@ 2015.09.04 , 18:00

平行宇宙不只是数学理论,还是可以验证的科学

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科学家们正在宇宙微波背景中搜寻在不同'宇宙泡'之间的碰撞。

平行宇宙的存在似乎是科幻小说作者编出来的,而与现代理论物理相关性不大。但我们生活在由无限多个平行宇宙构成的“多重宇宙”中这个想法,长期都被认为是科学上的可能性——虽然在物理学家中间这仍是一个激烈争辩的问题。找到一种方法来测试该理论的竞赛已经开始,包括搜索天空寻找与其它宇宙碰撞的迹象。

重要的是记住多元宇宙观实际上并不是一个理论的,而是我们当前对理论物理的理解的后果。这种区别是至关重要的。我们没有一挥手说:“要有多重宇宙”。相反,宇宙是无限多个中的一个的观点来自于目前的量子力学弦理论

多个世界解释

你可能听说过薛定谔的猫思想实验,这是一只生活在封闭盒子里的怪异动物。打开盒子的行为使我们能选定猫的可能未来历史之一,包括一种既死又活的。这之所以显得如此不可能的原因,只是因为我们的人类直觉不熟悉它。

但根据量子力学的奇怪法则这是完全可能的。它可能发生的原因是量子力学中的可能性空间是巨大的。在数学上,量子力学状态是所有可能状态的总和(或叠加)。在薛定谔猫的例子里,猫是“死”和“活”的状态叠加。

但是,我们如何在实际意义上解释这一点?一种流行的方法是把所有这些可能性想象为记账设备,这样唯一“客观真实”的猫状态就是我们观察到的那个。然而,同样可以选择接受所有这些可能性都是真实的,并且它们存在于多重宇宙的不同宇宙中。

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喵了个多重宇宙 Robert Couse-Baker/Flickr, CC BY-SA

弦论景象

弦理论是我们最有希望能够统一量子力学和引力的途径之一。这相当困难,因为引力在如原子和次原子粒子的小尺度上是如此难以描述——这是量子力学的领域。但弦理论认为,所有的基本粒子都是由一维的弦构成,可以一次性描述所有已知的自然力:引力、电磁力和核力。

然而,弦理论在数学上要能工作,至少需要十个物理维度。由于我们只能观察到四个维度:高度,宽度,深度(都是空间上的)和时间(时间上的),因此弦理论如果是正确的,它的额外维度必须在某种程度上是隐藏的。要能够用该理论来解释我们看到的物理现象,这些额外维度必须以小得看不见的方式蜷缩“紧致化”起来。也许在我们四个大维度中的每一个点里,存在着六个额外的无法区分的方向?

弦理论一个问题,或者有人会说是一个特征,是有很多方式进行这种紧致化——通常鼓吹的一个数字是10500种可能性。这些紧致化的每一种将导致一个不同物理法则的宇宙——如不同的电子质量和引力常数。但对紧致化方法也有激烈的反对,所以该问题还没有很好解决。

但考虑到这一点,明显的问题就是:我们生活在这些可能性中的哪一个?弦理论本身并没有提供一种机制来预测之,因为我们不能测试它,这就使得它毫无用处。但幸运的是,来自早期宇宙宇宙学研究的一个想法已经把这个错误变成了一个特性。

早期宇宙

在非常早期宇宙期间,在大爆炸之前,宇宙经历了一段加速膨胀时期,称为暴涨。暴涨最初被引入用于解释为什么目前可观测宇宙的温度几乎是一致的。然而,该理论还预测了在这个平衡上的温度波动频谱,且为后来几个航天器所证实,如宇宙背景探测器威尔金森微波各向异性探测器普朗克航天器

尽管该理论的具体细节仍在激烈争论中,暴涨膨胀已被物理学家们广泛接受。然而,该理论的一个后果是,宇宙必须有仍在加速的其他部分。然而,由于时空的量子涨落,宇宙的某些部分从未真正达到暴涨的最终状态。这意味着宇宙,至少根据我们目前的理解,永远在暴涨。因此,有些部分最终可以成为其他宇宙,它们又可能成为其它宇宙,等等。这个机制产生无限多个宇宙。

结合这种情况与弦理论,就有一种可能性,这些宇宙中的每一个具有不同的额外维度紧致化,因此具有不同的物理法则。

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宇宙微波背景。搜寻引力波和与其它宇宙碰撞的迹象。NASA / WMAP Science Team/wikimedia

测试理论

由弦理论和暴涨所预测的各宇宙存在于同一个物理空间中(不同于存在于一个数学空间中的量子力学的多重宇宙),它们可以重叠或碰撞。事实上,他们不可避免地必须碰撞,在宇宙的天空中留下可能的特征,我们可以尝试寻找。

特征的精确细节与模型密切相关——从宇宙微波背景中的冷点或热点到星系分布中的异常空洞。然而,因为与其他宇宙的碰撞必须发生在特定方向上,一般的期望是,任何特征都将打破我们可观察宇宙的均匀性。

这些特征正在被科学家们积极追寻着。一些正在通过大爆炸的余晖宇宙微波背景中的痕迹直接寻找它。然而,尚未看到这样的特征。其他人则在寻找间接支持,如引力波,它是大质量物体通过时在时空中的波动。这种波可以直接证明暴涨的存在,而最终加强对多重宇宙理论的支持。

我们是否能够证明他们的存在是很难预测的。但鉴于这种发现的巨大影响,它肯定是值得去搜索的。

本文译自 The Conversation,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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