為什麼物理學家都不喜歡「多重宇宙論」?!

2021-01-15 造就


多重宇宙假說認為,我們的宇宙只是眾多宇宙泡沫中的一個。這個爭議性觀點的邏輯源頭是看似最無關痛癢的自然界景象:空無一物的空間(empty space)。



具體而言,多重宇宙假說是怎麼推導出來的呢?真空中瀰漫著微量到難以名狀的能量,它被稱為真空能量、暗能量或宇宙學常數。一立方米空間內的真空能量只夠一個燈泡亮一萬億分之一秒。然而考慮到泛過其間的所有物質場和能量場,真空能量至少應該比現在高萬億萬萬萬萬億倍。


用諾貝爾獎得主史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)的話來說,這「讓人如鯁在喉」。但不知怎的,這些場幾乎全部相互抵消,只留下一片寂靜。真空怎麼就這麼空呢?



這就是著名的「宇宙學常數問題」,雖然謎底尚未解開,但對人類的存在而言,真空的這種極端虛空似乎不可或缺。這種反引力作用哪怕再強一丁點兒,空間膨脹的速度就會過快,致使星系、行星或人類的構造無法形成。這種恰到好處意味著,宇宙可能有千千萬萬個,它們的真空能量各不相同,而我們恰好活在一個異常低能的宇宙中,因為在別的宇宙裡我們根本就沒有可能存在。


有的科學家對各種形式的「人擇原理」嗤之以鼻,很不待見多重宇宙假說,因為它無法驗證。即便那些不排斥多重宇宙觀點的,也巴不得繞過宇宙學常數問題,尋找別的探索途徑。但直到目前,拋開多重宇宙,這個問題幾乎無解。「暗能量問題太棘手、太難了,人們就連一兩個解決方案都拿不出來,」馬裡蘭大學理論物理學家拉曼·森德拉姆(Raman Sundrum)說。



要理解箇中原因,我們不妨考慮一下,真空能量究竟是什麼。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們:物質和能量決定了時空如何彎曲,而時空彎曲決定了物質與能量的運動形式。這個等式自帶一個推論:時空可以擁有自己的能量——即排除其他一切,最後剩下的那個常量,愛因斯坦稱之為宇宙學常數。


幾十年來,宇宙學家們一直將它的值默認為零,因為宇宙膨脹的速度相對穩定,至於為何如此,他們也不清楚。到1998年,天文學家發現,宇宙膨脹其實是緩慢加速的,這意味著,太空中可能瀰漫著一種排斥力。這種能量被稱為暗能量,而且,它勢必等於宇宙學常數。其存在導致了宇宙膨脹的不斷加速,因為宇宙膨脹形成新的空間,這種排斥力的總量也就隨之增加。



但一推算這種真空能量的密度,科學家就發現,它跟量子場論(粒子物理學理論)中的真空產生了衝突。當沒有粒子激發泛過其間時,一個量子場就是空的。但根據量子物理學中的測不準原理,量子場的狀態從來都不是確定的,因此,其能量永遠不等於零。


試想這樣一個量子場:其在空間中的每一點都是一枚彈簧。每一刻,這些彈簧的長度不是比鬆弛狀態長,就是比鬆弛狀態短;不是處在壓縮狀態,就是處在拉長狀態,因此,它們永遠都在運動,因而擁有能量。這被稱為量子場中的零點能量。物質場的零點能量為負,而能量場的零點能量為正。這些能量做個加減,就得出了真空總能量。


真空總能量應該大致等於參與加減的那個大頭。


打個比方,別人給你1萬塊錢,你花去100,或從沙發縫裡挖到三塊,最後,你手裡差不多還是1萬。然而,我們觀察到的宇宙膨脹速度顯示,它的值比某些零點能量值小了60到120個數量級,仿佛不知怎的,所有正負數值全都抵消乾淨了。


要為這種均衡態找一個物理機制,那可不簡單,原因有二。


真空能量唯一的作用是一種引力作用,因此,要抵消真空能量,需要的是一種引力機制。但在宇宙誕生之初,當這種機制發揮作用時,宇宙是那麼的小,相對於物質和輻射的總量,那點真空總能量簡直可以忽略不計。跟其他所有東西的引力比起來,真空能量的引力作用根本不夠用。


「這是宇宙學常數問題最大的難點之一,」2007年時,物理學家拉斐爾·布索(Raphael Bousso)這樣寫道。他說,在早期宇宙環境下,一個引力反饋機制要精準地調校真空能量,「大致就好比一架飛機在風暴之中,沿著精確到原子的預定路線飛行。」


綜合這些難點,量子場論計算顯示,在大爆炸發生之後不久,隨著宇宙開始冷卻,真空能量的值應該發生階段性的轉變。這就引出一個問題:這種假定的完全抵消真空能量的機制出現於何時,是在這種轉變發生之前,還是之後?該機制又怎麼知道其作用該有多大,才能恰好將其抵消?


到目前為止,因為這些障礙的存在,要是不訴諸多重宇宙這個「抽獎系統」,「真空之空」就難以得到解釋。


但近年來,一些研究人員探索起了另一條可能的途徑:如果宇宙不源於一場大爆炸,而是在早期的一場收縮後,重新開始反彈,那麼處於收縮階段時的遠古宇宙肯定極其巨大,而且充斥著真空能量。也許當時,某些引力相關機製作用於充裕的真空能量,並隨著時間的流逝,將其自然稀釋。


在這一思路的啟發下,物理學家彼得·格雷厄姆(Peter Graham)、大衛·卡普蘭(David Kaplan)和蘇吉特拉·金德倫(Surjeet Rajendran)開拓了一種新的「宇宙大反彈」模型,只是他們還需進一步證明:在宇宙收縮時,那個真空稀釋過程具體是如何進行的。



在一封電子郵件中,布索稱這些人的方法「值得一試」,是「面對一個重大難題所做的有理有據的誠實抗爭。」但他也表示,這個模型中仍存在巨大的缺口,而「彌補這些缺口所面臨的專業障礙不可小覷。這種理論的構建已經是一臺魯布·戈德堡機器,等到這些缺口被填滿時,它只會更加錯綜複雜。」布索和多重宇宙假說的其他擁躉都認為,多重宇宙的答案相對更為簡潔。

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