为什么我们生活在一个多重宇宙中?

释放双眼,带上耳机,听听看~!
我们的宇宙有没有可能仅仅是众多宇宙中的一个?有越来越多的证据正在支持这个观点……

Giles Sparrow 文 Shea 编译

我们的宇宙有没有可能仅仅是众多宇宙中的一个?有越来越多的证据正在支持这个观点……

你是否曾经畅想过,假如你做出了不同的决定,现在的生活会是什么样子?如果你向右走,而不是向左走呢?你也许永远也不会知道这些可能性,但不可思议的是,所有这些“假如”的情况会在其他地方上演。这是因为在过去的几年中,“多重宇宙”的想法得到了越来越多的支持,它认为我们的宇宙只不过是无数宇宙中的一个而已。那么,多重宇宙是如何产生呢?其中的宇宙之间又有着怎么样的相似性或者差异呢?

对于很多人来说,“多重宇宙”这个词让你构想出许多相互平行的现实,其中一些和我们的只有着细微的差别。而事实上,量子力学的“多重世界”解释确实预言了这种类型的多重宇宙。量子力学虽然很“奇特”,但它却是迄今描述微观世界的最成功理论。在多重世界中,每一个可能的量子态都会分叉发育成一个新的宇宙。换句话说,物理上每一个可能的动作、每一种可以采取的选择,都可以并且会在其他地方发生。

为什么我们生活在一个多重宇宙中?

这样的平行宇宙也许存在,可能有一天真的会发现能佐证量子力学这一“多重世界”解释的证据。然而,这些平行宇宙是永远也无法被观测到的,它们以一种我们几乎无法理解的方式独立于我们的宇宙。宇宙学家们所感兴趣的则是更为具体的多重宇宙——虽然超出了我们所在宇宙的现实,但仍然是可知的。

我们的宇宙拥有一个视界,它类似于地球上的地平线。如果你身处大海中的一个小岛之上,当你爬到它的最高点时,你所有看到的最远距离是有限的,你无法直接看到远在地平线之外的东西。但是,你仍有可能获得有关这些东西的信息,例如漂来的漂流瓶。你可以了解发生在地平线之外的事情,因为来自它的各种信号可以抵达你所在的小岛。

在我们的宇宙中,它的“地平线”——被称为视界——要比地球上的远的多。实际上,它在每个方向上到我们的距离都达到了约465亿光年。光速有限——299 792 458米/秒——和宇宙自大爆炸创生以来一直在膨胀是形成这一“边界”的两大原因。根据目前最好的测量结果,宇宙大爆炸发生于138亿年前,因此我们所能看到的物体其所发出的光必须要在这个时间之内抵达我们。

事实上,由于极早期宇宙的密度极高,大爆炸之后会形成的一个极其明亮但不透明的火球,经过大约40万年的冷却之后它才变得透明。随着宇宙空间的膨胀,从这个火球所发出的光被拉伸成了不可见的微波辐射,形成了我们可以直接观测到的最遥远物体,被称为宇宙微波背景辐射。它在寻找多重宇宙的证据中发挥了关键的作用。据估计,微波背景辐射的确切距离为465亿光年。尽管最遥远的光已传播了138亿年,但在光传播的过程中,空间也在一直膨胀。

我们不知道视界之外是什么,但我们可以从可见的东西进行外推。在这些大尺度上,宇宙是非常均匀且各向同性的,意味着在我们可见的每个方向上、在我们可见的每个地方,宇宙都是完全一样的。因此,绝对存在一个比我们所能看到的更为广阔的宇宙,但它也许和我们的并没有什么不同。这正是现代宇宙学的一个基本假设,即宇宙学原理。

这些遥远的时空究竟能延伸出去多远是一个饶有兴趣的问题,它取决于时空本身的形状。不同的估计认为,宇宙的真正大小可以从可观测宇宙的约250倍大(假设宇宙是闭合的)到无穷大(假设宇宙空间是平直或开放的)不等。然而,延伸出去的空间属于一个更为广阔的宇宙,而这个宇宙和我们的在本质上是相似的。事实上,如果宇宙真的是无穷的,或接近无穷的,我们可以预期,在宇宙中必定存在一个极其遥远的地方,那里会和我们的可观测宇宙完全一模一样。

这些“复本”宇宙——以及生活在其中你我的复本——距离我们有多远呢?我们的可观测宇宙有着465亿光年的半径,包含有10^118个粒子。试着想像一下这些粒子在可观测宇宙中所有可能的排列组合,粗略地计算可以得到有10的10后面加118个零次方的可能性。虽然这个数字看上去很大,但如果宇宙真是无穷大的,那么它就会有足够的空间来使得其中的粒子一次又一次地重复我们宇宙的特定组成。

如果还有另一种类型的多重宇宙又会怎么样呢?在这些多重宇宙中有一个和我们的宇宙截然不同。这正是令许多宇宙学家所着迷的,在它背后有一个核心概念,被称为“永恒暴胀”。

 

不同类型的多重宇宙

从不可见的时空区域到复杂的结构,多重宇宙有4个不同的级别

第1级:在那里存在一个完全一样的地球

最简单的多重宇宙是肯定存在的。宇宙起源的大爆炸模型预言,宇宙中的每一个点都被一个“哈勃”体积所包围。它的大小由宇宙膨胀的速率和自138亿年以来光线传播的距离所决定。在实践中,这意味着我们的哈勃体积是一个直径930亿光年的球体,但在超出我们可见的范围之外还存在着更为广阔的宇宙空间。如果宇宙几何形状是闭合的,由于空间会弯曲回来,因此哈勃体积是一个有限的数字。如果宇宙(似乎最有可能)是开放的,则可能存在着无穷多个哈勃体积,它们每一个都包含有一个宇宙。这意味着在外面的某个地方,存在着一颗几乎和地球完全一样的行星。

第2级:我们不可及的膨胀宇宙

弦理论是一个旨在解释粒子物理学基本规律的潜在的大统一理论。它认为时空至少有10维,在我们的宇宙中我们只能感知到其中的4维:3维空间和1维时间。其他的维度则彼此紧紧地蜷缩在一起,使得我们无法探测到它们。但是,我们的维度结构或相仅仅是许多种可能性中的一个。给予适当的条件,新的相就能从一个已经存在的相中创生出来,然后以光速膨胀,这意味着它们是完全不可及的。永恒暴胀理论为形成无穷多个有着不同维度和物理学定律的宇宙泡提供了可能。

第3级:在那里存在你的未来

根据量子力学的“多重世界”解释,即使是在最小的微观尺度上,在可能的结果之间,每一个决策点都会使得宇宙分叉成2个相互之间不可见的现实。这个构建多重宇宙的惊人想法并非来自弦理论,而是建立在无限维希尔伯特空间之上。虽然你可能会想象多重世界解释能够形成比宇宙泡模型更多样的多重宇宙,但现实的情况是,由于所有的多重宇宙都是无限的,在不同类型的多重宇宙中都会出现同一变体。此外,一些物理学家甚至认为,如果量子力学能以某种方式奏效,那么多重宇宙的多重世界版本在形式上可以等同于更简单的版本。

第4级:最奇怪的宇宙

假如多重宇宙是对我们自己所在宇宙的扩展,包含有一系列相互关联的宇宙泡,或者是无穷维的分支结构,那么所有这些“低级别”的多重宇宙仅仅是更广阔的“终极集合”的一部分。它把所有可能的多重宇宙——无论它们叫什么——都囊括进了一个纯数学的描述中,因此包含所有低级别的多重宇宙,外加仍有待发现的任何其他类型。然而,这仅仅是半哲学论证的一部分,整个多重宇宙是一个数学结构,在其中有意识的实体可以感知物理上的“真实”世界。

在日常生活中,我们熟知物质的物态,或者称为“相”。例如,水分子可以是液态的水、固态的冰或气态的水蒸汽。但在基本物理学中,不单单物质具有相,我们周围的一切——包括时空本身——都具有相。诸如弦理论这样的高能物理学理论预言存在大量的相,当然这些相之间的差异要远远的超过水与冰之间的差别。不同的相可以拥有不同的物理学规律。例如,在某些相中会不含有构成我们宇宙的基本粒子,比如电子和夸克;在另一些相中,电子和夸克则可能具有不同的形式和性质,比如电荷和质量。这些相是目前最前卫宇宙学理论的共有特征。

不同相之间可以具有不同的性质,其中之一便是“真空能”的强度,它弥漫于整个空间中。在过去的几十年中,天文学家已经发现了强有力的证据表明,在我们的宇宙中存在少量的真空能,被称为“暗能量”。正是它在驱动宇宙加速膨胀,否则宇宙的膨胀速率会不断地减慢。在其他的相中,真空能可以不存在,或者强得多,又或者甚至具有负值。这是在多重宇宙中创造出新宇宙的关键。如果所有这些不同相都可以存在,那么它们之间就可以转换,就像有冰、水和蒸汽之间的变化。

在某个初始时刻,宇宙中每个地方都可以有一个相。具有不同相的区域就像香槟中的气泡,或多或少是呈随机分布的。这就像抛硬币,对于一个给定的相,它的真空能要么为正,要么为负,但其中总有一些会是正的。如果真空能足够大,那么这个宇宙泡就会指数式地膨胀,在几分之一秒的时间里大小就会翻番,再翻番,并依此类推下去。因此,在这些区域中空间会发生爆炸。如果这些相本身是不稳定的,那么宇宙泡就会在它们之中形成。这就是宇宙学家所说的永恒暴胀。这是一个相当令人兴奋的概念。

如果它是正确的,那么我们可能就位于这些宇宙泡中的一个。在这个宇宙泡之外,则有可能存在非常奇特的东西,例如极高速的暴胀、存在着不同的物理学定律,甚至还可能有着不同的维度。一旦你越过了我们所在宇宙泡的边界,多重宇宙绝对不会是平淡无奇且各向同性。永恒暴胀可以解释有关我们宇宙的最大谜团之一。

为什么我们生活在一个多重宇宙中?

我们宇宙的特性似乎是为生命而精确调校过的。例如,如果引力常数稍稍增强一点,或者电子的电荷稍稍减小一点,又或者把粒子束缚在一起的力稍稍减弱一点,那么恒星和行星就将无法形成,我们也就不会在这里了。一切都刚刚好,增之一分则太长,减之一分则太短,至今还没有人能解释这是为什么。但是,如果存在着无穷多个宇宙泡,它们有着不同的特性,那么其中就必然会有一个宇宙——我们自己所在的宇宙,那里的各种特性都恰到好处,由此可以解释我们为什么能存在。

当然,最大问题的之一是,我们是否能望能找到支持这一理论的证据,或者在最坏的情况下能否定它——这是检验一个理论是否真的是科学的关键,在技术上被称为“可证否性”。对于多重宇宙理论的普遍批评就在于其既不能被证实、也不能被证否。

多重宇宙其实也具有可观测的效应。如果其他的宇宙泡和我们的靠得足够近,那么它就会和我们的宇宙泡发生碰撞。以现有的技术来探测这一现象绝对还有很长的路要走,但并非不可能。事实上,你可以计算出这一现象看上去会是什么样的,于是也就知道了要寻找什么。因此,多重宇宙具有可检验的预言,而这也使得它是可证否的。它预言我们宇宙泡的空间几何是开放的。如果对宇宙几何形状的测量显示它是封闭的,就能否定这个理论。

那么,与另一个宇宙泡的碰撞会在我们的宇宙中留下什么样的痕迹呢?如你所料,两个宇宙间的碰撞无疑是非常剧烈的事件。

宇宙泡的外壁是非常“坚硬”的,运动的速度则非常接近光速,因为有作用力在驱动它们膨胀。这些宇宙泡会自然而然地膨胀,“吃掉”它周围的真空能。这些能量会被转换成外壁的动能,因此它们会不断加速,运动得越来越快,直至发生相撞。其结果是大量的能量注入到我们自己的宇宙泡中,它们会传播到我们宇宙的每一个角落,被称为“宇宙余迹”。我们宇宙中的所有东西都会受到影响,但受影响最严重的是宇宙微波背景辐射。这正是科学家们想要寻找的,因为它是最古老且最遥远的辐射,所以受这一事件影响的时间也最长。

大多数的计算机模拟结果显示,宇宙泡间的碰撞会在或多或少呈随机分布的宇宙微波背景辐射中留下一个温度稍高的环形结构和一个偏振图案——和在随机平面内振荡的微波不同,那里的振荡都指向特定的方向。

 

多重宇宙中的生命

确认多重宇宙的存在可能会提出一些关于生命起源和我们在宇宙中位置的有趣问题。据我们目前的认识,我们宇宙的物理学定律精妙得让人起疑——物理常数中的任何一个若出现微小的变化就会使得液态水变得非常罕见,导致复杂的有机化学反应变得无法进行,或使得物质无法聚集到一起。对这个问题的通常科学解释被称为“弱人择原理”。简单地说,如果宇宙定律不具有我们所观测到的特有行为,那么我们就不会存在进而观测到它们,因此也就不会如此惊讶了。与此同时,各种“强人择原理”则更进了一步假设,出于某种原因,宇宙必然会演化出对生命有利的参数特性。借用一个量子理论的想法,这甚至可能是因为,存在有自我意识的观测者是宇宙存在的一个前提。

如果我们所在的这个宇宙仅仅是无穷多个多重宇宙——尤其是“永恒暴胀”或“多重世界”下的多重宇宙——中的一个,就可以显著地改变这场辩论中的论据。一个宇宙拥有和我们相同的参数的概率从极不可能到确定无疑不等,而与此同时其他出现任何其他参数组合的概率也是如此。那么,在这些其他的宇宙中也存在生命吗?一些科学家认为,其可能性也许远比此前认为得还要更高。采用计算机模拟来研究有着不同基本常数的宇宙的演化,结果发现稳定的物质形式和碳化学反应在许多极端的情况下仍能出现。

到目前为止,天文学家还没有发现任何有关这一碰撞的有力证据,但在宇宙微波背景辐射中确实存在一些异常现象,似乎和宇宙泡间的碰撞有关。当然,很少有人会真把这些异常当成是证据。然而,想象一下,兴许真的有某些东西其实就在我们可探测的边缘。它们会在测量阈值附近产生一些异常现象,一开始没人会把它当回事,但你也不能排除这种可能性。眼下,科学家们正在等待由普朗克卫星所测量的全天宇宙微波背景偏振图。它有别于宇宙微波背景辐射的温度分布图,特定类型的宇宙泡碰撞会在偏振图中留下截然不同的信号。

如果我们的宇宙真的是多重宇宙中无穷多个宇宙里的一个,这对宇宙学的影响将是极其巨大的。届时,138亿年前创生出时间和空间的那一刻,其实仅仅是某一个特定的相出现并开始膨胀的时刻。这时探究大爆炸之前是什么也变得具有了意义。但是,在这个过程中,我们的将不得不面对另一个问题,多重宇宙也应该具有一个起源。如果确实如此,它应该位于不可知的遥远过去。

不过,对潜在的多重宇宙的研究仍然处于非常初步的阶段。科学家们现在专注于特定类型的宇宙泡碰撞,因为它们似乎是可以被探测到的最佳机会,然后除此之外可能还有其他一些值得探讨的东西。另一种可能是,探测多重宇宙需要现如今我们还无法企及的完全不同类型的观测,或者我们压根还没想出正确的办法。重要的是,探测多重宇宙是有可能的,一旦某件事情是可能的,我们就能发现一个聪明的办法来做到这一点。对此,我们真的还处于起步阶段。

不同类型的多重宇宙

从不可见的时空区域到复杂的结构,多重宇宙有4个不同的级别

第1级:在那里存在一个完全一样的地球

最简单的多重宇宙是肯定存在的。宇宙起源的大爆炸模型预言,宇宙中的每一个点都被一个“哈勃”体积所包围。它的大小由宇宙膨胀的速率和自138亿年以来光线传播的距离所决定。在实践中,这意味着我们的哈勃体积是一个直径930亿光年的球体,但在超出我们可见的范围之外还存在着更为广阔的宇宙空间。如果宇宙几何形状是闭合的,由于空间会弯曲回来,因此哈勃体积是一个有限的数字。如果宇宙(似乎最有可能)是开放的,则可能存在着无穷多个哈勃体积,它们每一个都包含有一个宇宙。这意味着在外面的某个地方,存在着一颗几乎和地球完全一样的行星。

第2级:我们不可及的膨胀宇宙

弦理论是一个旨在解释粒子物理学基本规律的潜在的大统一理论。它认为时空至少有10维,在我们的宇宙中我们只能感知到其中的4维:3维空间和1维时间。其他的维度则彼此紧紧地蜷缩在一起,使得我们无法探测到它们。但是,我们的维度结构或相仅仅是许多种可能性中的一个。给予适当的条件,新的相就能从一个已经存在的相中创生出来,然后以光速膨胀,这意味着它们是完全不可及的。永恒暴胀理论为形成无穷多个有着不同维度和物理学定律的宇宙泡提供了可能。

第3级:在那里存在你的未来

根据量子力学的“多重世界”解释,即使是在最小的微观尺度上,在可能的结果之间,每一个决策点都会使得宇宙分叉成2个相互之间不可见的现实。这个构建多重宇宙的惊人想法并非来自弦理论,而是建立在无限维希尔伯特空间之上。虽然你可能会想象多重世界解释能够形成比宇宙泡模型更多样的多重宇宙,但现实的情况是,由于所有的多重宇宙都是无限的,在不同类型的多重宇宙中都会出现同一变体。此外,一些物理学家甚至认为,如果量子力学能以某种方式奏效,那么多重宇宙的多重世界版本在形式上可以等同于更简单的版本。

第4级:最奇怪的宇宙

假如多重宇宙是对我们自己所在宇宙的扩展,包含有一系列相互关联的宇宙泡,或者是无穷维的分支结构,那么所有这些“低级别”的多重宇宙仅仅是更广阔的“终极集合”的一部分。它把所有可能的多重宇宙——无论它们叫什么——都囊括进了一个纯数学的描述中,因此包含所有低级别的多重宇宙,外加仍有待发现的任何其他类型。然而,这仅仅是半哲学论证的一部分,整个多重宇宙是一个数学结构,在其中有意识的实体可以感知物理上的“真实”世界。
多重宇宙中的生命

确认多重宇宙的存在可能会提出一些关于生命起源和我们在宇宙中位置的有趣问题。据我们目前的认识,我们宇宙的物理学定律精妙得让人起疑——物理常数中的任何一个若出现微小的变化就会使得液态水变得非常罕见,导致复杂的有机化学反应变得无法进行,或使得物质无法聚集到一起。对这个问题的通常科学解释被称为“弱人择原理”。简单地说,如果宇宙定律不具有我们所观测到的特有行为,那么我们就不会存在进而观测到它们,因此也就不会如此惊讶了。与此同时,各种“强人择原理”则更进了一步假设,出于某种原因,宇宙必然会演化出对生命有利的参数特性。借用一个量子理论的想法,这甚至可能是因为,存在有自我意识的观测者是宇宙存在的一个前提。

如果我们所在的这个宇宙仅仅是无穷多个多重宇宙——尤其是“永恒暴胀”或“多重世界”下的多重宇宙——中的一个,就可以显著地改变这场辩论中的论据。一个宇宙拥有和我们相同的参数的概率从极不可能到确定无疑不等,而与此同时其他出现任何其他参数组合的概率也是如此。那么,在这些其他的宇宙中也存在生命吗?一些科学家认为,其可能性也许远比此前认为得还要更高。采用计算机模拟来研究有着不同基本常数的宇宙的演化,结果发现稳定的物质形式和碳化学反应在许多极端的情况下仍能出现。

[All About Space 2015年总第46期]

 

内容来自 火流星

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