多元宇宙

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多元宇宙和平行世界的区别

“去吧,除了这些,还有其他的世界。

”——斯蒂芬·霍金关于宇宙比较有趣、略带神秘色彩的话题是,我们感受到的现实可能不是唯一的版本。

也许还有其他的宇宙,甚至可能有不同版本的我们,不同版本的历史以及不同版本的结果,一个各种各样的多元宇宙。

今天我们就聊下多元宇宙和平行世界的区别,为什么我们认为多元宇宙存在,而平行宇宙只存在于科幻小说之中?

我们自己的宇宙据目前最强大的望远镜观测到的宇宙尺度,以及在理论上的预测而言,宇宙的规模十分庞大,包括光子和中微子在内,我们的宇宙包含了约10^90个粒子,这些粒子聚集成了几千亿到几万亿个星系。

就平均来说,这些星系中的每一个都有大约1万亿个恒星,我们所知道的一切均散布在宇宙中一个直径约920亿光年的球体中。

但是,不管我们在地球的位置上看到了什么?例如:各个方向上星系都是远离我们,各个方向宇宙看起来都是一样的。

但这并不意味着我们处在一个有限宇宙的中心。

而事实的情况恰恰相反。

在我们看来,宇宙的大小是有限的,而我们看不见比特定距离(可观测半径)更远的东西的原因不是因为宇宙的大小真的是有限的,而是因为宇宙只在其当前状态下存在了有限的时间。

大爆炸以来,宇宙在时间和空间上都不是恒定不变的,而是从一个更均匀、更热、更稠密的状态发展到了今天更混乱(相对的)、更冷、更分散的状态。

空间的膨胀给了我们一个丰富的宇宙,其充满了许多代的恒星,一个残留辐射的超冷背景,星系离我们越远,膨胀得越快,而我们能看到的距离是有限的。

这个极限是由大爆炸那一刻起,光所能传播的距离决定的。

这也并不意味着除了我们所能看到的宇宙之外就没有更多的宇宙了。

而事实上,从观察和理论的角度来看,我们完全有理由相信还有更多,甚至可能无限多的宇宙。

通过观测,我们可以测量一些不同的量,包括宇宙的空间曲率,它在温度和密度上有多平滑和均匀,以及它是如何随时间演变的。

我们发现宇宙在空间上是平坦的,并且在一个比可观测宇宙大得多的体积上是一致的,也是平坦的,因此,在我们能看到的范围之外,在几千亿光年各个方向上的宇宙与我们的可观测宇宙非常相似。

暴胀理论如何创造多元宇宙从理论上讲,我们可以把大爆炸推回到一个任意高温,稠密,膨胀的状态,但我们发现宇宙并没有在早期变得无限热和稠密,相反,在大爆炸之前,宇宙还经历了暴胀时期,并且创造了大爆炸的初始阶段。

在宇宙暴胀时期的这个阶段,宇宙不是充满了物质和辐射,而是充满了空间本身固有的能量:一种导致宇宙以指数膨胀的能量。

随着时间的推移胀率会增加一倍,然后是四倍、八倍、十六倍、三十二倍等等。

有关暴胀理论的更多信息,大家可以在头条APP中搜索「暴胀理论」,看它是如何诞生大爆炸的初始状态的。

因为膨胀不仅是指数级的,而且在非常快的“翻倍”,这个过程发生在大约10^-35秒的时间尺度上。

也就是说,当10^-34秒过去时,宇宙的大小大约是它初始大小的1000倍;当10^-33秒过去时,宇宙大约是其初始大小的10^30(或1000^10)倍;当10^-32秒过去时,宇宙的大小大约是初始大小的10^300倍,以此类推。

很显然,我们的宇宙并没有永远的以这种方式膨胀,因为你现在正在玩手机(意思是如果我们宇宙一直这样膨胀,就不产生任何物质结构,当然也不会有我们),所以暴胀必须结束,大爆炸才会发生。

我们可以把宇宙暴胀想象成:在一个非常平坦的山顶上,就像一个球慢慢地滚下来。

只要这个球保持在接近山顶的地方,慢慢滚动,暴胀就会继续,宇宙就会呈指数级膨胀。

然而,一旦球滚入山谷,膨胀就结束了,这种滚动行为导致能量消散,将空间本身固有的能量转化为物质和辐射,将我们从一种膨胀状态带入热大爆炸。

(下图上)当一个球滚进山谷时,暴胀就结束了。

膨胀场是量子场(中间),随着时间的推移而扩散。

许多空间区域(紫色、红色和青色)暴胀结束,更多的空间区域(绿色、蓝色)暴胀还在继续,可能会持续一段时间(下图)。

在我们开始了解暴胀之前,有几件事值得一提:暴胀不像一个现实中的球(经典场),而更像一个随着时间扩散的波,一个量子场。

而这个量子场会导致更多的空间区域发生暴胀。

这意味着,随着时间的推移越来越多的空间发生暴胀,某些地区,在概率上,暴胀会结束,而其他地区暴胀会继续。

这样就产生了更多的,彼此分离、没有因果关系的宇宙,我们称为多元宇宙。

暴胀可能在任何给定的时间在任何一个区域的50%以上结束(用红色的X表示),但仍有足够多的区域会继续暴胀下去,不会有两个宇宙发生相互作用。

基于已知的物理定律和我们宇宙中仅存的观测数据,告诉了我们一些暴胀的状态。

也就是说,我们不太了解这种暴胀状态,这就带来了大量的不确定性和可能性:我们不知道这种暴胀状态到它结束并引发了热大爆炸持续了多久。

我们的宇宙可能只比我们所能观测到的部分大一点点,可能比我们所能看到的大很多的数量级,也可能是真正的无限大。

我们不知道暴胀结束的各个区域(宇宙)是否都是一样的,或者它们是否与我们的区域(宇宙)有很大的不同。

例如一些基本常数,粒子质量、力的强度、暗能量的量在所有的暴胀结束的区域都是一样的。

也有可能,不同的区域,也就是我们认为的不同的宇宙,有不同的物理性质。

如果所有的宇宙在物理定律上都是相同的,如果这些宇宙的数量真的是无限的,如果对量子力学的多世界解释是完全正确的,这是否意味着存在平行宇宙的存在,在那里,除了一个微小的量子结果的不同之外,宇宙中的一切都与我们自己的宇宙完全相同?总的来说,暴胀理论完全支持多元宇宙的存在!那么在另一个世界里,有没有可能有这样一个宇宙,那里发生的一切都和我们这个世界完全一样,只是你无意中做了一件不同的小事,结果就导致了你的生活变得非常不同?这就是我们常说的平行世界。

平时世界有可能吗?在那个世界里,你的一念之间,奋发图强,最后当上了总统?在那个世界里,你勇敢、果断,敢于直面任何困难和恶霸?在那个世界里,你的一个选择让你在面临生死攸关的事件时有了不同的结果?这是一个令人惊奇的概念:宇宙是为每一种可能的结果而存在的。

也就是说所有非零概率的事件都是真实存在的。

如果真的是这样的话,首先,暴胀状态的发生不仅是在很长一段时间内(不仅仅是在我们宇宙存在的138亿年里)而是在无限长的一段时间里。

为什么这么说呢?当然,如果宇宙一直呈指数级膨胀,不仅仅是一瞬间,而是138亿年,或者大约4×10^17秒,那么我们说的是一个巨大的空间体积!尽管宇宙中有暴胀结束的区域,但宇宙的大部分体积都是由暴胀尚未结束的区域所控制的。

所以实际上,我们讨论的至少是10^10^50个宇宙,它们的初始条件可能和我们的宇宙非常相似。

10 ^ 100000000000000000000000000000000000000000000000000个宇宙,这可能是一个我们能想到的最大的数字。

然而,描述粒子相互作用的可能结果,比这个数字更大。

每个宇宙中都有10^90个粒子,我们需要让它们在138亿年的时间里都有完全相同的相互作用的历史,这样我们才能得到一个与我们的宇宙完全相同的宇宙。

对于一个有10^90个量子粒子的宇宙来说,要想两个宇宙的结果一样,这是一个很可怕的问题,在138亿年的时间里,这些粒子在10^10^50个宇宙中如何相互作用的?例如,我们在上面看到的数字就是1000!(10^3 !)或者1000的阶乘,它描述了任意时刻1000个不同粒子的排列顺序。

注意,这个数(10^3)!要比(10^1000)大得多!(10 ^ 3)!它更像是10^2477。

但是宇宙中不是1000个粒子,而是10的90次方。

每次两个粒子相互作用,不仅会产生一种可能的结果,而是会产生一个完整的量子谱。

所以宇宙中粒子相互作用的可能结果远不止是(10^90)!,这个数字比10^10^50这个微不足道的数字大了很多倍。

换句话说,在任何宇宙中,粒子相互作用的可能结果都趋向于无穷大,快于由于暴胀而增加的可能宇宙的数量。

即使不考虑基本常数、粒子和相互作用可能有无数个可能值的问题,事实是,可能结果的数量增长得速度,远远快于宇宙数量的增长!除非暴涨已经存在了无限的时间,否则就没有一个平行宇宙与我们的宇宙相同。

只有无限的时间,才会造就无限的可能。

理论支撑多元宇宙,但平行宇宙有点不可能奇点定理告诉我们,暴胀状态是过去的不完整状态,因此,很可能不会持续无限的时间,而是在过去产生了一些距离有限的点。

确实可能存在很多的宇宙(多元宇宙),这些宇宙可能有不同于我们的宇宙的规律,也可能没有,但是确实没有足够的规律来给我们提供另一个版本的自己(平行宇宙);因为可能结果的数量增长得太快了,比可能数量的宇宙要大的多。

多元宇宙是物理学、哲学的交叉点,也是物理知识的极限,有存在的可能,其意义就是,这些宇宙和我们的宇宙没有因果关系,我们就可以说宇宙是一个多元的宇宙。

虽然平行宇宙仍然是探索可能性的沃土,但我们目前对平行宇宙的理解是,它仅存在于科幻小说中。