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我们生活在一个无限宇宙中吗?

几个世纪以来,关于无限世界的讨论一直牵动着科学家们的心。现在就让我们一起来探讨一下无限世界相关的有趣研究吧。

根据传统的物理宇宙学理论,我们的宇宙诞生于大约在137亿年前的一次大爆炸。在大爆炸后极短的时间内,宇宙经历了一次突然的超速膨胀,被称为“暴胀”。

我们生活在一个无限宇宙中吗?

图解:从大爆炸形成的宇宙演化图解(左)。在这幅图中宇宙以二维呈现,第三维度是时间,向右是时间流动的方向。 图源:Wikipedia

暴胀理论是由麻省理工学院的物理学家艾伦·古斯提出的。它解释了诸如宇宙的同质性、宇宙微波背景(尽管它在天文尺度上的寿命相对较短)等尚未解决的问题。

由于暴胀理论的许多预测都得到了证实,这个曾经被认为是新奇想法的理论现已被视为主要宇宙学假说。

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图解:哈勃半径实际大小(实线)作为宇宙膨胀比例系数的函数。在宇宙暴胀过程中,哈勃半径维持不变。图中也显示微扰模式(虚线)的实际波长。从图可见,微扰模式在暴胀阶段超出了视界,然后当视界在辐射主导阶段迅速膨胀时,微扰模式再落入到视界之内。如果宇宙暴胀从未发生过,辐射主导阶段一直延续到引力奇点,那么在早期宇宙中,微扰模式就一直都处于视界以内,从未超出过。这样因果机制就无法产生在微扰模式尺度上的同质均匀性。 图源:Wikipedia

平行宇宙

“宇宙”和“多元宇宙”都是用来描述我们正存在的环境。 “宇宙”是经典意义上我们所存在的这片外环境,而 “多元宇宙”指的是一组可能存在的与我们自己的宇宙并存的多元宇宙,它们代表了我们过去称之为宇宙的真实实体。

平行宇宙是多元宇宙的另一个名称,同样可以在文献中使用。

为了完善暴胀理论,一些宇宙学家提出在暴胀时期太空的亚原子碎片会经历一次突然的膨胀,直至宇宙膨胀至到我们现在观测的那样。

在这个过程中,膨胀的能量导致了粒子混合物与辐射的爆炸,进而引发了一次“大爆炸”。根据这个理论,我们现在正生活在一个“泡沫宇宙”中,其他的“泡沫宇宙”可能仍在增长阶段。

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图解:“泡沫宇宙”示意图,宇宙1到宇宙6各自有自己的物理常数,我们的“宇宙”不过是其中的一个“泡沫”而已。 图源:Wikipedia

理论出现

平行宇宙的概念最早是1950年普林斯顿大学的一名研究生休·埃弗里特在其名为“许多世界”的理论中提出的。这个理论本来是为了解释一些量子力学中的奇怪问题。

尽管这个想法当时并没有受到太多关注,但是后来德克萨斯理工大学物理学家比尔·波里耶尔将它拓展为“许多交互世界”理论重新提出。

波里耶尔的工作本来是为了解释化合物和复杂分子中的量子力学,但是这个成果最终却为平行宇宙理论在量子层面提供了新的支持。

我们生活在一个无限宇宙中吗?

量子力学与无限世界

虽然量子力学的引入以及对物质本质和相互作用的奇妙解释(例如物质与场的波粒二象性)已经过了一个多世纪,但相关理论却还有很多争议有待解决。

波里耶尔在2014年发表的关于无限世界的文章中提出量子力学中所有奇怪而模糊的问题都可以解释为平行世界交互作用。根据他的理论,不一定每个平行宇宙中都存在粒子的波函数。

这个理论的另一重要特点是对自然常数的阐述。物理学中有很多神秘又独特的常数至今都没有解释,比如牛顿重力常数、普朗克常量、电子质量、电荷等等。

这些常数经过精确调整与确定,它们中的任何微小变化都可能导致另一形式的宇宙,比如没有银河系,太阳系甚至生命的宇宙。

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图解:在帕瑞纳天文台的夜空中观赏到的银河系的核心(激光为望远镜创造出一颗导引星)。 图源:Wikipedia

根据这个理论,在一个多元宇宙中,生命只能在自然常数是生命必需的宇宙中形成——比如我们的宇宙。因此,那些不符合条件的宇宙都无法产生生命。

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图解:由Sam del Russi创作的多元平行宇宙艺术品 图源:原文https://www.learning-mind.com/parallel-worlds-hypothesis/

实践是检验真理的唯一标准。无限世界的理论的确可以通过其踪迹验证。一些研究者提出两个宇宙的碰撞可以在宇宙微波背景上留下痕迹。

宇宙微波背景让人想到宇宙大爆炸初期的辐射。这个观点被来自加州理工大学普朗克数据中心的天体物理学家兰戈莱姆·查理反复验证,且似乎已经找到了充分的证据来证明两者的联系。

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图解:用WMAP九年的资料(2012年),以我们的角度看宇宙微波背景辐射在整个宇宙的变化,实际变化会比图中显示得更为平顺。 图源:Wikipedia

查理通过将欧洲航天局制作的宇宙微波背景图与普朗克望远镜拍摄的夜空比较,成功找到了一束比应有亮度高4,500倍的光。对这个现象还有一些其他猜想,有人认为这可能是由于宇宙碰撞的声音引起的。

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图解:普朗克巡天者模型 图源Wikipedia

结论

这个问题仍有待验证,但是越来越多新的证据总会让我们得出结论。如果这个理论是正确的,那么我们对宇宙与量子力学的理解将会以一种奇异的方式产生巨大的改变。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. learning-mind-水獭

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