多重宇宙探索:宇宙是否有多個?哪些理論能為這一說法提供支撐?

2021-01-11 網易

  你是否曾經想過,曾經的某個決定如果做了另一種選擇,現在的生活是什麼樣子?這些「假如」有沒有可能在其他地方上演?在過去的幾年中,多重宇宙的想法得到了越來越多的支持,根據這個假設,我們的宇宙只不過是無數宇宙中的一個。那麼,多重宇宙是如何產生呢?其中的宇宙之間又有著什麼樣的相似性或者差異呢?

  多重宇宙會讓人構想出許多相互平行的現實,其中一些和我們的只有著細微的差別。量子力學的多重世界解釋確實預言了這種類型的多重宇宙。

  量子力學雖然很「奇特」,但它是迄今最成功的描述微觀世界的理論。在多重世界中,每一個可能的量子態都會分叉發育成一個新的宇宙。換句話說,物理上每一個可能的動作、每一種可以採取的選擇,都可以並且會在其他地方發生。

  

  這樣的平行宇宙也許存在,可能有一天我們真的會發現能佐證量子力學這一多重世界解釋的證據。然而,這些平行宇宙是永遠也無法被觀測到的,它們以一種我們幾乎無法理解的方式獨立於我們的宇宙之外。

  宇宙學家感興趣的是更為具體的多重宇宙——雖然超出了我們所在宇宙的現實,但仍然是可知的。

  我們的宇宙擁有一個視界,類似於地球上的地平線。如果你身處大海中的一個小島,當你爬到它的最高點時,你能看到的最遠距離是有限的,你無法直接看到遠在地平線之外的東西。但是,你仍有可能獲得有關這些東西的信息,例如漂來的漂流瓶。你可以了解發生在地平線之外的事情,因為來自它的各種信號可以抵達你所在的小島。

  在我們的宇宙中,它的「地平線」即視界,要遠得多。實際上,它到我們的距離在每個方向上都達到了約465億光年。光速有限和宇宙自大爆炸創生以來一直在膨脹是形成這一邊界的兩大原因。

  根據目前最準確的測量結果,宇宙大爆炸生於138億年前,因此我們所能看到的物體發出的光必須要在這個時間之內抵達我們。

  事實上,由於極早期宇宙的密度極高,大爆炸之後會形成的一個極其明亮但不透明的火球,經過大約40萬年的冷卻之後它才變得透明。隨著宇宙空間的膨脹,從這個火球發出的光被拉伸成了不可見的微波輻射,目前,它是我們可以直接觀測到的最遙遠的物體,被稱為宇宙微波背景輻射。它在尋找多重宇宙的證據中發揮了關鍵作用。據估計,微波背景輻射的確切距離為465億光年。

  最遙遠的光已傳播了138億年。在光傳播的過程中,空間也在一直在膨脹。

  我們不知道視界之外是什麼,但我們可以從可見的東西進行推測。在這些大尺度上,宇宙是非常均勻且各向同性的,意味著在我們可見的每個方向上、在我們可見的每個地方,宇宙都是完全一樣的。

  因此,絕對存在一個比我們所能看到的更為廣闊的宇宙,但它也許和我們的並沒有什麼不同。這正是現代宇宙學的一個基本假設,即宇宙學原理。

  

  這些遙遠的時空究竟能延伸出去多遠是一個很有意思的問題,它取決於時空本身的形狀。不同的估計認為,宇宙的真正大小從可觀測宇宙的約250倍大(假設宇宙是閉合的)到無窮大(假設宇宙空間是平直或開放的)不等。然而,延伸出去的空間屬於一個更為廣闊的宇宙,而這個宇宙和我們的宇宙在本質上是相似的。

  事實上,如果宇宙真的是無窮的,或接近無窮的,我們可以預期,在宇宙中必定存在一個極其遙遠的地方,那裡會和我們的可觀測宇宙一模一樣。

  這些「副本」宇宙以及生活在其中你我的「副本」距離我們有多遠呢?我們的可觀測宇宙有著465億光年的半徑,包含有10118個粒子。試著想像一下這些粒子在可觀測宇宙中所有可能的排列組合,粗略計算,可以得到有10的10後面加118個零次方的可能性。雖然這個數字看上去很大,但如果宇宙真是無窮大的,那麼就有足夠的空間來使得其中的粒子一次又一次地重複我們宇宙的特定組成。

  如果還有另一種類型的多重宇宙又會怎麼樣呢?在這些多重宇宙中有一個和我們的宇宙截然不同。這正是令許多宇宙學家著迷的,在它背後有一個核心概念,被稱為「永恆暴脹」。

  在日常生活中,我們熟知物質的物態,或者稱為「相」。例如,水分子可以是液態的水、固態的冰或氣態的水蒸氣。但在基本物理學中,不單單物質具有相,我們周圍的一切,包括時空本身,都具有相。弦理論這樣的高能物理學理論預言存在大量的相。當然,這些相之間的差異要遠遠超過水與冰之間的差別。不同的相可以擁有不同的物理學規律。

  例如,在某些相中會不含有構成我們宇宙的基本粒子,比如電子和夸克;在另一些相中,電子和夸克則可能具有不同的形式和性質,比如電荷和質量。這些相是目前最前衛的宇宙學理論的共有特徵。

  不同相之間可以具有不同的性質,其中之一便是「真空能」的強度,它瀰漫於整個空間中。在過去的幾十年中,天文學家已經發現了強有力的證據,證明在我們的宇宙中存在少量的真空能,被稱為暗能量。正是它在驅動宇宙加速膨脹,否則宇宙的膨脹速率會不斷減慢。在其他的相中,真空能可以不存在,或者強得多,甚至具有負值。這是在多重宇宙中創造出新宇宙的關鍵。如果所有這些不同相都可以存在,那麼它們之間就可以轉換,就像冰、水和蒸汽之間的變化。

  在某個初始時刻,宇宙中每個地方都可以有一個相。具有不同相的區域就像香檳中的氣泡,或多或少是呈隨機分布的。這就像拋硬幣,對於一個給定的相,它的真空能要麼為正,要麼為負,但其中總有一些會是正的。如果真空能足夠大,那麼這個宇宙泡就會指數式地膨脹,在幾分之一秒的時間裡大小就會翻番,再翻番,並依此類推下去。因此,在這些區域中,空間會發生爆炸。如果這些相本身是不穩定的,那麼宇宙泡就會在它們之中形成。這就是宇宙學家所說的永恆暴脹。這是一個相當令人興奮的概念。如果它是正確的,那麼我們可能就位於這些宇宙泡中的一個。在這個宇宙泡之外,則有可能存在非常奇特的東西,例如極高速的暴脹、不同的物理學定律,甚至還可能有不同的維度。一旦你越過了我們所在宇宙泡的邊界,就會發現多重宇宙絕對不會平淡無奇。永恆暴脹可以解釋有關我們宇宙的最大謎團之一。

  我們宇宙的特性似乎是為生命而精確調校過的。例如,如果引力常數稍稍增強一點,或者電子的電荷稍稍減小一點,又或者把粒子束縛在一起的力稍稍減弱一點,那麼恆星和行星就將無法形成,我們也就不會在這裡了。一切都剛剛好,增之一分則太長,減之一分則太短,至今還沒有人能解釋這是為什麼。

  但是,如果存在著無窮多個宇宙泡,它們有不同的特性,那麼其中就必然會有一個宇宙——我們自己所在的宇宙,那裡的各種特性都恰到好處,由此可以解釋我們為什麼能存在。

  

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