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平行宇宙物理上能实现吗?

如果平行宇宙存在,另一个版本的你也是真实存在的吗?

你也许之前就想象过:另外一个宇宙,就像现在这个一样,所有的随机事件和改变都和这个宇宙完全一样,直到刚才在这个宇宙,你做了一个对未来有重大影响的决定,而在另一个宇宙你选择了了其他的路径,这使得之前一直平行的两个宇宙突然发生了偏离。

也许在我们这个宇宙,我们所熟悉的一些事件版本,并不是唯一的。也许他们也发生在其他宇宙,在其它宇宙发生的是与我们宇宙所不同的其它版本、其他它历史和与我们所经历的不同的结果。这不是小说,这是理论物理学带来的最激动人心的可能性。这就是科学中不知是否存在的平行宇宙实际上可能是真实的。

平行宇宙是什么样子的?在哪里会有另一个自己吗?

图解:在对数尺度上,附近的宇宙有太阳系和我们的银河系。但是在遥远的宇宙外,还有其它的星系,大规模的宇宙网,甚至诞生于宇宙大爆炸那一瞬间。虽然我们无法观察距离461亿光年外的宇宙地平线,但是在未来会有更多的宇宙景象向我们揭开它们神秘面纱。在能观察到的宇宙中有两万亿个星系,但是随着时间的推移,更多的宇宙能被我们所观测到,也许能揭开一些对我们来说含糊不清的宇宙真相。(维基百科用户巴勃罗卡洛斯布达西)

尽管我们的宇宙是巨大的,但是我们能看到的、到达的、影响或者受其影响的部分是有限的和可量化的。包含光子和中微子在内,我们的宇宙包含了大约10⁹⁰个粒子,聚集在一起组成了大约两百万亿个星系,也许还会有二到三万亿个星系会随着宇宙的不断扩展而展现出来。

每一个这样的星系里面都会有一百亿(平均值)个恒星,这些星系聚集在一起形成一个巨大且跨越宇宙的网络,它们在各个方向上延展到距离我们460亿光年外。但是,不管我们的直觉告诉我们什么,这都不意味着我们处在有限宇宙的中心。事实上,所有的证据都表明有些事情恰好相反。

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图解:从我们的视角来看,可观测的宇宙也许各个方向都是460亿光年,但是实际上未观测的宇宙只会更多,甚至可能是无限的,正如我们之外的那样。随着时间的推移,我们将会观测到更多的宇宙,最终显示出比我们目前可以看到的2.3倍的星系。即使对于我们从未见过的那部分宇宙,也有一些我们想要了解的内容。这听起来几乎是一个毫无意义的科学努力。 (弗雷德里克 米歇尔和安德鲁 科尔文.由伊桑·西格尔注释)

宇宙只对我们呈现有限部分的原因——我们无法超过一个特定距离的去观测——不是因为宇宙本来就有限,而是因为宇宙只以它目前的形态存在了有限的时间。

如果你对宇宙大爆炸一无所知,它是这样:宇宙在时间或空间上并不是恒定的,而是从更均衡、更热、更密集的形态发展到今天成为一个更大、更冷、更分散的形态。如果我们到一个很早很早以前的时间,宇宙会呈现得更加平滑,星系也会更少、更原始。如果我们看向一个未来的时间,星系由年老的星体组成,会更大更多,而星系、星群和星团之间的距离会越来越大。

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图解:如果你看向更远的地方,你也是在看向更早的过去。你看的地方得越远,宇宙会越热越密,而且进化的程度越低。最早的信号甚至能告诉我们到底宇宙大爆炸那一瞬间发生了什么。(美国宇航局 / 研究所 / A.费尔德研究员)

这给了我们一个丰富多彩的宇宙,包含许多来自与我们共有宇宙历史的遗迹,包括:

  • 许多代的星体,
  • 一个超冷的残存辐射的宇宙背景,
  • 那些正在以前所未有的速度远离我们,与我们越来越遥远的星系,

有一道基本的限制,限制我们能看到多远。

这个对我们宇宙视角的限制建立在自宇宙大爆炸后光所能传播的最远距离。

但这并不意味着在我们的观测之外就没有宇宙。事实上,观测和理论的矛盾指向了到底有多少我们无法观测的宇宙:甚至也许是无限的。

图解:我们整个的宇宙史从理论上已经被很好地理解了,但是只是定性的。只有证明和揭露我们宇宙过去的各个阶段,比如第一颗星球和第一个星系的形成,以及宇宙无时无刻都在膨胀的这种可以事件,我们才能更好理解我们的宇宙。在炽热的大爆炸之前,我们宇宙中存在的遗物遗迹来自暴涨的状态,这给我们提供了一种独特的方式来检验宇宙历史。

一个无限的宇宙会显示大量的能够揭露秘密的信号,能够让我们确定我们有没有生活在一个无限的时空之海。我们测量了我们的空间曲率,能够发现宇宙形似一个球体,如果你按照一条直线穿过足够的空间,你会回到你刚开始的地方。你可以不断重复,在空中,在不同的地方,都会有相同的结果。你能够丈量宇宙的在温度和密度上的平滑度,并观察这些缺陷是如何随时间的推移而演变的。

如果宇宙是有限的,我们能够看到一个特定的固有特征模式,即宇宙大爆炸残留的温度波动。但是我们却看到了一个不同的形态,告诉我们事实完全相反:宇宙完全平坦且无限大。

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图解:不同角度的宇宙微波背景辐射波动的出现能够指出不同的空间曲率场景。目前,宇宙看起来是平的,但我们只测量到0.4%的水平。在更精确的级别中,我们可能会发现某种程度的内在曲率,毕竟我们的观测已经能够告诉我们如果宇宙是卷曲的,那也只会出现在我们目前可观测的宇宙的-(250)^³(即超过1500万)倍的尺度上。(斯穆特研究团队,劳伦斯伯克利实验室)

当然,我们也不能确切地知道。如果你只去你家后院,你不能去测量地球的曲率,因为你能够到达的地方和平地无异。基于我们所能观测到的宇宙,我们可以说,如果宇宙是有限的而且的确蜷缩着自己,那宇宙至少比我们能观测的宇宙大上百万倍,而且这个数字没有上限。

但是从理论上来说,我们所能观测的冰山一角也是非常诱人的。你看,我们可以将大爆炸向后推断到一个任意炽热,密集,膨胀的状态,并发现它不可能在早期变得无限的热和密集。

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图解:在膨胀末尾和炽热的大爆炸之初,我们能追查出我们的宇宙历史。暗物质和暗能量在今天是所需成分,但起源尚未确定。这是关于我们的宇宙是如何开始的普遍观点,但它总是需要用更多更好的数据来修订。请注意,膨胀的开始,或者任何关于膨胀之前到膨胀结束的10^-33秒内的所有信息,在我们可观测的宇宙内都不存在了。

这个阶段,一个宇宙膨胀时期,描述了宇宙的一个并没有充满物质和辐射的阶段,而是宇宙充满了空间本身固有的能量:一种导致宇宙以指数速率膨胀的状态。

在一个被物质或辐射填满了的宇宙里,膨胀速度会随着时间减小,正如宇宙变得更加不那么密集。但是如果空间本身具有固有的能量,那密度就不会降低,而是保持不变,甚至宇宙膨胀的速度也是一样。在一个物质或辐射为主导的宇宙里,宇宙膨胀的速度随着时间推移而减慢,远处的点从一个地方消退的速度变的更慢。但是随着指数级的扩张,速度完全不会下降,而遥远的地点——正如时间加快流逝一样——会两倍于原来的距离,然后四倍,八倍、十六倍、三十二倍,直到永恒。

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图解:如果宇宙被物质,辐射或空间本身固有的能量支配,该图表显示了时空如何以相等的时间增量演化/膨胀,后者对应于一个膨胀,能量固有的空间占主导地位的宇宙。请注意,在膨胀中,每经过一个时间间隔都会导致宇宙在所有维度上都比之前的大小翻倍。(E. 西格尔)

因为膨胀不仅是指数级的,而且增长迅速。“翻倍”发生在10^-35秒的时间尺度上,这意味着:

  • 10^-34秒后,宇宙是其原始大小的一千倍
  • 10^-33秒后,宇宙是其原始大小的10^30(或者1000^10)倍
  • 10^-32秒后宇宙是其原始大小的10^300倍

如此等等。指数显得不那么给力因为这太快了,毫不无情所以显得十分强势。

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图解:关于膨胀最简单的模型是我们从一座众所周知的山顶开始,一直膨胀,然后把整个山峰卷入,随后膨胀在大爆炸中结束。如果山峰不是一个零值,而是一个正的非零值,它也许会进入低能量状态的量子通道,而这对于今天的宇宙来说将会造成严重的后果。

现在,很明显宇宙并没有永远以这种方式扩展,因为我们在这里。膨胀在过去的一段时间内发生,但随后以大爆炸结束。

一个有用的方法来考虑膨胀就像一个球在一个非常平坦的山顶滚的非常慢,只要球保持在最顶上的高原附近,他就会滚得非常慢,而膨胀继续,导致宇宙呈指数级膨胀,然而一旦球到达边缘然后滚下山谷,膨胀停止。当球在山谷中反复振荡时,滚动这个行为会导致膨胀的能量消散,将其转化为物质和辐射,结束膨胀状态,开始炽热的大爆炸。

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图解:膨胀的量子性质意味着它结束在宇宙的一些“口袋”中并在另一些“口袋”中继续。它需要滚下刚才比喻的山,进入山谷,但如果山谷是一个量子场,这意味着它将在某些地区结束,而在另一些地方继续。(西格尔 / 《银河系之外》)

但是膨胀并不是一次在所有地方发生也不能一次在所有地方结束。我们宇宙中所有的事物都要受奇怪的量子力学的制约,甚至包括膨胀本身。当我们考虑到自然界的这个事实,一个不可避免的思路出现了。

1.膨胀并不像一个球——这是一个经典的场——而更像一个随时间扩散的波,就像一个量子场。

2.随着时间流逝,更多的空间因为膨胀而被产生,某些地区,大概可以有更大的可能观测到膨胀的结束,而其他地方会更可能观测到膨胀的进行。

3.膨胀结束的地方会产生大爆炸,而像我们那样的宇宙不会继续膨胀下去太久。

4.随着时间流逝,因为扩展动力学,没有两个地方的膨胀会相互作用和碰撞;膨胀不会结束的地方会继续在两个没有膨胀的地方中间继续膨胀下去,把这些“泡泡宇宙”推开。

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图解:无论什么地方发生膨胀(蓝色方块),会每一刻时间都会产生指数级的空间区域。即使在膨胀结束的地方有很多,也会有多很多的空间膨胀会持续到未来。事实上膨胀是无法停止,它是永恒的,这也是我们现代的多元宇宙概念的来源。(西格尔/《银河系之外》)

当然,与这种膨胀状态相关的因素还有很多。

我们不知道膨胀持续了多久才结束并引发宇宙大爆炸,也不知道持续时间是短是长,还是永恒。

我们不知道膨胀结束的地区是否彼此完全相同,是否具有相同的自然规律,基本常数,还有和我们宇宙一样的量子特性和波动。

我们也不知道多元宇宙是否被一些有物理意义的通道连接,或者是其他宇宙有其自己的规则而不互相影响。

毕竟,我们对平行宇宙的期望是,量子力学对平行宇宙的解释可能会为所有这些替代现实的理论提供可能——在这些现实中做出了不同的决定并实现了不同的结果——是真正地存在的。

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图解:一种表现可能存在于多元宇宙的其他口袋中的不同平行“世界”。 随着时间的推移,必然会出现越来越多的可能性,这意味着必须存在以包含它们的所有宇宙的数量也必须上升,还至少要同样快。

是否有可能在那里有一个宇宙,其中所有事情都发生在这个世界中,除了你做了一件与众不同的小事然后你的生活因此变得异常不同?

选择海外工作而不是在本国的工作?

你站在那里面对困难而不是让自己被利用?

你亲吻了那个在夜晚结束就会离开的人,而不是仅仅只让他离开?

你或你所爱的人在过去的某个时刻所面临的生死攸关的事件会有不同的结果?

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图解:如果平行宇宙的理论适用于薛定谔的猫。尽管这个想法有趣且引人注目,但是如果没有一个无限大的空间装得下这么多的可能性,即使膨胀也不能制造足够的宇宙空间去包容138亿年里宇宙所有进化给我们带来的所有可能性。

也许,相信这一点是一厢情愿的想法。但实际上这是我们的物理事实,那些关于我们宇宙的未知需要具体答案,而那些答案可能看起来不那么真实。

首先,早于宇宙大爆炸的膨胀状态不仅必须持续一段很长的时间,而且是一段真正的无限的时间。让我们来假设宇宙膨胀——即以指数方式扩张——长达138亿年。这会创造足够的空间体积,达到10^(10^⁵⁰)个我们宇宙的大小, 或者说10^¹⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰。

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图解 :多元宇宙理论指出存在有巨大数量的如同我们宇宙一样的宇宙,另外有些宇宙可能有一些极端的基本属性。但是为了让量子力学对多世界的解释在物理上是能实现的,必须有一个地方(即一个真正的宇宙)来存放这些平行结果。除非膨胀发生在了数学无法正确计算的无限的事件中。(李-戴维)

我们宇宙有10^⁹⁰的粒子,我们要求它们每一个从大爆炸以后有同样的相互作用历史来复制我们的宇宙,我们可以通过摄取10^⁹⁰粒子并给予它们138亿年的相互作用来量化概率。 然后我们必须探求量子物理定律和粒子相互作用速率有多少可能的结果。

结果的可能性与双指数一样大——就像10^(10^⁵⁰)——虽然这个数远小于我们对10^⁹⁰个粒子可能的量子结果数的估计,实际的数目要稍微大一点,是(10^⁹⁰)!。那个“!”代表阶乘,其中5!是5*4*3*2*1=120,但是1000!是1000*999*998*…*3*2*1,这是一个有2477位位数的数字。如果你试图计算(10^⁹⁰)!,你会发现这个数比许多天文数字都大。

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图解:来自费米实验室的气泡室轨迹,揭示了所产生的粒子的电荷,质量,能量和动量。虽然这里只显示了几十个粒子的轨迹,但是已经存在天文数字般的可能结果,这些结果可能是由于这里所示粒子在几秒内的相互作用被记录了下来。在任何系统中,可能的量子结果的数量上升得比我们知道的数额巨大的数字要快得多。

这是真的:两个数字都接近无限大。可能的平行宇宙会变得无限大,但是以特定(指数)速率进行,但像我们这样的宇宙可能的量子结果的数量也趋于无穷大,而且速度还要快很多。正如数学家和约翰格林的粉丝都知道的那样,有些无限大于其他无穷大。

这意味着,除非膨胀已经导致了真正的无限时间,否则没有平行的宇宙与此相同。粒子相互作用的可能结果是数量增加的速度甚至超过膨胀引起的可能宇宙数量; 甚至一个膨胀的多元宇宙也不足以容纳你需要的平行宇宙,这些宇宙需要多量世界的量子物理学解释来放置所有的备用时间线。

平行宇宙是什么样子的?在哪里会有另一个自己吗?

图解:虽然预计许多独立的宇宙是在膨胀的时空中创造,但膨胀永远不会在任何地方同时发生,而是仅在由不断膨胀的空间隔开的不同的独立区域内。这就是多重宇宙的科学动机来源,以及为什么没有两个宇宙会碰撞的原因。由于各个宇宙中粒子的相互作用,膨胀创造的宇宙根本不足以保持所有可能的量子结果。(KAREN46 / FREEIMAGES)

虽然我们不能证明膨胀是否会永远发生,但是有定理推测膨胀时空不能推断到任意时间,如果真的可以,那么它们将没有开端,这被称为过去时间不完整。膨胀也许会给我们带来巨大数量的宇宙,这些宇宙驻留在一个更大的宇宙中,但这空间并不够来让它们生成另一个平行的你。可能的结果数量增长的太快了,以至于一个无限的宇宙都不能将他们全部装下。

在所有的多元宇宙中,你可能只有一个。你必须指望这个宇宙,因为没有一个另外版本的你。拿到理想的工作。为你自己而活。没有遗憾地克服所有困难,在你生命的每一天全力以赴。其他的宇宙没有另一个版本的你,除了你生活在现实中的未来之外,也没有未来等待着你。多多考虑吧。

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