物理学家认为多元宇宙很可能存在,有稳固的理论基础

新浪科技 2022/2/28 10:12:24 责编:远洋

新浪科技讯 北京时间 2 月 28 日消息,据国外媒体报道,多元宇宙论是一个看起来很疯狂的假说,尚未经过直接且实际的检验。不过,尽管备受争议,但该假说其实有着很稳固的理论基础。

宇宙暴胀理论预测了多元宇宙的存在:无数的宇宙都经历了热大爆炸,但大爆炸发生的每个区域都是完全分开的,它们之间只有不断暴胀的空间。我们无法探测到其他宇宙,但在暴胀理论的背景下,多元宇宙的存在是不可避免的。

▲ 宇宙暴胀理论预测了多元宇宙的存在:无数的宇宙都经历了热大爆炸,但大爆炸发生的每个区域都是完全分开的,它们之间只有不断暴胀的空间。我们无法探测到其他宇宙,但在暴胀理论的背景下,多元宇宙的存在是不可避免的。

当我们观察今天的宇宙时,其实是在同时关注两个与宇宙自身有关的故事。第一个故事讲述了今天宇宙的面貌,包括其中所有的恒星和星系,它们如何聚集在一起,如何移动,以及由什么成分组成。这是一个相对简单的故事,是我们通过所能观察的宇宙了解到的。

另一个故事则讲述了宇宙如何形成今天的样子,其中包含了更多有待解开的谜题。当然,我们可以观察处于遥远距离的天体,从中了解宇宙在遥远的过去是什么样子:我们现在所接收到的光来自其最初发出的时候。但我们需要将这些观察与宇宙理论 —— 宇宙大爆炸框架内的物理定律 —— 结合起来,对过去发生的事情进行解释。在这一过程中,我们会看到一些令人惊奇的证据,表明大爆炸发生极短时间内还出现过一个阶段:宇宙暴胀。为了让暴胀理论符合我们所观察到的宇宙,有人给出了一个令人不安的附加条件:多元宇宙。接下来,就让我们来了解一下物理学家们为什么压倒性地认为多元宇宙很可能存在。

早在 20 世纪 20 年代,研究者就发现了压倒性的证据,表明天空中大量的螺旋状和椭圆形物体实际上就是星系本身,而且这些星系之间的距离正越来越远,其发出的光会被有序地转移到更长的波长。一开始,物理学家们提出了各种各样的解释,但都无法找到更有力的证据。最终被广泛接受的一个解释是:宇宙本身正在像一块发酵的葡萄干面包一样不断膨胀,而宇宙中包括星系在内的物体就如同葡萄干,随着宇宙(面团)膨胀而不断远离。

膨胀宇宙的“葡萄干面包”模型,星系(葡萄干)的相对距离随着空间(面团)的膨胀而增加。任意两个星系之间的距离越远,到接收到光的时候,观察到的红移就越大。由膨胀宇宙所预言的红移-距离关系在观测中得到了证实,并且与早在20世纪20年代就已经知道的事实相一致。

▲ 膨胀宇宙的“葡萄干面包”模型,星系(葡萄干)的相对距离随着空间(面团)的膨胀而增加。任意两个星系之间的距离越远,到接收到光的时候,观察到的红移就越大。由膨胀宇宙所预言的红移-距离关系在观测中得到了证实,并且与早在 20 世纪 20 年代就已经知道的事实相一致。

如果今天的宇宙仍在膨胀,其内部的辐射向更长的波长和更低的能量转移,那么过去宇宙一定更小、密度更大,同时也更均匀、更热。只要在这个膨胀的宇宙中存在任意数量的物质和辐射,从大爆炸理论就可以推导出三个明确而普遍的预言:

(1)一个大型的宇宙网,其中的星系随着时间的推移而增长、演变和聚集;

(2)一个低能量的黑体辐射背景,这是在炽热的早期宇宙中中性原子第一次形成时留下的;

(3)最轻元素 —— 氢、氦、锂及其各种同位素 —— 的特定比例,这些元素甚至存在于尚未形成恒星的区域。

所有这三个预言都被观测证实了,大爆炸理论也因此成为最主流的宇宙起源理论,而其他理论都被抛弃了。然而,大爆炸只描述了宇宙在其早期阶段的样子,并不能解释为什么宇宙具有这些性质。在物理学中,如果知道某个系统的初始条件和它所遵守的规则,你就可以非常准确地预测它未来将如何演变 —— 直到达到计算能力和系统固有不确定性的极限。

一个随宇宙加速膨胀而形成结构的模拟片段,呈现了暗物质丰富的宇宙中数十亿年的引力增长。请注意,纤维结构和较大的星团——形成于纤维的交叉处——主要是由暗物质产生的,常规物质只起着很小的作用。

▲ 一个随宇宙加速膨胀而形成结构的模拟片段,呈现了暗物质丰富的宇宙中数十亿年的引力增长。请注意,纤维结构和较大的星团 —— 形成于纤维的交叉处 —— 主要是由暗物质产生的,常规物质只起着很小的作用。

那么,大爆炸在开始时需要什么样的初始条件,才能形成今天的宇宙呢?根据目前科学家的发现,答案可能有点让人意想不到:

(1)必须存在一个显著低于(至少约 1000 倍)普朗克尺度的最高温度;在粒子物理和物理宇宙学中,普朗克尺度是指约 1.22×10^19GeV 量级的能量尺度,在这一尺度下,重力的强度变得与其他基本作用力相当,物理定律失效。

(2)宇宙诞生时,所有尺度的密度涨落幅度都大致相同。

(3)膨胀速率和物质能量总密度必须达到近乎完美的平衡:至少达到 30 位有效数字。

(4)所有位置 —— 甚至是不相关的位置 —— 的宇宙一定是在相同的初始条件下诞生的,包括相同的温度、密度和波动谱。

(5)宇宙诞生时的熵一定比现在低得多,低了几万亿倍。

如果这三个不同的空间区域从来没有时间加热,也不能共享信息或相互传输信号,那它们为什么都是相同的温度?这是大爆炸初始条件的问题之一;这些区域是如何达到相同温度的,或者它们最初就是如此?

▲ 如果这三个不同的空间区域从来没有时间加热,也不能共享信息或相互传输信号,那它们为什么都是相同的温度?这是大爆炸初始条件的问题之一;这些区域是如何达到相同温度的,或者它们最初就是如此?

简单来说,与初始条件有关的问题基本上就是在问:这个系统为什么会以这样的方式开始?我们只有两个选项。一个是求助于不可知的事物,说它就是这样的,因为这是它可能存在的唯一方式,我们无法进一步了解。另一个则是尝试找到一种机制,来建立和创造系统开始所需的条件。物理学家将第二个选项称为“诉诸于动力学”;换言之,我们试图设计一种机制,用于实现三个重要的目标:

(1)它必须重现它试图取代的模型(在这个例子中就是大爆炸理论)所获得的每一个成功。也就是说,大爆炸理论成功的每一块基石都必须被纳入这个新的机制中。

(2)它必须解释大爆炸无法解释的东西:宇宙开始时的初始条件。这些在大爆炸理论框架内仍未得到解释的问题必须用新的观点来解释。

(3)它必须做出与原始理论预言不同的新预言,而且这些预言必须导致某种可观察、可测试和 / 或可测量的结果。

唯一符合这三条标准的理论就是宇宙暴胀理论。在这三条“战线”上,该理论都取得了前所未有的成功。

暴胀理论的基本观点是,在宇宙变得炙热、稠密、到处充满物质和辐射之前,它处于一种由空间本身固有的大量能量主导的状态:某种场或真空能量。只是,与能量密度很小(相当于每立方米空间有一个质子)的暗能量不同,宇宙暴胀时期的能量密度是巨大的:大约是今天暗能量的 10^25 倍!

宇宙暴胀时的膨胀方式与我们熟悉的宇宙膨胀不同。在一个物质和辐射不断膨胀的宇宙中,粒子的数量保持不变,体积却在增加,从而导致能量密度下降。由于膨胀速率与能量密度有关,因此随着时间的推移,宇宙膨胀会逐渐减慢。但如果能量是空间本身固有的,那么能量密度保持不变,膨胀速率也会保持不变。其结果就是所谓的指数膨胀,即在很短的一段时间后,宇宙的大小翻了一番;再过一段时间,它又翻了一番,以此类推。在很短的时间内 —— 一秒的一小部分 —— 一个最初比最小的亚原子粒子还小的区域可以被拉伸到比今天整个可见的宇宙还大。

发生在暴胀期间的指数膨胀是如此强大,每过(大约)10^-35秒,空间中任何特定区域的体积就会在每个方向上翻倍,导致所有粒子或辐射被稀释,并导致所有曲率都迅速变得平坦。

▲ 发生在暴胀期间的指数膨胀是如此强大,每过(大约)10^-35 秒,空间中任何特定区域的体积就会在每个方向上翻倍,导致所有粒子或辐射被稀释,并导致所有曲率都迅速变得平坦。

在暴胀期间,宇宙被拉伸到巨大的尺寸。这个过程中也完成了很多事情,其中包括:

(1)拉伸可观测的宇宙,无论其初始曲率如何,使其与平坦的宇宙难以区分;

(2)取开始暴胀区域中存在的任何初始条件,并将它们延伸到整个可见的宇宙中;

(3)创造出微小的量子涨落,并将其延伸到整个宇宙,从而使它们在所有的距离尺度上几乎是一样的,但在更小的尺度上(当暴胀即将结束时)则略小一些;

(4)将所有“暴胀”场能量转化为物质和辐射,但只能达到远低于普朗克尺度(但与暴胀能量尺度相当)的最高温度;

(5)创造出一个密度和温度波动的谱系,存在于比宇宙视界更大的尺度上,在任何地方都是绝热的(熵恒定),而不是等温的。

这就重现了“无暴胀”热大爆炸理论的成功,提供了一种解释大爆炸初始条件的机制,并做出了一系列不同于“无暴胀”宇宙开端的新颖预言。从 20 世纪 90 年代开始,一直到今天,暴胀理论的预言与观测结果一致,但与无暴胀的大爆炸场景截然不同。

问题在于,必须存在一个最小规模的暴胀,才能重现我们所看到的宇宙。这意味着,要想成功实现暴胀,就必须满足一定的条件。我们可以把暴胀理论模型化,比如视为一座山丘,只要你在山顶,就会发生暴胀;但当你滚到下面的山谷时,暴胀就结束了,并将能量转化为物质和辐射。

在上图中,今天宇宙在所有地方都具有相同的属性(包括温度),因为它们起源于具有相同属性的区域。在中间图中,可以有任意曲率的空间暴胀到了我们今天无法观察到任何曲率的程度,这就解决了平坦性的问题。而在下图中,原先存在的高能遗留因为暴胀而消失,这就为高能遗留的问题提供了一个答案。对于大爆炸本身无法解释的这三大难题,暴胀理论都给出了合理的解答。

▲ 在上图中,今天宇宙在所有地方都具有相同的属性(包括温度),因为它们起源于具有相同属性的区域。在中间图中,可以有任意曲率的空间暴胀到了我们今天无法观察到任何曲率的程度,这就解决了平坦性的问题。而在下图中,原先存在的高能遗留因为暴胀而消失,这就为高能遗留的问题提供了一个答案。对于大爆炸本身无法解释的这三大难题,暴胀理论都给出了合理的解答。

当你这样做的时候,你会发现某些“山形”—— 或者物理学家所说的“势”—— 是可行的,另一些则不可行,关键是山顶的形状要足够平坦。简单地说,如果你把暴胀场想象成山顶上的一个球,它需要在暴胀的大部分时间里缓慢地滚动;只有当进入山谷时,它才会加速滚动,从而结束暴胀。我们已经量化了暴胀发生所需的最低“滚动”速度,从而对这种“势”有了一定了解。只要顶部足够平坦,暴胀理论就可以作为解决宇宙起源问题的可行方案。

不过现在,事情开始变得有趣了。与我们所知的其他场一样,暴胀本质上必须是量子场。这意味着它的很多属性并不完全确定,而是呈概率分布的。你允许流逝的时间越多,分布的范围就越大。滚下山的不是一个点状的球,而是一个量子概率波函数。

同时,宇宙在暴胀,意味着它在所有三个维度上呈指数级膨胀。如果我们把一个 1×1×1 的立方体称为“宇宙”,那就可以看到立方体在暴胀过程中的膨胀。如果经过一些时间,立方体的大小翻倍,那它就变成了一个 2×2×2 的立方体,需要填充 8 个原始立方体。经过同样长的时间后,它就变成了一个 4×4×4 的立方体,需要填充 64 个原始立方体。再经过相同的时间,就是一个 8×8×8 的立方体,体积是 512。只需要大约 100 次“翻倍”,我们就能得到一个包含大约 1090 个原始立方体的宇宙。

在暴胀过程中发生的量子涨落在整个宇宙中伸展开来,当暴胀结束时,它们就变成了密度涨落。随着时间的推移,最终导致了今天宇宙的大尺度结构,以及在宇宙微波背景中观察到的温度波动。这是现实的量子本质如何影响整个大尺度宇宙的一个例子。

▲ 在暴胀过程中发生的量子涨落在整个宇宙中伸展开来,当暴胀结束时,它们就变成了密度涨落。随着时间的推移,最终导致了今天宇宙的大尺度结构,以及在宇宙微波背景中观察到的温度波动。这是现实的量子本质如何影响整个大尺度宇宙的一个例子。

到目前为止,一切顺利。现在,假设有一个区域,暴胀的量子球在该区域滚向山谷。暴胀到此结束,场能量转化为物质和辐射,然后就发生了我们所知的热大爆炸。这个区域可能形状不规则,但它需要足够的暴胀来重现我们在宇宙中观测到的成功结果。

那么,现在问题就变成了,在这个区域之外会发生什么?

这个问题的难点在于,如果要求宇宙有足够的暴胀,使其具有我们所观测到的各种属性,那么在暴胀结束的区域之外,暴胀还会继续。如果你问“这些区域的相对大小是多少”,那你会发现,如果想让暴胀结束的区域足够大,与观测结果一致,那暴胀没有结束的区域就会指数增大;而随着时间的推移,这种差距会越来越大。即使有无数个区域的暴胀结束了,也会有更多的区域持续暴胀。此外,暴胀结束的各个区域,也就是大爆炸发生的地方,都将被更多暴胀空间的区域分隔开来。

简单地说,如果每次大爆炸都发生在一个“泡泡”宇宙中,而且这些泡泡之间不会发生碰撞,那么随着时间的推移,我们最终得到的是越来越多不相连的泡泡,它们之间被一个不断暴胀的空间分隔开。

在不断膨胀的宇宙“海洋”中,多个独立的宇宙因因果关系而彼此分离,这是多元宇宙概念的一种描述。不同的宇宙可能有不同的属性,也可能没有,我们或许永远都不知道如何验证多元宇宙假说

▲ 在不断膨胀的宇宙“海洋”中,多个独立的宇宙因因果关系而彼此分离,这是多元宇宙概念的一种描述。不同的宇宙可能有不同的属性,也可能没有,我们或许永远都不知道如何验证多元宇宙假说

这就是科学家们把多元宇宙的存在视为“默认选项”的原因。我们有压倒性的证据证明宇宙大爆炸的存在,也有证据表明宇宙大爆炸的一系列初始条件尚未得到确实的解释。如果我们加上一个解释 —— 宇宙暴胀 —— 那这个形成并导致大爆炸的暴胀时空就会带来一系列新颖的预言。这些预言中有许多是通过观察得出的,但也有一些来自暴胀理论。

其中一个预言便是可能存在无数个宇宙,它们之间由互不相连的区域组成,而每个区域都各自发生了大爆炸;当把它们放在一起时,就组成了所谓的多元宇宙。不过,这并不意味着不同的宇宙有不同的规则、定律或基本常数,也不意味着你能想象到的所有可能的量子结果都发生在其他宇宙中。这甚至不意味着多元宇宙是真实的,因为这是一个我们无法验证或证伪的预言。但如果暴胀理论是正确的,而且有数据上的支持,那么多元宇宙几乎就是不可避免的。

你可能不喜欢多元宇宙论,也可能真的不喜欢一些物理学家滥用这个想法,但在一个更好、更可行的暴胀替代理论出现之前,多元宇宙在很大程度上还是有可能存在的。

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关键词:宇宙宇宙起源

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