未知之境:我们的宇宙之外,存在不同的新世界吗?

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天文在线谈录:多元宇宙和未来的路

  

  图片来自pixabay。

  “多元宇宙”这个词被很多人使用,但是表意可能各不相同。读者克里斯·奥尔森(Chris Olson)特意咨询了两种不同的含义:

  “埃弗雷特(Everettian)量子力学和永久膨胀的观点到底有什么关联? 我们能对多元宇宙中的每个个体进行区分吗?”

  对于“多元宇宙”(multiverse)和“宇宙”(Universe)的理解有很多不同的观点,因此让我们仔细研究一下,大胆假设、小心推断。

  1.)宇宙远比人类观测到的大。

  当我们说“宇宙”时,通常指的是我们可以观察到的宇宙。因为我们所知的宇宙始于一个被称为热宇宙大爆炸的事件——一个热的、致密的,充满物质和辐射的宇宙出现了并开始膨胀。然后,在其自身引力的作用下,冷却、坍塌成团块。这一事件大约发生在138亿年前,虽然我们的观测能力有限,而大爆炸信号可能恰好在那一瞬间出现,并且一直以光速穿过不断膨胀的宇宙而无阻碍地传播,然而信号可以传播的距离毕竟有限。在我们拥有正常物质、暗物质、暗能量、中微子,辐射以及我们所知的一切物质的宇宙中,人类能观测到的半径已经到461亿光年了。

  

  图片提供:维基共享(Wikimedia Commons),由本文作者注释。

  但是没有理由相信那里没有更多的宇宙,也没有足够的时间让不可观察的宇宙的光信号到达我们身边。随着时间的流逝,越来越多的宇宙将在我们的有利位置向我们展开,甚至包括暗能量。但是还有多少呢?根据观察到的空间曲率与我们看到的空间相比,存在的空间在所有维度上至少是其250倍,这意味着宇宙的空间(以及物质)体积为(250^3)或超过一千五百万倍。它可能甚至是无限的,尽管我们不确定。但是,这应该是多元宇宙理论中最保守的版本了:可能会有更多类似我们的存在….

  

  图片来源:波克等,本文作者修改。

  2.)当膨胀结束时,宇宙中不同的“口袋”。

  大爆炸可能是所谓的“我们的”宇宙的起点,但不可能(也不准确)向后推断到任意的热的、致密的状态。相反,我们(从宇宙微波背景中)知道,宇宙在大爆炸中达到的最高温度不超过约10 ^ 30K。现在,这是一个很大的数字,但还不足以达到普朗克尺度,奇异性或导致我们所知的物理定律崩溃。它告诉我们的一件事是,在大爆炸之前还有其他事情,这与我们认为的建立它的初始条件一致:宇宙膨胀。从根本上讲,膨胀是宇宙发生在大爆炸之后初期的一个时期,大致经过以下过程:

  伸平;

  清空膨胀结束前产生的所有遗留颗粒;

  温度和能量密度均一化;

  波动范围稳定。

  宇宙膨胀就像一个滚下山坡的球,只是一个量子球,因此在每个位置都有(或没有)滚下山坡的概率。

  

  图片源自作者。当球滚入山谷时,膨胀结束(顶部)。但是宇宙膨胀属于量子领域(中间),随着时间的流逝而扩展。尽管许多空间区域(紫色,红色和青色)将结束宇宙膨胀,但还有更多的区域(绿色,蓝色)将继续宇宙膨胀,这可能会导致永恒(底部)。

  在宇宙膨胀停留在山顶而不是向下滚动的地方,宇宙膨胀继续,从而创造了越来越多的(膨胀)空间。沿斜坡向下的地方,宇宙膨胀告一段落,产生炙热的大爆炸。尽管在138亿年前,宇宙膨胀在我们所在的太空区域已经结束,但期望宇宙其他区域都消除膨胀是不合理的。 相反,某些空间区域将继续永远膨胀。 只要空间膨胀的速度大于宇宙膨胀结束的速度(在所有工作模型中都是如此),就会有其他无数的“大爆炸”发生,宇宙膨胀也将在那些区域继续发生。

  

  图片来源作者。在任何给定时间内,即使某一区域中的膨胀在50%以上(用红色X表示)时停止,但仍有足够多的区域持续不断地扩张,以至于宇宙膨胀持续了永恒,且没有两个宇宙发生过碰撞。

  上方红色的X表示宇宙膨胀确定结束的地区(例如我们所在的地区),但是有无数个地方宇宙膨胀即将结束。这比附图1中给出的“超越我们所能看到的更多宇宙”的范围更大。这也是克里斯提到的多重宇宙中的第一要点:永恒的宇宙膨胀。

  3.)“多元宇宙”概念的使用位置不同能得到不同的版本。

  在我们可观测的宇宙中,大约有10 ^ 90个粒子(包括光子和中微子),它们都与许多其他粒子发生了相互作用和碰撞。它们有自己的位置和动量,以及自己独特的历史,大约有10^28颗粒子联合起来造就了我们每一个人。如果我们采用宇宙膨胀期间的预期空间扩张率,并允许宇宙整个历史(138亿年)中的大部分空间都以该速率扩张,那么我们可以计算出有多少个可能与我们的宇宙相似的宇宙存在。

  

  我们可观察到的宇宙的历史。图片来源:欧空局和普朗克研究所,由作者修改以确保正确性。

  这是一个很大的数字! 实际上,我们说的是至少10 ^ 10 ^ 50个宇宙具有与我们非常相似的初始条件。那是10 ^ 100000000000000000000000000000000000000000000000000000000个宇宙,这可能是您可以想象的最大的数字之一。然而,还有更大的数字描述粒子相互作用有多少可能的结果。请记住,如果您想获得一个完全相同的人,则需要整个宇宙的历史以与我们的完全相同的方式展现,包括您要作出的每一个选择:

  接这份工作;

  买那房子;

  亲吻你喜欢的人;

  或您所做(或未做出)的任何其他决定。

  我们的宇宙中有很多粒子:大约10 ^ 90个。每当两个粒子相互作用时,不会仅出现一个结果,而是有整个量子光谱的结果出现。视情况而定,可能还有比(10 ^ 90)还多的结果,并且这个数目比像10 ^ 10 ^ 50这样的微不足道的数目大10googol倍。换句话说,任何宇宙中彼此相互作用的粒子可能产生的结果趋于无穷大,这比因为膨胀而增加的可能的宇宙数量更快。可能需要膨胀在我们的大爆炸之前永远持续下去,才有可能做到这一点,这将违反波尔德-古斯-维伦金奇点定理,该定理表明膨胀不可能像过去那样完整。换句话说,这似乎不太可能。

  量子力学的一种解释(德布罗意-博姆)中的量子轨迹。 来自维基百科,克尔兹斯托夫·扎伊奇科夫斯基进行修改。

  4.)在不同的口袋宇宙中纠缠在一起的你。

  这是克里斯问题的第二部分:关于埃弗雷特量子力学的部分。假设选项3是正确的,并且在多元宇宙的其他口袋中还有其他版本,它们是否纠缠在一起?量子物理学易于解释,这意味着有许多不同的方法(或观察方法)给出相同的答案。例如,量子系统要么具有随时间扩展的波函数,要么在发生相互作用时瞬间崩溃,或者当我们沿着这条路径前进时,可能会从中选择一种可能的结果。休·埃弗里特(Hugh Everett)的解释——量子力学的多世界解释——认为那里存在着无限数量的平行宇宙,并且每当做出决定时,我们就会沿着其中的某些路径而不是其他路径走下去。因此,那里有宇宙,你在哪里(或没有)接受这份工作,在哪里(没有)买那套房子,在哪里(也没有)在关键时刻亲吻你的爱人等等。

  

  图片来源:维基百科用户克里斯蒂安·席尔姆。

  即使确实存在无限数量的宇宙,也没有办法在它们之间造成明显的纠缠,尽管这不会阻止人们进行推测。这是另一种无法检验的可能性,并且它需要许多非常特殊的假设。但是,如果需要的话,我们甚至可以进一步走到多元宇宙的兔子洞。

  5.)不同的宇宙具有不同的物理定律。

  这是一个更具推测性的假设,假设是:当宇宙膨胀结束时,有多种方法可以结束宇宙膨胀,从而导致我们目前所居住的宇宙的物理定律和/或基本常数不同。 这将是一个多元宇宙,其中的某些部分会塌陷,而其他部分则膨胀得如此之快,以至没有恒星或星系形成。有些没有暗物质,而另一些都暗物质;其中有些具有更大或更小的或者甚至是负的宇宙学常数。甚至可能还有宇宙,它们具有与我们自己完全不同的粒子和相互作用。而我们没有办法对此进行测试。

  

  在荒地国家公园,南达科他州的丘陵景观。通过goodfreephotos获得的公共图片;水滴将流到底部位置的每个“最小值”都代表了物理定律和/或基本常数的不同可能结果。

  从我们观察到的结果来看,我们非常确定上述第一个观点是正确的:宇宙远比人类观测到的大。根据对宇宙膨胀的了解,我们可以确定上述第二个观点也是正确的:在我们宇宙之外的空间区域,宇宙膨胀在不同的时间结束,每个区域都有自己的大爆炸,以及膨胀仍然存在的区域持续不断的发展,并将在未来永存。从我们对不同无限性的了解可知,上述第三个观点是不正确的,因此上述第四个观点也是不正确的。第五个观点呢?许多人对此表示接受,但没有证据表明它是无法检验的,而且宇宙膨胀率远低于普朗克尺度的事实使我们有充分的理由怀疑这是否可能。(然而,许多人将继续看好它,而无需再三思。)毫无疑问,多元宇宙几乎是真实存在的,但是您所接受的多元宇宙的版本在宇宙中是所有不同的。

  作者: Ethan Siegel Senior Contributor

  FY: 3×shan

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