P.物理学家们一直希望，一旦我们理解了物理学的基本定律，他们就能对物理量做出明确的预测。我们设想，潜在的物理定律将解释为什么希格斯粒子的质量必须是最近发现的125亿电子伏，而不是其他任何值，并对尚未发现的新粒子做出预测。例如，我们想预测是什么粒子组成了暗物质。
这些希望现在似乎是绝望的。我们最有前途的基本理论，弦理论，并没有做出独特的预测。它似乎包含了巨大的解决方案景观，或者“vacua”，每个恒定的可观察物理常数的价值。VACUA全部在巨大的永恒膨胀的多层内物理地实现。
我们的问题出现了，因为多元宇宙是一个无限广阔的空间和时间。
有理论失去了它的系泊来观察？如果多元宇宙大和多样化足以包含其中暗物质是由光粒子，其中暗物质是由重粒子等向其他区域的一些地区，我们怎么能可能预测哪一个我们应该在我们自己的区域看到了什么？事实上很多人都批评只是这些理由多元宇宙的概念。如果一个理论不作任何预测，它就不再是物理。
但是在关于多元宇宙的争论中，一个重要的问题往往被忽视了。宇宙学已经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？这是科学版的旧哲学问题的第一次原因。
多层提供答案。这不是预测的敌人，而是它的朋友。
T.他的主要想法是让概率预测。通过计算什么经常发生，什么多元宇宙很少发生，我们可以使我们将观察统计预测。这不是物理的新局面。我们理解气体以同样的方式一个普通的盒子。虽然我们不可能让所有的单个分子的运动轨道，我们可以使气体作为一个整体将如何表现极为精确的预测。我们的工作是发展多元宇宙事件类似的统计了解。
这种理解可以采取三种形式之一。首先，多元宇宙，虽然非常大，也许能够只探讨不同状态的数量有限，就像气的一个普通的盒子。在这种情况下，我们知道该怎么做预测，因为经过一段时间对未知初始条件的多元宇宙忘记。其次，也许是多元宇宙是能够探索不同状态的无限数量，在这种情况下，它从来不会忘记它的初始条件，并且我们也无法预测，除非我们知道这些条件。最后，多元宇宙可能探索不同状态的无限多，但空间迅速扩大有效擦除的初始条件。
在许多方面，第一种选择是最受物理学家欢迎的，因为它扩展了我们已经确立的统计技术。不幸的是，我们得出的预测与观测结果大相径庭。第二种选择非常麻烦，因为我们现有的法律无法提供必要的初始条件。第三种可能性最有可能做出明智的预测。
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.在宇宙学中进行统计预测的第一个选择要追溯到奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)在1895年发表的一篇论文。虽然它被证明是错误的，但在它的失败中，我们找到了我们当前困境的根源。
玻尔兹曼的提议是从他对气体的研究中大胆推断出来的。要完全确定气体的状态，就需要确定每个分子的确切位置。这是不可能的。相反，我们所能测量的——并且想要预测的——是气体盒的粗粒度特性，比如温度和压力。
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。
要使这个过程起作用，微观状态的总数虽然很大，但必须是有限的。否则系统将永远无法探索它的所有状态。在一箱气体中，量子力学的不确定性原理保证了这种有限性。由于每个分子的位置不能被精确地确定，气体只有有限数量的不同构型。
即开始块状由于某种原因，气体将分散开来，原因很简单：这是统计上更可能为他们的分子是均匀分布的，而不是聚集。如果分子在一个相当不可能的配置开始，他们自然会演变为一个更可能的一个，因为他们跳来跳去随机。
一朵旋转的云，突然间，恰好变成了一个人的形状。
然而，当我们考虑大量时间时，我们对气体的直觉必须被改变。如果我们在盒子里留下足够长的气体，它将探索一些不寻常的Microstates。最终所有颗粒都会在盒子的一个角落中意外簇簇。
有了这种认识，玻尔兹曼射入他的宇宙论的揣测。我们的宇宙是错综复杂的结构，所以它是类似于一种气体，在盒的状态的一个角落是远离平衡集群。宇宙学家普遍认为它必须开始这种方式，但玻耳兹曼指出，在亿万年的浩瀚，甚至是混乱的宇宙会随机波动成高度有序状态。归因的想法，他的助手，史称只能作为“博士。Schuetz，”玻耳兹曼写道：
“可以说，世界距离热平衡是如此之远，以至于我们无法想象这种状态的不可能性。但我们能想象，在另一方面，这个世界是整个宇宙的一小部分吗?假设宇宙足够大，那么它的一小部分，如我们的世界，处于目前状态的可能性就不再小了。
“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。”
这是一个令人信服的想法。这是错误的，真可惜。
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。
采取这一参数极端，观察者在这一理论最常见的类型是一个需要的最小波动远离平衡。我们可以想象这是一个孤立的大脑中幸存滥竽充数长注意到它是将死：所谓的玻尔兹曼大脑。
如果你认真对待这种理论，它预测我们只是一些非常特殊的玻尔兹曼大脑，他们被误导，以为我们在观察一个巨大的、均匀的宇宙。在下一秒，我们的错觉极有可能被粉碎，我们会发现宇宙中没有其他恒星了。如果我们的错觉持续到这篇文章出现的时候，你就可以放心地放弃这个理论了。
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.他多民提供第三种方式 - 这是其吸引力的一部分。它允许我们以当前理论框架内的统计方式进行宇宙学预测。在多个人间，空间的体积无限期地增长，所有的同时在内部产生扩展气泡。至关重要的是，预测不依赖于初始条件。扩张接近稳态行为，扩大高能状态不断扩展和萌芽下能量区域。整体空间体积增长，每种类型的气泡数量都在增长，但比率（和概率）保持固定。
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，如果观察者的10％生活在暗物质是由光的颗粒（如轴子）的出多元宇宙的区域，而90％的观察员的生活在暗物质是由重颗粒（其中出来的区域，违反直觉地，被称为的WIMPs），那么我们就发现，暗物质是由光粒子的10％的机会。
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.他我们面对的主要问题是，由于空间体积的增长没有约束，观察员观察任何事物的数量是无限的，因此很难描述的事件都或多或少可能发生。这相当于在如何表征稳态行为，被称为衡量问题的不确定性。
粗略地，使预测的程序如下。我们想象宇宙为大而有限的时间演变，并计算所有观察。然后我们计算在随意变为大的时候会发生什么。这应该告诉我们稳态行为。麻烦的是，没有独特的方法来执行此操作，因为没有普遍的方式来定义一个时刻。Spacetime的遥远部分的观察者距离太远并彼此加速太快，以便能够彼此发送信号，因此它们无法同步其时钟。在数学上，我们可以选择许多不同的可想象方式来在这些大区域的空间中同步时钟，而这些不同的选择导致不同的预测，对于可能或不太可能的观察类型。
同步时钟的一个处方告诉我们，大多数卷将由扩展最快的状态占用。另一个人告诉我们，大多数音量都将被衰减最慢的状态占据。更糟糕的是，许多这些处方预测绝大多数观察者都是博尔兹曼大脑。我们以为我们被淘汰出失去的问题来了。
2006年，当阿尔伯塔大学的唐·佩奇(Don Page)在一篇论文中指出玻尔兹曼大脑的潜在问题时，加州大学伯克利分校的拉斐尔·布索(Raphael Bousso)和我激动地意识到，我们可以把这个问题颠倒过来。我们发现我们可以用玻尔兹曼的大脑作为工具——一种决定如何同步时钟的不同处方的方法。任何预测我们是玻尔兹曼大脑的建议肯定是错误的。我们非常兴奋(也担心其他人会有同样的想法)，所以在Page的论文发表后两天我们就写了论文。在几年的时间里，一个相对较小的研究小组坚持不懈的工作，成功地使用这些类型的测试消除了许多建议，并在该领域形成了对测量问题几乎唯一的解决方案的某种共识。我们觉得我们已经学会了如何驯服理论的可怕的无限。
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。
麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的艾伦·古思(Alan Guth)和密歇根大学德卢斯分校(University of Michigan in Duluth)的维塔利·凡丘林(Vitaly Vanchurin)提出的一项思想实验让这个问题成为焦点。即使以理论物理学的标准来看，这个实验也是不寻常的。假设你抛硬币，没有看到结果。然后你被放入低温冰箱。如果硬币正面朝上，实验者会在一年后叫醒你。如果硬币背面朝上，实验者就会让他们的后代在500亿年后叫醒你。现在假设你刚刚醒来，有机会打赌你是睡着了1年还是500亿年。常识告诉我们，如果硬币是公平的，这种赌注的概率应该是50/50。
但是，当我们在一个不断膨胀的宇宙中应用我们的计算规则时，我们发现，你可以打赌，你只睡了一年。这种奇怪的效应是因为空间的体积在指数级膨胀，而且永不停止。所以在任何给定时间开始的睡眠者实验的数量总是在增加。一年前开始的实验比500亿年前多得多，所以今天醒来的大多数人都睡了很短的一段时间。
这种情况可能听起来极端，甚至是愚蠢的。但这只是因为我们在宇宙学中处理的条件是极端的，涉及跨越人类经历的时代和空间的卷。您可以通过思考在数学上相同的简单方案来了解问题。假设地球的人口每30年都会加倍 - 永远。人们不时执行这些睡眠实验，除了现在受试者睡眠1年或100年。假设每天1％的人口都会参与其中。
我们仍然发现自己荒谬的预测。
现在假设你在低温冰箱里醒来，被要求打赌你睡了多长时间。一方面，你可能会说，很明显胜算是一半对一半。另一方面，在任何一天，小睡时间短的人比小睡时间长的人醒得多。例如，在2016年，那些在2015年睡了很短时间的人会醒来，那些在1916年开始长时间小睡的人也会醒来。但由于2015年开始这项实验的人比1916年多得多(总占人口的1%)，2016年醒来的绝大多数人都睡了很短时间。所以，很自然地，你会猜想自己刚从小睡中醒来。
事实上，争论的两个逻辑线产生矛盾的答案告诉我们，问题不明确。它只是不是一个明智的问题的假设下计算的概率，人类人口成倍增长永远，而事实上这是不可能的民众永远增长。我们需要在这种情况下是对指数增长如何停止一些额外的信息。
考虑两个选项。在第一种情况下，有一天没有婴儿出生，但每一个睡眠实验都已经开始，最终都会结束。在第二种情况下，一颗巨大的流星突然摧毁了地球，终止了所有沉睡者的实验。你会发现，在选项一中，半数醒来的观察者都是小睡后醒来的，而在选项二中，大多数醒来的观察者都是小睡后醒来的。在第二种情况下长时间打盹是很危险的，因为你可能会在睡觉时被流星砸死。因此，当你醒来时，可以合理地打赌，你很可能小睡了一会儿。一旦该理论通过使总人数有限而得到明确定义，概率问题就有了唯一的、合理的答案。
在永恒的扩张中，更多的睡眠者从短时间内醒来。Bousso，斯特克利斯特凡斯利·斯托森·勒基因尔·罗森哈豪斯在Kavli理论物理学研究所，我指出，这些奇怪的结果具有一个简单的物理解释：更多的睡眠者从短暂的小睡中唤醒的原因是生活在永恒扩大的宇宙中危险，因为一个人可以跑到时间结束中。一旦我们意识到这一点，就明确表示这种时间效果是我们使用的配方的固有特征，以计算概率，以及是否有人实际决定承接这些奇怪的睡眠实验。事实上，鉴于定义我们宇宙的参数，我们计算出大约有50％的概率遇到未来50亿年的时间结束。
T.o明确结论:没有人认为时间会像我们这样在时空中突然结束，更不用说我们应该进行特殊的冬眠实验了。相反，关键是我们计算概率的方法意外地为理论注入了一种新型的灾难。这个问题表明，在长距离和长时间的物理理解中，我们缺少重要的部分。
为了把它放在一起：理论和观测证据表明，我们正生活在一个巨大的，永恒的多元宇宙扩大，其中自然常数变化，从地方到另一个地方。在这种情况下，我们只能做统计预测。
如果宇宙，就像气体中，可以存在于仅可用状态的数量有限，理论预测，我们是玻耳兹曼的大脑，与观测的冲突，更何况普通意义上。如果，相反，宇宙有可用状态无限多的，那么我们平时的统计方法是不能预测的，我们被卡住。多元宇宙的出现提供了一个折中的办法。宇宙有可用状态无限多的，避免了玻尔兹曼脑子有问题，但接近稳定状态行为，允许一个简单的统计分析。但是，我们仍然发现自己做出荒唐的预测。为了使所有这三个选项的工作，我认为我们需要在我们的物理学的理解一个革命性的进步。
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。
主图像:哈勃太空望远镜拍摄的蛋状星云。资料来源:NASA, W. Sparks (STScI)和R. Sahai (JPL)。
本文最初发布Nautilus宇宙在2017年一月。
