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    多重宇宙论:我们的宇宙是一个膨胀的泡泡?

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      诺贝尔

      如果我们的宇宙是一个在更大的多重宇宙中膨胀的泡泡,那它可能会因为与附近的泡泡碰撞而留下“疤痕”

      在我们所处的宇宙之外是什么?这似乎是一个无法回答的问题。然而,一些宇宙学家给出了回答:我们的宇宙是一个正在膨胀的泡泡;在它之外,存在着更多的“宇宙泡泡”,它们都沉浸在一个不断膨胀和充满能量的海洋中。这就是多重宇宙论(multiverse)。

      这个概念正在两极分化。一些物理学家接受了多重宇宙论,认为这可以解释为什么我们的宇宙看起来如此特殊(只有特定的宇宙泡泡可以容纳生命),另一些物理学家则拒绝接受这个理论,认为它所做出的预测无法进行检验(它预测了所有可想象的宇宙)。不过,也有一些研究人员认为,他们现在只是暂时没有能力计算出该理论的精确结果。

      目前,多个研究团队都在寻找新的方法,试图准确推断多重宇宙泡的产生过程,以及当这些宇宙泡泡碰撞时会发生什么。

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      “这种尝试成功的机会很小,”加拿大多伦多大学的宇宙学家乔纳森·布莱登说道。他参与了这项工作,但认为这是在为“你觉得永远无法验证的东西”寻找证据。

      多重宇宙假说是在研究宇宙如何诞生的过程中提出来的。在宇宙的大尺度结构中,理论物理学家们发现了宇宙在诞生之初爆发式膨胀的迹象。20世纪80年代早期,当物理学家们在研究宇宙如何开始和停止暴胀时,一幅令人不安的画面出现了。研究者意识到,尽管我们的宇宙空间(我们所处的宇宙泡泡)和其他宇宙(其他的宇宙泡泡)停止了暴胀,但量子效应应该会使大部分空间继续膨胀,这就是所谓的“永恒暴胀”理论。

      真真空与假真空

      宇宙泡泡与其周围环境的区别在于空间本身的能量。当空间尽可能空旷、不可能失去更多的能量时,它就达到了物理学家所说的“真真空”状态中。你可以想象一个放在地板上的球,它是不会再继续下落的。但是,系统也可能出现“假真空”状态。想象在桌子上的碗里放一个球,它可以滚来滚去,同时又时不时停留在远处。如果施加足够大的震动,这个球就可能落在地板上,达到“真真空”的状态。

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      在宇宙学背景下,空间同样会陷入一种“假真空”状态。一个微小的假真空偶尔会松弛变成真真空——可能是通过随机的量子事件——而这个真真空会像泡泡一样向外膨胀,“吃掉”假真空的过剩能量,这个过程被称为“假真空衰变”。也许正是这一过程使我们的宇宙以大爆炸的方式诞生,我们宇宙历史上的第一个事件,可能就是一个真空的泡泡。

      但在预测真空泡的行为方面,物理学家们付出了巨大的努力。一个真空泡的未来取决于无数微小细节的积累。泡泡的变化也十分迅速,当它们向外扩张时,泡壁的速度可接近光速;与此同时,这些泡泡也具有量子力学的随机性和波浪性。关于这些过程的不同假设给出了相互矛盾的预测,我们无法判断哪些可能最为接近现实,这就好比“你把很多物理学家很难处理的问题揉成一团,然后说,‘去吧,弄清楚到底发生了什么’”。

      模拟真空泡

      很显然,物理学家们不可能刺破多重宇宙中的真空泡,但他们一直在寻找模拟这些泡泡的数学和物理方法。

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      物理学家正在对多重宇宙的膨胀和相互碰撞过程进行数学和物理模拟。与邻近宇宙泡泡的碰撞可能会改变泡泡外壁某一区域的温度,从而形成了早期宇宙的光线暗区,即宇宙微波背景

      最近,一个研究小组通过一个简单的模拟,诱导出了类似真空泡的行为。包括加州理工学院著名理论物理学家约翰·普雷斯基尔在内的研究人员,从“你能想到的这个问题最初级的版本”着手,正如共同作者阿什利·米尔斯泰德所说的:一串大约1000个可以朝上或朝下的数字箭头。在一串几乎都朝上的箭头与一串几乎都朝下的箭头相遇的地方,就形成了一堵泡泡外壁。通过翻转箭头,研究人员可以使泡泡外壁移动和碰撞。在特定情况下,这个模型完美地模拟了自然界中更复杂系统的行为。研究人员希望用它来模拟假真空衰变和泡泡碰撞的过程。

      起初,这个简单设置的模型并没有按照实际情况来运行。当泡泡外壁碰撞在一起时,它们会完美地反弹,没有像预期的那样出现复杂混响或粒子流出(表现为箭头像涟漪一样翻转)。但在添加了一些数学元素之后,研究团队发现碰撞外壁喷出了高能粒子——随着碰撞越来越猛烈,喷出的粒子也越来越多。

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      然而,在2020年12月发表于预印本论文中的这些结果,预示着传统计算方法在这个问题上进入了死胡同。研究人员发现,随着产生的粒子混合在一起,它们会“纠缠”并进入一个共享的量子态。每增加一个粒子,它们的状态复杂程度就会以指数形式增加,即使是最强大的超级计算机也无法进行模拟。

      研究人员表示,出于这个原因,关于泡泡行为的进一步发现可能要等到量子计算机技术的成熟。这种计算机的计算元件(量子位元)可以处理量子纠缠,因为它们本身就依靠量子纠缠来进行计算。

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      与此同时,其他研究人员另辟蹊径,希望让大自然来帮助他们解答这道数学难题。英国杜伦大学的物理学家迈克尔·斯潘诺夫斯基和史蒂文·阿贝尔相信,他们可以通过一种与真空态遵循相同量子规则的设备来避开复杂的计算。如果你能在一个自然实现的设备上编码这种系统,那就不必再进行计算了,这就更像是一个实验,而不只是理论预测。

      这样的设备被称为“量子退火机”(quantum annealer)。这是一种受限的量子计算机,通过寻找量子位元的最低能量状态,专门解决优化问题——这一过程与假真空衰变十分类似。

      阿贝尔和斯潘诺夫斯基使用一种名为“D-Wave”的商业量子退火器,编写了一串约200个量子位元的程序,来模拟一个具有更高和更低能量状态的量子场,类似于假真空和真真空。然后,他们让系统松开,观察前者如何衰变为后者,并最终导致真空泡的诞生。

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      他们在2020年6月发表的预印本论文中描述了这个实验,但只是验证了已知的量子效应,并没有揭示任何关于真空衰变的新发现。不过研究人员希望最终能利用D-Wave来一步一步地超越当前的理论预测。

      第三种方法是抛开计算机,直接形成泡泡。以接近光速膨胀的量子泡并不容易获得,但在2014年,澳大利亚和新西兰的物理学家提出了一种在实验室中制造这种泡泡的方法。他们使用了一种奇异的物质状态,即玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)。当一团稀薄气体冷却到接近绝对零度时,就可以凝聚成BEC,并具有罕见的量子力学特性,包括干涉另一个BEC的能力,就像两束激光之间的干涉。研究小组预测,如果两个凝聚态以适当的方式相互干涉,实验人员应该就能捕捉到从凝聚态中形成泡泡的直接图像——这些泡泡的行为与多重宇宙论中假设的泡泡类似。

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      因为这是一个实验,所以包含了自然界所要放入的所有物理规律,包括量子效应和经典物理效应。物理学家团队正在研究如何稳定凝聚态混合物,以防止不相关效应造成的坍缩。经过多年努力终于着手准备原型实验,希望在未来几年内吹出冷凝态泡泡。

      如果一切顺利,这项实验将回答两个问题:泡泡形成的速度,以及一个泡泡的膨胀如何改变附近另一个泡泡膨胀的几率。布莱登为这个实验的理论基础做出了贡献,他指出,这些问题甚至不能用现有的数学语言来表述。

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      这些信息将帮助宇宙学家精确计算出在遥远的过去,一个邻近的宇宙泡泡会如何与我们所处的宇宙发生碰撞。这样的碰撞可能会留下疤痕,可能就是天空中某个圆形的冷斑。研究者一直在寻找这样的冷斑,但仍没有找到。其他的细节,比如碰撞是否也会产生引力波等,则取决于未知泡泡的具体情况。

      即使多重宇宙只是海市蜃楼,物理学家可能仍然会受益于为探索这一假说而开发的各种工具。理解多重宇宙就是理解无处不在的空间物理。
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