漫威的平行宇宙真的存在吗?天体物理告诉你
2021-01-29 20:55

漫威的平行宇宙真的存在吗?天体物理告诉你

本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),作者:贾尔斯·斯帕罗,编辑:田晓娜,原文标题:《漫威里的平行宇宙真的存在吗?这篇天体物理干货告诉你》,头图来自:《蜘蛛侠:平行宇宙》


在这个世界之外,是否还存在着许许多多的世界,存在着许许多多的“我”,彼此相似得如同一根树枝上的分叉?


这种“平行宇宙”的概念,在电影中早已不算新鲜,许多人随口就能报出几个电影名,比如《彗星来的那一夜》《复仇者联盟4》《蝴蝶效应》……


然而,现实往往比电影更科幻,平行宇宙的概念竟然真的能找到一定科学依据。


在天文学中,有一个科学猜想名为“多元宇宙”,简单来说就是世界之外仍有世界,宇宙之外仍有宇宙,与平行宇宙的概念相差无几。


多元宇宙猜想是怎么提出来的?


薛定谔的猫和多元宇宙有何关系?


如果多元宇宙存在,我们怎么看待自己的命运与存在呢?


在《太空是什么形状的?》一书中,天文学科普作家贾尔斯·斯帕罗从“太空是什么形状的?”这个简单的问题入手,梳理了过去几个世纪人类对宇宙的认识,对当下前沿研究进行了科普,并展望了宇宙的未来。


此外,贾尔斯·斯帕罗还接受了中信大方及造就联合发起的提问,回答了一些读者提出的问题:


1.  学习太空科学知识对普通人有什么意义?


2.  人们会重燃对太空探索的兴趣吗?


3.  埃隆·马斯克认为人类应该成为跨行星物种——你怎么看?


4.  我们现在对宇宙的了解有多深?



贾尔斯·斯帕罗答读者问


以下内容节选自《太空是什么形状的?》,由出版社授权发布:


我们穿越太空时,会发现自己穿越了无数个哈勃体积——像我们在地球时所拥有的时空气泡一样重叠的时空气泡,每个气泡都从原始大爆炸的极小部分开始膨胀,并向各个方向延伸。


因此,把最大规模的空间想象成一个以惊人速度(远远快于光速)增长并由无数快速膨胀的气泡组成的巨大球体似乎是合理的。


这解决了空间形状的问题。但别急,看似平坦的宇宙(U.)的无尽延伸实际上只是宇宙无限性的几种不同表现之一。其中一些意味着存在超出我们通常感知范围的其他维度。


即使在我们熟悉的三维空间中,空间是平的,那么在这些更高的维度中,它仍然可能呈现奇异的形状。


做好准备,因为事情会变得很奇怪。


物理学家通常将集合多个独立“宇宙”(无论你想怎样定义它们)的复杂结构称为“多元宇宙”。


这个术语最早是由美国哲学家威廉·詹姆斯(William James,1842-1910)在1895年创造的(尽管他相当粗略地谈论的是超越世俗的感知概念)


同时,第一个提出多元宇宙可能是物理现实的人是奥地利著名物理学家埃尔温·薛定谔。他在1952年的一次有影响力的演讲中提出了这个想法。


以上所描述的无穷无尽的时空,和数量上无限的可观测宇宙,是我们能想象的最简单的多元宇宙类型。


关于它的性质,我们能推断出什么?


与我们所处宇宙质料相同并源自我们假定各处状态均等的大爆炸,它们实际只是“更多的时空”


如果我们能通过魔术门进入多元宇宙的另一部分,我们可以合理地期望它们的基本情况与我们的十分相似:空间仍是三维的,时间是一维的,以常见方式运算的物理常数也不变。


当然,可能会有一些有趣的变化。例如,尽管我们不能确定,但是多元宇宙的某些部分可能被反物质所主宰。


物质和反物质理论上是在大爆炸期间产生的,两者的数量相同。物质在当今宇宙中的主导地位仍然是个谜。


有人怀疑这与某些亚原子粒子的相互作用从根本上打破了“对称性”有关。这可能意味着整个多元宇宙都偏向由物质占主导的方向,但我们还不能完全确定。


2011年,科学家们发现了一个“反质子”(粉色)储层,它被地球表面几百千米的磁场层困住了


对于多元宇宙来说,“更多的相同”乍一看似乎有点乏味,但我们必须记住,我们谈论的是无限多的相同。在基本物理参数范围内,无限多种可能的场景可能会出现在不同的可观测宇宙(U.)中。


可能会有另一个星球或多或少和我们的一样,在那里有另一个你和另一个我——只不过在那里我是左撇子,你乘飞艇去工作,我们都是恐龙的后代。


事实上,如果多元宇宙真的是无限的,那么几乎必然有那样一个世界,以及所有其他可以想象的和物理上可能出现的结果。


然而,这种时空延展的多元宇宙只是多元宇宙的一种类型——在有影响力的宇宙学家马克斯·泰格马克所归类的四种宇宙中,这种扩展是最低级也是最直观的层次。


在泰格马克的“数学宇宙(U.)”假说中,每种多元宇宙都可以嵌套在一个更高级、更深奥的层次上。


所以,以上讨论中相当直观的无限时空的“一级”多元宇宙,只是“二级”多元宇宙中众多(可能有无限多)这样的结构之一。依此类推……


但是这些更高的层级到底是什么呢?层级越高,它们越难以理解,所以我们将从第二级开始讨论。


从本质上说,二级多元宇宙是一个不断产生“气泡”的物体,这些气泡本身就是一级多元宇宙,并且可能显示出彼此显著不同的特征。


二级多元宇宙概念依赖于一种可能性,即具有独特性质的新时空气泡不断从宇宙的原始多维物质中膨胀出来


虽然一级多元宇宙的所有部分有相同的基本物理性质,但二级多元宇宙中分开的气泡可能显示出截然不同的物理常数——甚至是不同维度数下的不同时空排列。


二级多元宇宙论点的证据来自宇宙(U.)早期历史中发生的一个重要事件。它仅发生在大爆炸后的10-35秒。


这一事件被称为暴胀,它见证了初期宇宙(U.)的一小部分突然剧烈膨胀,从一个小原子的大小膨胀到像银河系一样的星系大小,然后在大约大爆炸后10-23秒结束膨胀。


不管二级多元宇宙是否存在,还有另一个更奇异、层次更高的多元宇宙——它完全破除了我们所持的一切关于“形状”的固有观点。


三级多元宇宙从令人困惑的量子物理理论中浮现,确切来说是源自休·埃弗雷特三世在20世纪50年代提出的多世界诠释。


量子物理是控制非常小物体的物理:亚原子粒子领域。人们在大约一个世纪前发现它。它的一个关键认识是波粒二象性,即我们通常认为是粒子的物体,如电子,也可以表现出类似波的特征。


这意味着一个粒子的准确性质(如它的位置或动量)可以保持波形并扩散,直到我们通过某种观测方式来“测量”它们。



量子波函数是一个复杂的“对象”,干扰模式可以增加粒子在某些地方出现的可能性,而减少粒子在别的地方出现的可能性


这样做的一个重要结果是解释诸如放射性衰变等现象的本质。单个原子会不可预测地经历这种转变,但要遵守特定概率规则,即描述特定样品中有多少原子会在一定时间内衰变的规则。


此外,衰变过程实际上包括粒子“挖隧道”穿越把原子核结合在一起的能量屏障——经典物理学认为这是不可能的,但是量子物理学认为,逃逸粒子出现在能量屏障之外的概率不为零。


不可否认,量子物理是真实的,它是许多现代技术的基础,包括电子学和激光。但这也深深困扰着我们理解宇宙(U.)是怎样运作的。


在日常生活中,我们习惯了经典物理的可预测性:事情要么发生,要么不发生,除了预测可能的结果,没有概率模糊的余地。


为了解决这一点,物理学家提出了各种“解释”——弥合量子不确定性和日常世界决定论之间差距的规则。


其中第一个也是最著名的解释是哥本哈根诠释,由量子先驱尼尔斯·玻尔(Niels Bohr, 1885—1962)、沃纳·海森堡(Weiner Heisenberg, 1901—1976)等在20世纪20年代中期提出。


量子不确定性的这种“严格”观点认为它是真实的,粒子的精确性质只能通过观察或测量来解决。


1930年哥本哈根会议上量子物理学的先驱,包括尼尔斯·玻尔和沃纳·海森堡(前排左)


量子物理的核心——“波函数”方程的提出者薛定谔在著名的薛定谔猫思维实验中大致阐述了他对哥本哈根诠释的怀疑。


他说,想象一下,我们把一只猫密封在一个装有少量放射性物质的盒子里,还装有一小瓶毒药和一个一旦探测到放射性衰变就会释放毒药的机构。


这个实验是这样设计的,在实验的持续时间里,有一半的可能性会发生这种衰变。因此猫存活或中毒的概率是50∶50。


薛定谔认为,因为整个实验依赖于一个受量子规则约束的现象,如果我们从表面上看哥本哈根诠释,整个系统——放射性样本、毒药释放机构和猫——在人们打开盒子和测量放射性样本(或者更广泛地说,其当前状态的后果被观测到)之前一直处于不确定状态


换句话说,在实验进行期间,描述猫的波函数据说是以“量子叠加”的形式存在的,同时活着和死去。


著名的薛定谔的猫实验


当然,薛定谔知道进行这样的实验既残忍又毫无意义,因为在实验过程中不可能对系统进行观测且不结束实验。然而,他认为一只猫被困在两种状态之间的可能性是荒谬的,这足以贬低哥本哈根的观点。


许多物理学家试图用不同的方法来解决这个问题。有的方法认为量子不确定性无论如何会随着其影响波及亚原子尺度之外而自然解决本身。


也有的方法认为宇宙(U.)无论如何会提前“知道”量子事件的结果,因此它们并不像看起来那样不确定。但是埃弗雷特的解决方案可能是最广为人知的,仅因为它令人惊奇的影响。


法国散文家贝尔纳·德·丰特内勒在1686年思考了无限“多元世界”的可能性


埃弗雷特认为量子事件的不同结果是由整个宇宙(U.)分裂成两条不同的路径来“解决”的:一个宇宙(U.)对应一个可能的结果和它的后果。


薛定谔的猫永远不会处在不确定状态,因为放射性衰变的量子事件本身将我们带到一个宇宙(U.)或另一个宇宙(在前者中猫是活的,后者中猫是死的)


这两个宇宙(U.)以光速从事件发生地被撕裂开来,就像两片纸巾逐渐被撕裂一样。


因此,多世界诠释暗示了无限数量的独立平行宇宙(U.),每一个独立的平行宇宙自身都可能是一个较低级别的多元宇宙。自大爆炸以来的每一个量子级事件都创造了自己的一套分支宇宙(U.)


因此,这种三级多元宇宙的结构可以被比作一棵树,尽管其中最小的树枝会继续无数次长出分支,从而产生分形(注:一种数学结构,如“自相似”的方程或几何图形。在这种图形中,相同的模式在越来越小的尺度上反复出现)图案。


那么,显而易见的问题是,我们宇宙(U.)的其他版本在哪里?


奇怪的是,答案是它们和我们的宇宙(U.)占据完全相同的时空。


实际上,大多数物理学家将多世界诠释看成一种陈述,即我们的多元宇宙自身包含了量子事件的所有可能结果。因此,不是薛定谔的猫被困在量子叠加态中,而是我们处于无限变化的现实的一个特定分支。


这个观点可以由以下论点支持,即为什么我们最终会出现在这个特定版本的现实中——既然我们作为宇宙(U.)的具有意识的观测者存在于此,我们就必然会处在这个导致我们存在的特定版本的现实分支上。


只能用“希尔伯特空间”来描述这种多元宇宙的波函数。希尔伯特空间是一种具有非常大(可能是无限)维数的数学结构。然而,从我们理解它们的意义上来说,这种情况下的维度通常不被视为空间维度。


1891年,戴维·希尔伯特描述了一条令人注目的分形曲线,通过一组简单的指令,就能使一条可能无限长的线填充任何有限的空间


只有在少数“现实主义”版本的“多世界诠释”中,多元宇宙(U.)才“真正”是希尔伯特空间。这种诠释表明宇宙确实在历史上的每一个时刻都通过分岔来创造新的物理现实。


量子叠加和多重物理现实之间的区别巧妙地预示了它们中最后也是最抽象的多元宇宙:一个被泰格马克命名为“终极系综”的四级多元宇宙。这是一个数学而不是物理对象,它可以产生所有其他可能类型的多元宇宙。


这可能看起来仅仅是数学家的一个打钩练习,但它却带来一个令人惊恐的可能性:如果宇宙(U.)可以用一个数学公式来描述,那么人们可以用一台足够强大的计算机来计算它吗?


一些科学家和哲学家认为这是可能的——此外,如果数学仿真是足够详细的,并且我们是其中的一部分,我们将无法把它与真实的东西区分开来。


自法国哲学家勒内·笛卡尔(René Descartes,1596—1650)想象出一个“欺骗人的恶魔”可能会给他的感官带来一个明显外部世界的幻觉以来,这种关于我们是否真的可以相信我们对宇宙的日常感知的争论一直是哲学中最受欢迎的话题。


哲学家们提出了一个令人担忧的有说服力的论点,即我们确实可能处于一个数学仿真出来的多元宇宙中。


这个想法只是说,如果在“真实”的多元宇宙历史上,只有一种高级文明培养出了运行这种仿真的能力和兴趣,那么多元宇宙中仿真实体的数量将迅速增长并超过真实实体。


由于无法区分,我们不得不承认自己可能也在仿真之中。与此相反,其他哲学家和科学家认为“仿真假设”是不科学的,因为它不能被推翻,或者计算机的能力有内在的限制,这将阻止它们产生多元宇宙的真正仿真。


不管事实如何,多元宇宙的可能性给宇宙形状的问题增加了新的复杂性。它还对宇宙的未来发展以及我们对自己在宇宙中的位置的理解有着重要的影响。


当然,这可能不是这件事的最后定论。在过去的几个世纪里,我们对宇宙的理解发生了如此多的变化,以至于很少有人认为我们目前的知识是全面的。


一个显然有待解决的问题围绕着仍然令人困惑的暗物质和暗能量的本质,特别是暗能量的强度是否会无限期地增长,或者它是否有一天会逐渐消失甚至逆转。


引力理论也有对立的理论。它们试图不借助暗物质或暗能量的概念解释观测到的宇宙(U.)现象(尽管目前这些只是少数人的兴趣)


所有这些都很重要,因为尽管探究太空的形状看起来纯粹是一个学术兴趣,但它与其他极其重要的问题有着内在的联系,这些问题关乎宇宙(U.)未来的发展和宇宙中所有生命(尤其是我们自己)的位置。


宇宙是一个永恒结构的可能性,它产生了无数的气泡宇宙(U.)。每个气泡宇宙都有自己独特的维度排列和其他基本属性。


这些气泡中,许多将是一片巨大空旷而没有生命的虚无,而其余的是如此不稳定以至于它们一旦形成就会坍塌。“我们的”气泡碰巧是一个可居住的气泡,而这只是弱原理所致。


本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),作者:贾尔斯·斯帕罗

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