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真的存在与我们完全相同的平行宇宙?

时间:2022-08-25 00:46:52 | 浏览:2555

这都要取决于在宇宙大爆炸之前、宇宙暴胀已经持续的时间是有限长还是无限长。多重宇宙是物理学中最令人震惊、最像科幻小说。多重宇宙说指出,除了我们所在的宇宙之外,还存在大量的、也许无限多个与我们相同的宇宙,以及大量的、也许无限多个与我们不同的宇宙。

多重宇宙说指出,除了我们所在的宇宙之外,还存在大量的、也许无限多个与我们相同的宇宙,以及大量的、也许无限多个与我们不同的宇宙。这都要取决于在宇宙大爆炸之前、宇宙暴胀已经持续的时间是有限长还是无限长。


多重宇宙是物理学中最令人震惊、最像科幻小说的概念之一,但它其实真的可以描述宇宙的实际情况。在多重宇宙的设想中,我们所在的宇宙只是众多宇宙中的一个,这些宇宙相互独立、同时存在。虽然尚无有力的证据证明多重宇宙存在与否,但给我们提供了一个广阔的探索空间,因为对多重宇宙的预测是深深立足于确定存在的理论物理现象中的。


假设在发生宇宙大爆炸之前,先发生了一次宇宙暴胀,那么从本质上来说,宇宙中的所有粒子和场都具有量子特性。这样一来,多重宇宙的存在几乎就是不可避免的了。这为物理学开启了无穷的可能性,也许平行宇宙不仅存在,而且还存在无限个。这样一来,甚至可能存在与我们完全相同的平行宇宙。假设多重宇宙真的存在的话,可能会发生什么事情呢?


暴胀期间印刻在可观测宇宙中的初始波动水平约为0.003%,但正是这些微小的缺陷之处造成了宇宙微波背景中的温度与密度波动,并埋下了如今宇宙结构的种子。如果没有宇宙暴胀,这些初始条件就无法解释。  


追求多重宇宙的动机


要想理解物理学家为何认为多重宇宙应该存在,首先要弄清我们在宇宙中观察到的几点事实。首先,我们能到达的宇宙是有时间边界的。我们能观测到的宇宙是在138亿年前的宇宙大爆炸中诞生的,当时的宇宙极为炽热、稠密,四处充满了物质和辐射,并且一直在不断扩张和冷却。我们在空间中回望得越远,在时间上也回溯得越久,一直延伸到宇宙大爆炸的边界:时间上来说是138亿年前,空间上来说则是461亿光年之外。


当球滚入谷底,暴胀就会终止(上图)。但暴胀场具有量子特性(中图),会随着时间不断扩张。在许多区域内的暴胀停止时(紫色、红色和蓝绿色),还有许多空间内的暴胀仍在持续,并且有可能永远持续下去(下图)。 


然而,我们无法随随便便地回到时间的早期,因为假如当时的宇宙超过了一定温度和密度,就会产生一些与我们的观测不符的特性。但假如在宇宙大爆炸之前,宇宙就已经经历了一段时间的暴胀、做好了一定的准备,情况就与观测结果一致得多了。


暴胀拉长了宇宙的曲率,使宇宙的形状变得接近于平面。在暴胀过程中,所有可能导致问题的高能残留物都同样发生了膨胀。通过这一过程,宇宙各处的能量密度都变得相同。只有一些在暴胀期间发生的量子波动,叠加在这个均衡的能量背景之上。


随着暴胀持续进行,一系列宇宙会接连诞生,每个都与其它宇宙完全分离,并且随着之间的空间进一步膨胀,距离会变得越来越远。  


这样一来,在宇宙暴胀临近结束时,宇宙大爆炸便具备了所有产生如今可观测宇宙的必需特性。


我们一般会将宇宙膨胀想象成一个简单的场。这个场的特定性质会对场所在的空间造成影响。只要场维持膨胀状态,并且空间拥有巨大的能量,空间就会无休无止地、成指数地继续扩张下去,因此每过一个时间段,任意两点之间的距离就会翻上一番。


只要场维持这种膨胀状态,宇宙暴胀就会持续下去,不断对空间进行延伸,使其中的所有物质不断稀释,直到场发生衰变,宇宙暴胀也到此结束。随着能量被转化为物质和辐射,宇宙会变得越来越炽热,标志着宇宙大爆炸的开始。


多重宇宙中存在多个平行宇宙的示意图。


但我们知道,无论是哪个场驱动了宇宙暴胀,从本质上来说都很可能具有量子性。这就意味着,随着宇宙暴胀持续进行下去,这个场有可能会“滚下悬崖”,导致暴胀终止;也可能不会发生这种情况,暴胀得以持续下去;甚至还有可能“滚”向错误的方向,使我们离暴胀的结束越来越远。还有一点很反直觉——由于暴胀中的宇宙会不断创造新的空间,上述这些情况可能会在宇宙的不同区域同时发生。


这就造成了一种很有趣的情况。只要过去曾发生过宇宙暴胀(而从我们的观测结果来看,有大量证据显示宇宙暴胀的确发生过),就说明存在多重宇宙。过程如下:


宇宙暴胀发生,宇宙被不断拉长,产生新的空间;在部分区域,场会“滚下悬崖”,使暴胀终止,导致这些区域发生大爆炸,形成我们所谓的“宇宙”;这些宇宙之间的空间还在继续暴胀,制造出更多的空间……如此不断持续下去。


从中很容易看出,如果想让宇宙暴胀发展到足够的程度、使宇宙大爆炸得以具备我们观察到的这些特性,就必定会产生多重宇宙。新的宇宙一直在不断诞生,这些宇宙之间相互独立、毫无关联,并且由于它们之间的空间一直在不断膨胀,新的宇宙不断出现,新的大爆炸不断发生,这些宇宙的距离会越来越远。只要这部分理论是正确的——我们掌握的证据也的确说明它是正确的——目前最先进的科学研究就已经预测了多重宇宙的存在。


在暴胀期间形成的量子波动会随着宇宙不断向外拉伸。当暴胀终止时,这些量子波动就变成了密度波动,并逐渐演变成了如今宇宙中观察到的大尺度结构、以及在宇宙微波背景中观察到的温度波动。这些波动是一种随机过程,意味着假如宇宙总数量有限且过小,就不可能存在两个完全相同的宇宙。  


这些宇宙之间相互关联吗?


从这里开始,我们就要进入推测的领域了。我们知道,宇宙暴胀发生时所处的能量尺度远必定远低于普朗克能量尺度,否则我们就会在宇宙中观测到一些本不存在的信号了。但我们还缺失一些关键信息,比如我们不知道宇宙暴胀是何时开始的,甚至不知道它有没有一个起始点。暴胀也许是宇宙的默认状态,会永远持续下去,直到我们所处的这一区域的暴胀停止,我们的宇宙才得以诞生。


图为将平行宇宙的概念应用于“薛定谔的猫”的示意图。虽然平行宇宙的设想非常有趣、引人入胜,但如果没有无限大的空间来容纳所有可能性,仅凭暴胀也无法创造出足够多的宇宙,将宇宙演化138亿年以来的所有可能性都包含在内。  


我们也不知道,多重宇宙中的各个宇宙之间是否存在任何相互纠缠的特性。我们不清楚这些宇宙是否都遵循相同的物理法则和基本常数,也不了解在宇宙暴胀过程中、或即将发生大爆炸前的最后过渡期间,是否形成了某种主宰这些法则和常数的机制。此外,我们也丝毫不知该如何对这些结果的概率进行量化。宇宙学家将其叫做“测度问题”。按照我们的预测,这些宇宙是存在的,但我们不知道有多少个这样的宇宙,也不清楚它们之间是否有关联、或者以何种方式相关联,亦不了解它们与我们所在的宇宙之间有什么相似之处或不同点。


然而,根据我们在宇宙中的测量结果、以及基于已知粒子和场的量子特性的计算结果,不同宇宙中的物理法则和常数虽然是相同的,但特定的初始条件却应当有所不同。


在我们的可观测宇宙中,粒子数量有限,粒子之间发生相互作用的时间有限,可能产生的结果也有限。如果存在无限个像我们这样的宇宙,那么至少一个宇宙中将包含所有的可能结果组合。  


这意味着什么?


这意味着,每个宇宙的整体特性应该是相同的,因为所有宇宙都由同一个暴胀场发源而来。因此每个宇宙诞生时的平均能量密度、法则、匀称性、守恒法则、标准模型、广义相对论规则、以及其它多种特性都应当是相同的。最大的区别不过是在这个统一的背景上叠加的量子波动。正是这个仅占三万分之一的小小缺陷,为我们的宇宙结构提供了孕育的“种子”。这种缺陷是随机发生的,并且横跨所有尺度,最终可能产生的结果有无数种,而我们所在的宇宙应该只是其中之一。


只要这些宇宙的数量足够多,最终应该总能产生一个与我们的初始特性完全相同的宇宙。要知道,我们宇宙中的一切东西都是有限的,粒子数量有限,能量总量有限,量子发生相互作用的时间有限,可能产生的结果数量也有限。这些数字虽然都极为庞大,但并不是无穷无尽的。


但在暴胀过程中诞生的宇宙数量就是另外一回事了。如果暴胀已经进行了一段有限的时间,宇宙的数量就会随着时间的流逝发生指数级增长,但这个数字终究是有限的;而如果暴胀已经持续了一段无限的时间,宇宙的数量就必定是无限的,有些宇宙必定已经将所有可能性都经历了一遍。


如果最终演化成我们宇宙的“泡泡”在早期曾与其它宇宙相撞,一定会留下“伤痕”。但我们在观测中并未找到相关证据,说明暴胀过程中,不同的宇宙之间并不会发生互动。  


相互隔绝?还是有所互动?


如果暴胀已经发生的时间是有限的,我们就可以断定,根据宇宙数量增长的规律、以及单个宇宙中可能发生的结果数量随着时间增加的规律,在多重宇宙中并不存在与我们完全相同的平行宇宙。当我们用多重世界说解读量子力学时,假如宇宙的数量有限,是不足以容纳所有可能结果的,必须要有无穷多的宇宙才行。暴胀的时间必须无限长,才有可能形成与我们一模一样的平行宇宙。


但如果暴胀的时间达到了无限长,完全相同的平行宇宙就不是有可能存在、而是一定存在了。一个有限的数字即使再庞大,即使一直朝着无限的方向增加,只要时间有限,就永远都不可能真正达到无限。


因此,可能发生的结果数量就算再多,只要存在无限个平行宇宙,就必定包含所有这些可能性。


然而,即使多重宇宙中的确存在这样的平行宇宙,即使平行宇宙的数量无限,你也不能为所欲为。例如,你无法在不同宇宙之间转移任何东西。尽管每个宇宙都由同一小块空间发源而来,但你无法在它们之间传递信息;这些宇宙之间不再具有任何因果联系。


图为对多重宇宙的想象。在这片不断膨胀的宇宙汪洋中,存在着多个相互独立的宇宙,彼此之间毫无因果联系。在暴胀期间,一旦某处暴胀终止,就会发生宇宙大爆炸。在我们的宇宙中,大爆炸发生于138亿年前。但暴胀是否有一个开始时间?如果有的话,究竟是如何开始的?这两个问题我们目前还无法回答。  


换句话说,一个宇宙中发生的事情无法对另一个宇宙造成影响。假如在暴胀期间,任意两个宇宙发生了相撞、合并、或以其它方式发生了相互作用,我们都知道如何对结果进行量化;而我们可以很肯定地说,目前并无证据证明我们的宇宙中发生过这样的事件。


许多人也许都曾想过,在另一个世界里,自己犯下的所有过错、做过的所有错误决定、以及给自己及他人带来的后果,也许都会完全不同。在另一个空间中的另一个时间点,也许另一个你在一个关键的岔路口做了一个更正确的决定,结果因此过上了更好的人生。对多重宇宙、特别是与我们完全相同的平行宇宙的想象,仿佛给了我们一种希冀:我们过往的决定并不像我们目前认为的那样,一旦做出便无法改变。


但这并不是科学想传达的意思。即使宇宙暴胀已经持续了一段无限长的时间,其它宇宙中发生的任何事情也都与我们的宇宙毫不相干。我们的过去早已确定、不可更改,其它宇宙中发生的事情决不可能改写我们的过去,也不可能为我们提供一个不同的结果。多重宇宙或许无法避免,平行宇宙也许真的存在,但不会以任何可以测量或观测的形式对我们产生影响。一旦超出科学的能力之外,我们就只能凭借猜测了。在掌握更多证据之前,我们还不能得出任何确定性结论。

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