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宇宙的無數奧秘,另一個宇宙藏著所有答案?

膨脹的宇宙如何創造多元宇宙?作者保羅m薩特(Paul M. Sutter)是俄亥俄州立大學天體物理學家,主持過《問問宇航員》(Ask a Spaceman)和《太空電台》(Space Radio)節目,還著有《你在宇宙中的位置》(Your Place in The Universe)一書。科幻小說的最愛的題材:其他的世界,其他的宇宙,其他的可能性,就在已知宇宙的邊界之外,或者只是一個魔法裝置的輕彈。

也許除了歷史上一些古怪的小變化之外,其他世界和我們的非常相似。也許他們是完全不同,有著全新、怪異、美好的生活。也許它們是如此的不同,以至於基本的物理規則都不適用。當然,我說的是多元宇宙(或多重宇宙)——在宇宙的某個地方可能存在其他不同的宇宙。但它們存在嗎?多元宇宙的概念出現在科學、哲學甚至宗教的幾個不同領域。在物理學本身中,其他世界的可能性出現在量子力學中(特別是通過「多世界」解釋。

在這種解釋中,相互作用中的每一個隨機結果都分支出新的宇宙,而每個結果都是在新宇宙中實現),而弦理論(在弦理論中,微小、捲起額外維度的不同安排導致它們各自宇宙中有不同的物理定律)。

這些想法說起來很有趣,但也許通往多元宇宙最吸引人的途徑是通過我們對宇宙本身最早時刻的理解:膨脹時期。據我們所知,極早期宇宙經歷了一段難以置信的快速膨脹時期:暴脹。

科學家們的理論是,這個時代是由一種奇異的量子場驅動(一種被烘烤到時空真空中的起泡、起泡的能量)導致宇宙幾乎隨著膨脹的強度而分裂。但很快,這個能量場失去了它的活力,變成了現在居住在當今宇宙中的粒子群。正是在這個膨脹的時代,多元宇宙才有可能出現。想像一下,早期由通脹主導的宇宙是一條巨大上升的麵包。本文所講的假設膨脹在宇宙中均勻地開始和停止,整條麵包在同一時刻停止上升。但推動膨脹的是量子場,這意味著我們不能假設事情如此簡單。

有些區域比其他區域更有活力,而其他區域則更平靜。這就是量子世界中的隨機性。所以麵包不完全一樣,當麵包的其他部分繼續上升時,其中一些部分可能會停止上升,把自己掐掉,孤立起來。因為總有一部分麵包會比平均水平上升得更快,你現在可以想像一條麵包會永遠上升,到處都有小塊和小口袋隨機地抓住一小塊麵包,然後把自己掐掉。每一個被擠壓掉的部分都是它自己獨特的宇宙,只是多元宇宙眾多泡泡中的一個。更重要的是,宇宙膨脹結束的細節決定了一系列重要的物理特性。

比如自然力的強度和粒子質量(細節取決於特定的宇宙膨脹模型)。這裡討論的是電子質量和粒子的數目。由於每一個被擠壓的泡沫宇宙都以自己獨特的方式結束膨脹,每一個泡沫宇宙都有自己獨特的物理體系。因為總有一部分膨脹率高於平均水平,很快,就會看到很多宇宙在相互膨脹。

一個多重宇宙。每個宇宙本質上都是與其他宇宙永遠隔絕的。然而,在某些情況下它們可以相交。如果兩個宇宙在相對較短的時間內相互擠壓,並相對接近:那麼它們可能會短暫地相交,然後膨脹遠離彼此,直至永遠。

如果這樣發生了,這個交集可能會在這些宇宙的宇宙微波背景中留下印記這些宇宙是38萬年前宇宙嬰兒時期遺留下來的光化石外殼。想像兩個肥皂泡相互摩擦,這種印記將在天空中形成一個看起來怪怪的圓圈(在那裡,「怪怪的」取決於我們所處的宇宙可能是什麼樣)。當然,我們還沒有發現任何這樣的多元宇宙痕迹。沒有直接的證據,很難判斷多重膨脹理論的可行性。它可能是所有膨脹理論的普遍結果。因此,如果我們能夠找到更有力的證據來證明膨脹,也可能證明多元宇宙的存在。

但是現在,還沒有完全理解膨脹的機制,所以這並沒有太多的進展。還有一個問題需要思考,如果你稍微改變一下我們宇宙的物理,那麼我們所知道的生命將是不可能存在的。為什麼我們會發現自己身處這樣一個特殊的宇宙,在那裡我們的生命類型可以生存?也許是因為多元宇宙中所有的泡泡,我們當然會發現我們自己是少數能激發智慧的人之一?否則我們不會意識到,還是更深層次的原因?這甚至是一個科學問題嗎?也許另一個宇宙有所有的答案。

博科園|文:Paul Sutter/space

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