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平行宇宙真的存在吗?我们习以为常的物理法则,是本宇宙适用版本

2022-08-25 00:47:04 7146

摘要:如果平行宇宙或多元宇宙真的存在,也许有一天我们会遇到来自其他宇宙的访客。下面是那时我们该做些什么。图解: 如果外星人飞船来拜访我们的宇宙,我们一定会产生许多问题,关于他们的存在,或它们是否会对我们的文明造成威胁,对此我们必须谨慎。我们把许多...

如果平行宇宙或多元宇宙真的存在,也许有一天我们会遇到来自其他宇宙的访客。下面是那时我们该做些什么。

图解: 如果外星人飞船来拜访我们的宇宙,我们一定会产生许多问题,关于他们的存在,或它们是否会对我们的文明造成威胁,对此我们必须谨慎。


我们把许多我们居住宇宙固有存在的东西视作理所当然,很少去思考物理定律本身是什么,基本常数为什么是它们现在的值,为什么物质比反物质更优先存在。我们的宇宙有一些基本性质,如果这些性质与现在不同,我们居住的宇宙也将是全然不同于现在的样子。

但是,我们的宇宙也许不是唯一存在的宇宙。事实上,有许多令人信服的理由都证明我们的宇宙只不过是众多共同组成更大的多元宇宙中的一个。如果这是真的,那么在其它宇宙中不仅可能存在生命,一些生命也许拥有超越我们的智慧和技术,但这些生命的存在由不同于我们的定律控制,即使他们对我们是友好的,遇见他们也可能导致一场灾难。下面是如何应用物理知识来确保我们的生存。

图解:在CP对称变换中,粒子变换为对应反粒子的镜像。大型强子对撞机协同实验中,对D0介子(图示为右边的大球)和它对应的反物质,反-D0介子(图示为左边的大球)的衰变观测发现了违反CP对称的现象。当发生变换时,粒子分别衰变为其他的更小的粒子(更小的球),对粲粒子的观察中第一次发现了这种不对称变换。(欧洲核子研究中心)

如果我们看到有人突然凭空出现,首先要担心的也许是他会不会由反物质而不是物质组成。发生这种情况不必要违反我们的物理定律,他们只需要使在我们宇宙中倾向于产生更多物质的宇宙过程翻转,产生更多的反物质即可。如果天平倾向我们的另一边,我们也不会有所察觉。

图解:CP对称中粒子在变换为反粒子的同时反映为镜像。如果翻转-镜像衰变结果与正常的衰变不同,则发生CP破坏。如果发生CP破坏,那么被称为T的时间反演对称性也将被破坏。在我们现有的物理定律中, C, P, T共同组成的联合变换在包含所有种类的允许、禁阻的相互作用中严格成立。(伊桑·西格尔/《超越银河系》)

但是没有关系,物质或反物质存在超越简单符号法则的物理标志。在我们的宇宙中,某一介子(中性复合粒子)包含奇异夸克、魅夸克或底夸克可能自发的转变成它对应的反物质,从夸克转换成反夸克,反之亦然。如果我们询问外星人他们的CP破坏测量条件,就可以立刻知道他们是由物质还是反物质组成。如果我们实在想要确定答案,可以向他们扔一颗苹果,如果苹果在他的外壳湮没,那他一定是由反物质组成。

图解:在不存在磁场的条件下,同一原子轨道不同态的能级相同(L)。存在磁场的条件下,根据塞曼效应发生态裂分(R)。原子、分子能级的不同值与宇宙的基本常数高度相关。如果不同宇宙间的基本常数不同,我们就可以根据某人的吸收和发射光谱来确认他来自哪个特定宇宙。

如果外星人所在宇宙的基本常数与我们的不同会发生什么?如果是这样,那些宇宙中的物质将与我们宇宙中的物质有不同的表现。改变粒子的质量或相互作用力的强弱,物质本身的性质将会发生改变。即使是那些我们认为与我们宇宙很少相关的粒子的质量被改变,比如顶夸克,也将对质子的质量产生影响。如果基本常数发生改变,那么原子和分子的性质也将会不同。原子跃迁将发生微弱(或显著)的变化,现在氢原子吸收或发射的波长将不再会发生吸收或发射。只是观察他们外壳反射或吸收、发射太阳光的光谱会告诉我们他们的物理常数与我们的是否相同。

图解:太阳光的可见波长光谱可以帮助我们了解太阳的温度、离子化反应和太阳的组成元素丰度。太阳光谱中又长又粗的线条代表氢元素和氦元素,其他的线条各代表一种重元素。如果有人来自另一个宇宙,组成他的原子和分子会有特定的吸收和发射信号,这些信号可能同地球上的有所不同。(奈杰尔·夏普,美国国家光学天文台/基特峰国家太阳观测台/大学天文研究协会/美国国家科学基金会)

但是如果外星人与我们存在更基础的差别呢?如果他们宇宙中的物理定律同我们的完全相悖呢?当然,进行物质/反物质,基本常数的测试是很重要的,但这些测试并不能完全描述全异的宇宙间的区别。

比如说,外星人宇宙中可能存在与我们不同的基本力、粒子和相互作用。他们也许由一些类似物质、反物质甚至某种全新的材料组成。如果他们已经掌握了宇宙间的旅行技术,那么很有可能他们知道比我们更多的基本物理知识。或许我们向外星人分享我们所知的,他们也会同我们分享他们的知识进而取代我们的认知?

图解:粒子物理的标准模型可以解释四种基本力中的三种(除了重力)、全部已被发现的粒子和粒子间的所有相互作用。通过对撞机实验能否再发现地球上的其他粒子或相互作用是一个存在争论的话题,这些定律和法则是否适用于其他宇宙现在依然还是未知。(现代物理教育项目/美国能源部/美国国家科学基金会/劳伦斯伯克利国家实验室)

我们发现的四种基本力在更高的能量下可以统一成一种吗?我们已经知道电磁相互作用力和弱相互作用力在一定温度(10^18 K)下可以统一,在更高的温度下强相互作用力或者万有引力也能会统一。

那么在其他宇宙中又是怎样的呢?即使其他宇宙中的基本作用力同我们相同,相互作用力间的统一或裂分规律也同我们一样吗?其它宇宙中的统一破坏发生温度同我们的相同还是不同?这些基本问题可能使粒子遵循的规律产生巨大的不同,在我们与外星人的致命接触发生之前,我们需要知道问题的答案。

图解:统一的观点认为,标准模型中的三种力,甚至还包括有重力,在更高的能量下将会统一在一个框架中。这个强而有力的观点吸引了许多人进行研究,但仍是一个未能被证实的推测。但是,许多物理学家相信这是一个重要的了解自然的途径,而且这个观点催生了一些有趣的可被检测的预言。甚至这个结论在一些宇宙中使用而在另一些中不适应。(© ABCC AUSTRALIA 2015 NEW-PHYSICS.COM)

外星人是同我们一样的三维生物还是活在不同维度?

如果外星人像我们的上帝一样——拥有比光还快的瞬间移动能力,可以接触到我们身体内部让我们的内部器官重新排列,将我们拉出我们认知为存在的空间(进入更高的维度)——那么他们似乎可以到达四维或更高维度的空间,不同于我们一致的三维空间。另一方面,如果他们存在于二维或更低维度的空间,我们则将对他们扮演类似上帝的角色。我们宇宙的维数非常有限而且经过准确测量,但我们仍不知道其他宇宙中的维度。

图解:如果存在更高的维度,它们在尺寸上必定非常小。即使是允许范围的最大值,在大型强子对撞机创造的黑洞的衰变时间仍不到一秒。但如果真的存在其他维度,进入我们的三维宇宙,通过第四空间维度穿越,再次进入时空中完全不相关的一点将成为可能。如果其它宇宙中生命占有的空间维度不是3,我们也能够发现。(今日费米实验室)

其他宇宙中质量的意义同我们宇宙中的意义相同吗?我们有一个大胆的方法来检验:通过爱因斯坦等效原理。如果对一个有质量的物体施加力,根据牛顿第二定律F=ma它将会产生加速度。

另一方面,如果你观察引力对一个有质量的物体的作用,它将会产生一个直接同物体质量相关的引力。在牛顿学说中引力表述为:F=GMm/r2,两个公式中m可以互换(广义相对论中情况更为复杂,空间是弯曲的,曲率产生加速度,但引力仍然同m成正比)。

图解:证明爱因斯坦的等效原理的一个例证是在加速火箭(左)和地球(右)上小球都会落向地板。虽然测量重力加速度和其他种加速度在单个点上没有表现出差别,但运动路径测量多个点将会产生区分,因为周围时空的重力梯度并不均匀。(维基共享用户马库斯·博塞尔,PBROK13修改)

但是这两种质量——F=ma中的惯性质量和引力质量——在所有宇宙中相同吗?或许在其它宇宙中他们是非等价的?

如果是这样的话,就意味着在这两种不同的加速度间存在基本的区别。比如火箭产生的推力,可能通过宇宙使运动产生不同的变化,而不只是像在引力的影响下仅产生加速。引力和非引力产生的两种质量和加速度在我们的宇宙中被认为几乎完全相同,但我们不知道在其他宇宙中是否仍是如此。毕竟任何不被禁止的不同都可能不同。

图解:在一个空的、空白的3D网格,放入一个有质量的物体将使直线产生特定量的弯曲。在广义相对论中,我们认为时间和空间是连续的,但所有种类的能量,包括但不限于质量,将导致时空的弯曲。如果引力产生的加速度不同于惯性加速度,将会破坏等效原则。(克里斯托弗·维塔莱,网络和普瑞斯特学院)

当然,如果我们能做的只有寄出一条信息,那么最好发送一些简短且容易理解的信息。我们也许只要告诉他们“这个宇宙中包含电子”,然后传递给他们这句话的含义。如果我们同他们分享电子的电荷量,电子和原子核如何形成原子,原子跃迁产生的波长,不同基本粒子复合粒子的质量比,再加上一点有关CP破坏的信息,他们会立刻明白他们的规律和法则是否同我们的相同。

同这样一个外星人进行物理接触是否安全呢?假设他们已经掌握了宇宙间旅行的技术,那他们也将知道问题的答案。但是我们必须告诉他们我们知道的。如果这是不安全的,我们需要告诉他们信息,然后在我们做其他事情之前自己发现这种危险性。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

FY: 南北角

作者: Ethan Siegel

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