多元宇宙中，空间的体积无限增长，同时不断产生膨胀的气泡，内部有各种各样的状态。至关重要的是，预测并不依赖于初始条件。膨胀接近稳态行为，膨胀的高能量状态不断膨胀，并萌芽出低能量区域。空间的整体体积在增长，每种类型的气泡数量也在增长，但比率(和概率)保持不变。
在这种理论中，如何进行预测的基本思想很简单。我们计算多重宇宙中有多少观察者测量一个物理量有一个给定的值。我们观察一个给定结果的概率等于多元宇宙中观察这个结果的观察者的比例。
没有一种通用的方式来定义一个时刻。
例如，如果10％的观察者居住在多个人的区域中，其中暗物质由光颗粒（如轴）制成，而90％的观察者生活在暗物质由重型颗粒中制成的区域（这是违反粒子，被称为WIMPS），然后我们有10％的机会发现暗物质由光颗粒制成。
相信这种争论的最佳理由是，奥斯汀德克萨斯大学的史蒂文·魏伯格使用它在观察到之前成功地预测了宇宙学常数的价值。理论上令人信服的动机与Weinberg的卓越成功的组合使得多个人的想法足够有吸引力，这有许多研究人员包括我，花了多年的时间试图详细讨论它。
T.他面临的主要问题是，由于空间的体积而没有绑定，观察到任何给定的人的观察者的数量是无限的，这使得难以表征哪些事件或多或少发生的事件。这相当于如何表征稳态行为的模糊性，称为测量问题。
大致来说，进行预测的过程如下。我们想象宇宙在一段大而有限的时间内演化，并计算所有的观测结果。然后我们计算当时间变得任意大时会发生什么。这应该能告诉我们稳态的行为。问题是没有唯一的方法来做这件事，因为没有通用的方法来定义时间中的某个时刻。在时空遥远的地方，观察者之间的距离太远，彼此加速的速度太快，无法相互发送信号，所以他们无法同步时钟。从数学上讲，我们可以选择许多不同的方法来同步这些大区域的时钟，这些不同的选择导致了对哪些类型的观测是可能的或不可能的不同预测。
一个同步时钟的处方告诉我们，大部分的体积将被扩张最快的状态所占据。另一个告诉我们大部分的体积会被衰减最慢的状态所占据。更糟糕的是，这些处方中有很多都预言绝大多数观察者都是玻尔兹曼的大脑。一个我们以为已经消除的问题又回来了。
当唐网页阿尔伯塔大学指出，与玻尔兹曼大脑的潜在问题的论文在2006年，拉斐尔·博索在U.C.伯克利和我都兴奋认识到，我们可以把这个问题上发挥得淋漓尽致。我们发现我们可以使用玻尔兹曼的大脑作为一种工具，一种方式，如何时钟进行同步的不同处方之间做出决定。可以预测，我们是玻耳兹曼的大脑必须Perforce的是错的任何建议。我们如此兴奋地（和担心别人也有同样的想法），我们写我们的报纸在短短两天后页的纸张出现。经过数年的过程中，通过一个相对较小的研究小组持续工作成功地使用这些类型的测试，以消除许多建议，并形成在该领域达成共识的东西上几乎唯一的解决措施的问题。我们认为，我们已经学会了如何驯服理论的可怕无穷。
j当事情看起来不错时，我们遇到了一个概念问题，即我认为我们目前的理解没有逃脱：时间结束问题。简而言之，该理论预测宇宙正在自我毁灭的边缘。
这个问题通过由技术和维塔利Vanchurin麻省理工学院在密歇根州的德卢斯大学的阿兰·古斯提出了一个思想实验来成为关注的焦点。这个实验是不寻常的，甚至通过理论物理学的标准。假设你抛硬币，看不到结果。然后你被放入低温冰箱中。如果硬币过来头，实验者把你叫醒后一年。如果硬币过来尾巴，指导他们的后代的实验者经过50多年的十亿叫醒你。现在，假设你有刚刚醒来，并有机会打赌你是否已经睡着了1年或50个十亿年。常识告诉我们，对于这样一个赌注的赔率应该是50/50，如果硬币是公平的。
但是，当我们运用我们对如何在一个永远膨胀的宇宙中做的计算规则，我们发现，您应该下注，你只睡了一年。出现这种奇特的效果，因为空间容量成倍扩大，永不停歇。因此，在任何给定的时间开始卧铺实验次数总是不断增加。很多更多的实验始于一年前的50十亿年前，所以大部分人今天醒来的睡了一个很短的时间。
这种情况听起来可能有些极端，甚至有些愚蠢。但那只是因为我们在宇宙学中处理的条件是极端的，涉及的时间跨度和空间容量超出了人类的经验。你可以通过思考一个数学上相同的更简单的场景来理解这个问题。假设地球人口每30年翻一番——永远不变。时不时地，人们会做这些睡眠者实验，除了现在的实验对象要么睡一年，要么睡100年。假设每天有1%的人参加。
我们仍然发现自己做出了荒谬的预测。
现在假设你只是在你的低温冷冻醒来，被要求打赌你多久睡着了。在一方面，你可能会说，很明显，赔率是50/50。另一方面，在任何一天，更多的人从小睡比长时间午睡醒来。例如，在2016年，谁去睡觉的时间很短，2015年将枕木醒了，至于意志枕木谁在1916年开始了漫长的午睡但是，由于更多的人开始试验在2015年比1916年（始终为1％的人口），绝大多数谁在2016年唤醒人们睡的时间很短。所以它可能是自然的猜测，您是从小睡醒来。
这一事实是，两个逻辑的参数产量矛盾答案告诉我们问题没有明确定义。在假设人口永远成长的情况下计算概率并不是一个明智的问题，实际上，人口不可能永远成长。在这种情况下需要的是关于指数增长如何停止的一些额外信息。
考虑两种选择。在第一个，一天没有更多的婴儿出生，但已经开始每个卧铺实验最终完成。在第二，一个巨大的流星突然破坏地球，终止所有卧铺实验。你会发现，在选择一个，谁曾经唤醒所有观察员的一半打个盹做到这一点，而在方案二，谁曾醒大多数观察家从小睡这样做。这是危险的，需要很长的午睡在第二个选项，因为你可能被流星睡觉时被杀死。因此，当你醒来时，这是合理的赌注，你最有可能采取小睡片刻。一旦理论变成通过使总人数有限的明确定义，概率问题有独特的，明智的答案。
在永恒的扩张中，更多的睡眠者从短暂的小睡中醒来。Bousso，伯克利的Stefan Leichenauer, Kavli理论物理研究所的Vladimir Rosenhaus，我指出这些奇怪的结果有一个简单的物理解释:之所以会有更多的人从短暂的小睡中醒来，是因为生活在一个不断膨胀的宇宙中是危险的，因为一个人可能会跑到时间的尽头。一旦我们意识到这一点，我们就清楚地意识到，这种时间终结效应是我们用来计算概率的配方的固有特征，无论是否有人真的决定进行这些奇怪的睡眠者实验，它都存在。事实上，根据定义我们宇宙的参数，我们计算出，在未来50亿年里，有大约50%的可能性遭遇世界末日。
T.Ø清楚的结论：没有人认为那个时候突然结束在像我们这样的时空，更何况我们应该进行特殊的冬眠实验。相反，问题是，我们的计算概率配方意外注射了一种新型灾难到理论。这个问题表明，我们缺少在我们的长距离和长时间物理学的理解主要部分。
为了把它整合在一起：理论和观察证据表明，我们生活在一个巨大的，永远扩大的多层中，在那里自然常数因地到位而异。在这种情况下，我们只能进行统计预测。
如果宇宙像一盒气体一样，只能存在于有限数量的可用状态，理论预测我们是博尔兹曼大脑，这与观察发生冲突，更不用说常识。如果相反，宇宙有一个无限数量的可用状态，那么我们通常的统计技术并不预测，我们被卡住了。多层似乎可以提供中间方式。宇宙具有无限数量的态度，避免了博尔兹曼脑问题，但致力于稳态行为，允许直接统计分析。但随后我们仍然发现自己荒谬的预测。为了制定这三种选择的任意工作，我认为我们需要革命性的进展，以了解物理学的理解。
Ben Freivogel是阿姆斯特丹大学的助理教授。他对引力和宇宙学的基本问题工作。他是斯坦福大学的伦纳德Susskind的博士学位，并在美国皇家拉斐尔Bousso的指导下进行了邮局。伯克利然后在麻省理工学院艾伦Guth。
铅形象：蛋星云的哈勃太空望远镜的图像。来源：NASA，W.火花（STScI的）和R.萨海（JPL）。
本文最初发布Nautilus宇宙2017年1月。
