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物理学家声称多元宇宙一定存在,理论依据究竟是什么?

这个是认证

世界奇谈异事录

2022-01-13 09:56

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多元宇宙是一个疯狂的,令人信服的想法,没有直接,实际的测试,是极具争议的。但它的支持支柱肯定是稳定的。

当我们今天观察宇宙时,它同时告诉我们两个关于它自己的故事。其中一个故事写在今天宇宙的样子上,包括我们拥有的恒星和星系,它们是如何聚集的,它们是如何移动的,以及它们是由什么成分组成的。这是一个相对简单的故事,我们通过观察我们所看到的宇宙就学到了这个故事。

但另一个故事是宇宙如何成为今天的样子,这是一个需要更多工作才能发现的故事。当然,我们可以远距离观察物体,这告诉我们宇宙在遥远的过去是什么样子的:今天到达的光第一次被发射出来的时候。但我们需要将其与我们的宇宙理论——大爆炸框架内的物理定律——结合起来,来解释过去发生的事情。当我们这样做时,我们看到了非凡的证据,证明我们的热大爆炸之前和之前是由一个阶段建立的:宇宙暴胀。但是,为了让暴胀给我们一个与我们观察到的一致的宇宙,有一个令人不安的附属物随之而来:一个多元宇宙。这就是为什么绝大多数物理学家声称多元宇宙一定存在。

早在1920年代,证据就变得势不可挡,不仅天空中大量的螺旋和椭圆实际上是整个星系本身,而且确定这样的星系离得越远,它的光被转移到系统地更长波长的量就越大。虽然最初提出了各种各样的解释,但它们都得到了更丰富的证据,直到只剩下一个:宇宙本身正在经历宇宙学膨胀,就像一条发酵葡萄干面包,其中束缚的物体如星系(例如葡萄干)嵌入膨胀的宇宙中(例如,面团)。

如果宇宙今天正在膨胀,并且其中的辐射被转移到更长的波长和更低的能量,那么在过去,宇宙一定更小,更密集,更均匀,更热。只要任何数量的物质和辐射是这个膨胀宇宙的一部分,大爆炸的想法就会产生三个明确和通用的预测:

  1. 一个大规模的宇宙网,其星系随着时间的推移增长,演化和聚集得更丰富,

  2. 黑体辐射的低能背景,从中性原子在炽热的早期宇宙中首次形成时遗留下来,

  3. 以及最轻元素的特定比例 - 氢,氦,锂及其各种同位素 - 甚至存在于从未形成恒星的区域。


所有这三个预测都得到了观察的证实,这就是为什么大爆炸作为我们宇宙起源的主要理论占据着至高无上的地位,以及为什么所有其他竞争对手都已经消失了。然而,大爆炸只描述了我们的宇宙在早期阶段的样子。它没有解释为什么它具有这些属性。在物理学中,如果你知道你的系统的初始条件以及它遵循的规则是什么,你就可以非常准确地预测——你的计算能力的极限和你系统中固有的不确定性——它将如何任意地发展到遥远的未来。

但是,大爆炸在开始时需要具备哪些初始条件才能给我们今天的宇宙呢?这有点令人惊讶,但我们发现:

  • 必须有一个比普朗克尺度低得多的最高温度(至少大约1000倍),这是物理定律分解的地方,

  • 宇宙必须诞生于所有尺度上大约相同大小的密度波动,

  • 膨胀速率和总物质和能量密度必须几乎完美地平衡:至少达到约30个有效位数,

  • 它必须在所有位置都具有相同的初始条件 - 相同的温度,密度和波动光谱 , 甚至是因果断开的,

  • 它的熵一定比今天低得多,低了万亿到几万亿倍。

每当我们遇到初始条件的问题时-基本上,为什么我们的系统以这种方式开始?— 我们只有两个选择。我们可以向不可知的人提出上诉,说它是这样,因为这是它本来可以做到的唯一方式,我们无法进一步了解任何事情,或者我们可以尝试找到一种机制来建立和创造我们知道我们需要拥有的条件。第二条途径是物理学家所说的"诉诸动力学",我们试图设计一种做三件重要事情的机制。

  1. 它必须再现它试图取代的模型,即本例中的热大爆炸所产生的每一次成功。这些早期的基石必须全部来自我们提出的任何机制。

  2. 它必须解释大爆炸不能解释的东西:宇宙开始的初始条件。这些仅在大爆炸中仍无法解释的问题必须由任何新的想法来解释。

  3. 它必须做出与原始理论的预测不同的新预测,这些预测必须导致某种可观察,可测试和/或可测量的结果。

我们唯一符合这三个标准的想法是宇宙暴胀理论,它在这三个方面都取得了前所未有的成功。

暴胀基本上说的是,宇宙在它变得炽热、致密、到处都是物质和辐射之前,处于一种状态,在这种状态下,它是由空间本身固有的大量能量主导的:某种场或真空能量。只是,与今天的暗能量不同,暗能量密度非常小(相当于每立方米空间约一个质子),暴胀期间的能量密度是巨大的:大约1025比暗能量更大的时代是今天!

宇宙在暴胀期间膨胀的方式与我们所熟悉的不同。在具有物质和辐射的膨胀宇宙中,体积增加,而粒子数量保持不变,因此密度下降。由于能量密度与膨胀率有关,因此膨胀会随着时间的推移而减慢。但是,如果能量是空间本身固有的,那么能量密度保持不变,膨胀率也是如此。结果就是我们所知道的指数膨胀,在很短的时间内,宇宙的大小翻了一番,之后时间再次流逝,它再次翻倍,依此类推。在很短的时间内——一秒钟的极小几分之一——一个最初比最小的亚原子粒子小的区域可以被拉伸成比今天整个可见宇宙都大的区域。

在暴胀期间,宇宙被拉伸到巨大的尺寸。这在此过程中完成了大量的事情,其中包括:

  • 拉伸可观测的宇宙,无论其初始曲率如何,都无法与平坦区分开来,

  • 取开始膨胀的区域中存在的任何初始条件,并将它们延伸到整个可见宇宙中,

  • 产生微小的量子涨落并将它们延伸到整个宇宙中,因此它们在所有距离尺度上几乎相同,但在较小的尺度上(当暴胀即将结束时),它们的大小略小。

  • 将所有"暴胀"场能量转化为物质和辐射,但最高温度远低于普朗克尺度(但与暴胀能量尺度相当),

  • 创建密度和温度波动的光谱,这些光谱存在于比宇宙视界更大的尺度上,并且到处都是绝热(恒定熵)而不是等温(恒定温度)。

这再现了非暴胀热大爆炸的成功,提供了一种解释大爆炸初始条件的机制,并做出了一系列与非暴胀开始不同的新预测。从1990年代开始,直到今天,暴胀情景的预测与观测结果一致,与非暴胀热的大爆炸不同。

问题是,为了重现我们看到的宇宙,必须发生最起码的暴胀,这意味着暴胀必须满足某些条件才能成功。我们可以把暴胀想象成一座山,只要你呆在山顶上,你就会膨胀,但是一旦你滚到下面的山谷,暴胀就会结束,并将其能量转化为物质和辐射。

如果你这样做,你会发现有一些"山丘形状",或者物理学家称之为"潜能",它们有效,而另一些则不起作用。使其工作的关键是山顶需要足够平坦的形状。简单来说,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滚动,只有当它进入山谷时,它才会加快速度并迅速滚动,从而结束暴胀。我们已经量化了通货膨胀需要多么缓慢地滚动,这告诉我们一些关于这种潜力的形状。只要顶部足够平坦,暴胀就可以作为我们宇宙开始的可行解决方案。

但现在,事情变得有趣了。暴胀,就像我们所知道的所有场一样,就其本质而言,必须是一个量子场。这意味着它的许多属性并不是完全确定的,而是有一个概率分布。您允许传递的时间越多,分配的分布量就越大。我们不是把一个点状的球滚下山坡,而是把一个量子概率波函数滚到山上。

与此同时,宇宙正在膨胀,这意味着它在所有三个维度上都呈指数级膨胀。如果我们拿一个1×1×1的立方体,把它称为"我们的宇宙",那么我们可以看着这个立方体在暴胀期间膨胀。如果该立方体的大小需要一些很小的时间才能加倍,那么它就会变成一个 2 x 2 x 2 的立方体,这需要 8 个原始立方体来填充。等待相同的时间,它将变成一个 4 x 4 x 4 的立方体,需要 64 个原始立方体来填充。让这个时间再次过去,它是一个8×8×8的立方体,体积为512。在大约100次"倍增"之后,我们将有一个宇宙,大约10倍。90其中的原始立方体。

目前为止,一切都好。现在,假设我们有一个区域,在这个区域,膨胀的量子球滚入山谷。暴胀到此结束,场能被转化为物质和辐射,我们称之为热大爆炸的事情发生了。这个区域可能是不规则的形状,但需要发生足够的暴胀来重现我们在宇宙中看到的观测成功。

那么,问题就变成了,在那个地区之外会发生什么?

问题是:如果你要求你得到足够的暴胀,我们的宇宙可以用我们看到的属性存在,那么在暴胀结束的区域之外,暴胀将继续存在。如果你问,"这些地区的相对规模是多少",你会发现,如果你想让通胀结束的地区足够大,与观察结果一致,那么没有结束的地区就会呈指数级增长,随着时间的推移,差距会变得更糟。即使有无限数量的区域通货膨胀结束,也会有更大的无限区域持续存在。此外,它结束的各个区域 - 发生热大爆炸的地方 - 都将因果关系断开,被更多的膨胀空间区域隔开。

简而言之,如果每个热的大爆炸都发生在一个"气泡"宇宙中,那么气泡根本不会发生碰撞。随着时间的流逝,我们最终得到的是越来越多的断开连接的气泡,所有这些都被一个永恒膨胀的空间隔开。

这就是多元宇宙是什么,也是科学家接受它的存在作为默认位置的原因。我们有压倒性的证据来证明热的大爆炸,而且大爆炸始于一系列没有事实解释的条件。如果我们为它添加一个解释——宇宙暴胀——那么建立并产生大爆炸的膨胀时空就会做出一套新的预测。其中许多预测得到了观察的证实,但其他预测也作为通货膨胀的后果而出现。

其中之一是无数宇宙的存在,每个宇宙都有其自身的热大爆炸,这些区域构成了我们所知道的多元宇宙。这并不意味着不同的宇宙有不同的规则、定律或基本常数,或者你能想象到的所有可能的量子结果都发生在多元宇宙的其他部分。这甚至并不意味着多元宇宙是真实的,因为这是一个我们无法验证、确认或伪造的预测。但是,如果暴胀理论是好的,而数据表明它是好的,那么多元宇宙几乎是不可避免的。

你可能不喜欢它,你可能真的不喜欢一些物理学家滥用这个想法,但是在一个更好、可行的暴胀替代方案出现之前,多元宇宙将继续存在。现在,至少,你明白为什么了。


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