​多元宇宙?真的存在吗?看完你会有更深的了解

多元宇宙有多真实?

是否存在另一个你,正在读着这篇完全相同的文章呢?这很难说。

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一张关于多元宇宙的艺术家图解

想象一下:乘坐火箭离开地球,离开太阳系,离开我们所在的银河系。突破可观测宇宙的边缘,将宇宙抛在身后(这似乎是不可能的,因为你必须以大于光速的速度前行,但在这里将和我一起变成现实)。

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现在你在这深不可测的空间游弋了亿万年,结果却发现了另一个宇宙,里面有另一个银河系,还有另一个太阳系,另一个地球……还有另外一个你,坐在那里读这篇文章。

这就是多元宇宙,它可能是对定义宇宙起源的物理理论的自然预测,也可能不是。正如新研究显示的那样,这很难说。

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古老的宇宙

宇宙学家基本上认为,当我们的宇宙非常年轻时——不到万亿分之一秒——它简直疯了。在最微小的一瞬间(即万亿分之一秒),宇宙变得非常非常大。

究竟有多大?这很难准确说清楚,因为这个概念是高度假设的,但“比你想象的要大得多”应该足够了。这一事件的大多数模型,称之为膨胀,要求一个比可观测宇宙体积至少大10倍的宇宙。由于可观测到的空间已经有900亿光年宽了,这意味着我们宇宙的真正范围是如此巨大,几乎难以理解。

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大爆炸后宇宙膨胀的一幅示意图

图片来源:马克·加利克/科学图片库 盖蒂图片社供图

膨胀解决了标准大爆炸宇宙学(一种描述宇宙起源的模型)中的许多问题,比如宇宙中彼此相距甚远的区域具有大致相同的温度。根据通货膨胀理论,在通货膨胀把它们撕裂之前,这些地区曾经舒适得多,互相了解得很好。根据膨胀理论,在膨胀将这些地区撕裂之前,它们曾经非常温暖,彼此也很了解。

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膨胀的另一个潜在后果是:可能无法停止。确实,它可能永远无法停止。我们称之为“永久膨胀”,这一观点描述了宇宙如何在最大尺度上可能总是在膨胀的,只有微小的口袋被挤压掉,变成像我们自己一样的正常、稳重的小块。每个被挤压掉的宇宙岛会被一个巨大的虚无海湾隔开,岛屿彼此飞离的速度比光速还要快(因为这就是膨胀的作用)。

这些嵌入在更大的“多元宇宙”中的宇宙岛,永远不会相遇,也永远无法彼此交流。事实上,要找到它们存在的直接证据是不可能的。

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膨胀还是不膨胀

如果没有直接证据,我们可以至少对多元宇宙是否可能存在做出一个有根据的猜测吗?如果我们只是一个巨大浴缸里的一个气泡,浴缸里充满了膨胀速度快于光速的泡沫,那我们怎么能搞清楚这一切?

第一步是测试膨胀。关于这个,目前还没有定论,但有一些证据表明,在早期宇宙中发生了类似膨胀的事情。宇宙微波背景的波动,或者我们宇宙在38万岁时开始冷却时释放的光,其模式与发生膨胀时你所看到的相匹配。没有其他关于早期宇宙的理论与这种光的模式相匹配。

所以这很好。但“膨胀”并不是一个单一理论,它更像是一类理论。不同的模型假设了这一事件的不同物理特性、驱动因素、原因和效应。由于所有这些理论都建立在早期宇宙极端物理的假设模型之上,因此现在判断哪种理论(如果有的话)是正确的还为时过早。

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物理学家怀疑永恒的膨胀是普遍存在的,这意味着是大多数(如果不是全部的话)膨胀模型的结果。因此,根据这个怀疑,如果膨胀是正确的,那么永恒膨胀也同样可能是正确的,多元宇宙可能是真实的。

判断多元宇宙

不用说,多元宇宙的存在是一颗相当大、难以下咽的药丸。如果永恒膨胀是正确的,那么就不是只有一个宇宙,或者很多宇宙,而是无数个小型宇宙。每一个宇宙都支持自己的物理定律和粒子排列。因此,如果排列物质和能量的方式是有限的–你可以构建宇宙的方式只有这么多–那么一个无限多元宇宙需要相同物理状态的重复拷贝,即使物理构型的任何特定组合都是极其罕见的。

这意味着在有限(但非常遥远)距离上有一个你的拷贝。另一份副本,还有另一个,还有另一个。无数个你在做着同样的事情。

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但我们只能说,如果永恒膨胀确实是普遍的(也就是说,即使不是所有膨胀模型,也是大多数膨胀模型的共同特征),那么多元宇宙是可能存在的,这正是一个物理学家团队在最近一篇论文中所宣称的,该论文发表在预印本数据库arXiv上,并提交给了《宇宙学和天体粒子物理学杂志》。他们通过研磨机放置大量膨胀模型,改变模型类型和模型参数,计算哪些模型是一步到位的,哪些模型导致了永恒膨胀和多元宇宙。

首先,他们发现永恒膨胀并不像最初想象的那样普遍。他们对为什么宇宙学家会认为永恒膨胀是普遍现象的解释是因为那些早期宇宙学家只研究了一组有限的模型。他们发现许多可行的膨胀模型(这里的“可行”是指它们与观察结果没有明显矛盾)并没有导致一个永恒膨胀的情形。

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然而,研究人员发现,衡量像永恒膨胀这类事物的“共同性”是很困难的,因为我们并没有深刻理解膨胀模型以及它们是如何工作的。他们认为,不可能用一个单一答案来回答一般性的问题,因为我们还要学习太多有关膨胀物理学的知识。

所以,是否还存在另一个你在外面,读着这篇完全相同的文章呢?科学告诉你:这很难说。

BY: Paul Sutter

FY: 陆伟

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