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    你想知道的平行宇宙(下)(1)

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      科普驿站 第三十期

      主题:你想知道的平行宇宙(下)

      科目:物理/天文学

      难度:B2

      时间:2019年11月24日

      作者:咕咕黎、重蝶子、弦轴子

      讲师:弦轴子

      上期我们讲述了由量子力学中的多世界诠释发展而来的平行宇宙假说和可观测宇宙中的平行宇宙假说,多重平行宇宙以及为了解释自由中子寿命矛盾而引入的非常奇幻的镜像平行宇宙假说。而这期我们讲一讲三种平行宇宙:一种是基于永恒暴涨提出来的平行宇宙,也就是俗称的宇宙泡泡;另一种就是基于弦理论和额外维理论的膜宇宙模型中的平行宇宙;最后一种是由弦理论得来的,选择不同的紧致化方式其真空能的取值形成了一个复杂的“山脉地形图”, 构成了所谓的弦景观(大概有10^500个),每一个都可以是一个宇宙。

      宇宙泡泡:

      我们来先谈谈基于永恒暴涨理论下的平行宇宙,这个版本的平行宇宙论想法从何而来?我们有什么证据可以证明它?它面临着什么样的问题?

      想要了解这个想法,需要一步一步来。首先我们需要先知道这个想法是在什么情况下、为什么提出的。

      研究这个概念时,我们必须先要介绍一下什么是暴涨理论

      这一切都要从宇宙的诞生开始说起。一切都是源发于距今140亿年前的一个奇点,一次猛烈的爆炸,经过数十亿年,宇宙冷却下来逐渐形成了星系和行星。

      由于那次大爆炸,宇宙至今仍然在膨胀,这就是大家都耳熟能详的“大爆炸理论”。

      但我们真的了解大爆炸吗?我想答案一定是“不!!”

      如果我们把时间倒回最初还没有爆炸的时候,我们会发现“大爆炸理论”并不能解释为什么宇宙会一直膨胀,它什么时候停下来以及宇宙现在为什么在大尺度上是各向同性的。“大爆炸理论”也没有解释为什么爆炸,在爆炸之前又发生了什么。(这两个问题在宇宙大爆炸理论框架中是永远解决不了的,除非把它包含在更大的框架中。而且我们没有必要要求宇宙大爆炸理论必须可以解决这两个问题。)

      可能有点乱,但是宇宙大爆炸模型刚提出来的时候确实有很多问题。

      现在我们仔细梳理一下这些问题。

      你想知道的平行宇宙(下)(1)

      首先第一个,宇宙的视界疑难

      为什么我们现在看到的宇宙在大尺度上是均匀同性的,具有均匀性?

      要知道在早期宇宙的时候,有许多区域并没有因果关联,因为光速是有限的。那么不同区域是通过什么机制到统一的标准,统一的均匀性?今天的均匀性是怎么形成的呢?这就被称为视界疑难或者是均匀性疑难/因果疑难。

      第二个问题就是宇宙的平直性问题

      在标准宇宙模型中,决定宇宙膨胀速度和宇宙的结构的是辐射与物质。在早期宇宙中,宇宙的结构是高度弯曲的,然而现在却发现我们宇宙大尺度上是近似平坦的。如果宇宙按照目前的膨胀速率,是不可能得到今天的观测值的。是什么导致了宇宙突然从高度弯曲变成平坦?这种问题被称为平直性疑难。

      这个问题提出之后有很多人声称可以解决,但是都很不自然。

      直到20世纪70年代中期,粒子物理学家开始介入宇宙学领域,问题得到了很好的解决。

      在上世纪80年代初期,古斯认为在宇宙早期真空能占主导地位。真空用一个标量场来描述,真空自由能密度的极小值对应的状态被称之为真空态。此时真空态是物理真空,所具有的能量被称之为真空零点能。当真空自由能密度出现新的极小值的时候,原来的真空态就是亚稳真空态,也就是假真空。这个时候物理真空不再具有原来的对称性,成为了对称破缺真空。这个时候亚稳真空态会朝着更稳定的真空态跃迁被称之为真空相变,释放出强大的势能。强大的能量让宇宙加速膨胀。这个标量场也被称为暴涨场。

      一开始宇宙是非常小的,所以各个区域都联系的很好,直到某个阶段真空为主,早期宇宙在一个普朗克时间内快速膨胀,可能是几个普朗克时间之内膨胀到非常大尺度上。但在这个超级膨胀之前,宇宙各个区域已经联系得非常好了,超级膨胀也抹去了宇宙的高曲率,所以今天的宇宙看起来是近似平坦的。这个短暂的加速膨胀或者超级膨胀,很好地解决了上述两个疑难,包括其他问题。所以被很多人接受,这就是最早的暴涨理论。当然,最初版本的暴涨理论依然面临着很多新的问题,这里由于篇幅有限就不多说了。

      温伯格曾经评价过暴涨理论,说那很简单,但是没有人想到。

      关于暴涨理论到底是谁提供的能量?众说纷纭,有的认为是希格斯场提供的;有的人假设某种暴涨场;有的甚至将暗能量的候选人与暴涨联合在一起。

      那么如何验证暴涨理论呢?

      暴涨理论会让大家如此兴奋,其中一个原因是它可以通过观测来验证。想象一下,如果我们可以把太阳拿掉,把所有的恒星星系都拿走。如果我们肉眼能够观测到宇宙中剩余的能量,我们会看到宇宙到处都散发着红光。这些辐射我们称为宇宙微波背景,也就是大爆炸残存的热辐射。

      这一理论预测宇宙在暴涨时期的猛烈膨胀会在辐射中留下痕迹,从这些痕迹中,我们可以非常精准地得出温度变化的图形。直到理论提出的十年过后,我们的科学技术才足以达到能够检验这一预测,在1989年美国宇航局NASA发射了“宇宙微波探测者”卫星。2001年又发射了另一颗,WMAP(威尔金森韦伯各异向性探测器)。结果令人非常震惊,经过精密地探测,宇宙的温度变化几乎和暴涨论预测的完全吻合。

      不过有一种疑问,那就是为什么现在感受不到任何暴涨,虽然宇宙在加速膨胀,但是绝不是宇宙早期那种快速的在几个普朗克时间内高速膨胀那种速度。

      所以很自然的一个问题就是为什么现在没有暴涨发生?是什么时候停止的?为什么停止?

      解决这个问题有很多模型假设,但是有一种理论认为暴涨从未停止,只是我们这个宇宙停了而已。这个理论就是永恒暴涨理论。在这个理论框架下,它认为我们的宇宙脱离了暴涨场,但是有很多新生的宇宙并没有脱离暴涨场。

      就类似于一个人用吸管在吹水,产生很多气泡。正在产生的气泡,就是正在暴涨阶段的宇宙,而在水中的气泡就是已经脱离暴涨的宇宙,我们的宇宙就在其中。

      你想知道的平行宇宙(下)(1)

      这将意味着我们的宇宙有可能不止一个,而是有很多宇宙,他们类似于泡泡一样产生,迅速膨胀,存在不同宇宙泡泡中也许有我们这样的生命,而且宇宙大爆炸并非唯一,而是时常发生的事情,以后也将会有无数次的爆炸时常发生。而新的宇宙会不断诞生,从而使多重宇宙不断膨胀。这一理论我们称为“永恒暴涨”。

      我们之所以无法感受到其他宇宙的暴涨,是因为我们已经脱离了暴涨。

      不过,这个理论也有它的缺陷,因为我们只能看到所有的一小部分,不仅无法观测到其他的宇宙,也无法观测它们之间的空间。

      我们不知道有没有任何的光、物质能够从其他宇宙进入到我们的宇宙,但是光速是有限的,所以在大尺度上最快的光如同蜗牛一般前行,所以是无法验证之中多重宇宙的。

      因此,很多物理学家对这个理论反应冷淡,由于没有证据能够支持这个理论,多重宇宙这个构思似乎变得穷途末路了,这个项目停止了将近10年的时间,但有几个科学家保住了这个想法的小火苗。

      我们将在下次介绍膜宇宙模型。


      参考引源:

      《引力论与宇宙论》美国,斯蒂芬.温伯格。

      《天体物理概论》向守平。

      《超弦史话》李淼。

      《额外维模型与对称性破缺》兰州大学,李庆、任继荣。

      《探测额外维的实验设想及膜世界图景的研究》大连理工大学,罗峰、刘宏亚。

      《通向实在之路-宇宙法则的完全指南》英国,罗杰.彭罗斯。

      《时空的维数》李新洲。

      《弯曲的旅行-揭开隐藏的宇宙维度之迷》美国,丽莎.兰道尔。

      《源自弦景观的有效Quintessence》翟韩豫、申佳音、薛迅。

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      Lv.16微波波长
      VIP4
      阿基米德🌏
      打赏了1金币

      头像我脑补的是仰望星空的猫猫

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      Lv.11巨型病毒
      🌾袁隆平
      对对对,我个人觉得啊,我们所在的宇宙外应该会有一个个类似的宇宙,但不一定是有所关联的,所以我先不谈平行宇宙论。就接着宇宙大爆炸来说,如同我们宇宙内部无数个星系,恒星,行星一般,宇宙应该也是有许多的,而在众多分宇宙外应该还有一个总和,总和外应该还有许多个总和……宇宙有可能会由宇宙前身(也可能又是宇宙)的一个(些)物质(也有可能是原来已经膨胀到最大限度的宇宙),坍缩成一个奇点,然后爆炸,在那一个总和中变成一个宇宙,又开始膨胀。然后就会有许多种可能(我不过知识水平有限就能想出两种)
      1.在总和内两个或多个宇宙相撞,然后引发爆炸,毕竟根据熵增定律,在总和中,宇宙可能也会显无序状态,而两个及多个宇宙之间可能也会有暗物质这些物质。
      2.就是可能会由原来膨胀到最大限度的旧宇宙或物质集合体坍缩成奇点再爆炸。
      以上内容都仅为推测,没有啥证据 [s-17] 只是这样可以来解释为什么宇宙是从一个奇点爆炸开始的 [s-38]

      学生

    • 背包客Cedric也可以解释宇宙爆炸之前在拥有多个宇宙的总和之中,发生了什么
      拉黑 1月前 手机端回复
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      Lv.11巨型病毒
      🌾袁隆平
      不过这个泡泡的这个也是可以说的通的,毕竟泡泡爆炸时一刹那间温度也的确很高

      学生

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      Lv.15蚂蚁
      VIP4
      🌼春暖花开
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      当你凝视星空的时候,群星也在注视着你。

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      Lv.6伽马射线
      VIP2
      中秋快乐
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      天文方面的学术垃圾

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      Lv.2中微子
      阿基米德🌏
      在广袤的空间和无限的时间中,能够与你共享同一颗星球和同一段时光,是我的荣幸。
      —卡尔.萨根

      法学生|不太合格的天文爱好者|

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      Lv.7原子
      VIP2
      欧拉
      [s-1]

      星台短暂一生,光彩炽烈,壮美无与伦俦。

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      Momeng笛卡尔❤️
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