多重宇宙学:我们的宇宙是膨胀的泡泡吗?

2021年2月3日15:22:53 评论 55

多重宇宙学:我们的宇宙是膨胀的泡泡吗?

如果我们的宇宙是一个在更大的多元宇宙中膨胀的气泡,它可能会留下“伤疤”,因为它会与附近的气泡碰撞。新浪网讯时间2月3日,我们的宇宙之外是什么?这似乎是一个无法回答的问题。然而,一些宇宙学家给出了答案:我们的宇宙是一个不断膨胀的气泡;除此之外,还有更多的“泡沫宇宙”,它们沉浸在一个不断膨胀、充满活力的海洋中。这就是多元宇宙理论。

这一概念正变得两极化。一些物理学家接受了多重宇宙学,认为它可以解释为什么我们的宇宙看起来如此特殊(只有某个气泡宇宙可以容纳生命),而另一些物理学家则拒绝了这一理论,认为它的预测无法检验(它预测所有可以想象的宇宙)。然而,一些研究人员认为,他们只是暂时无法计算出这一理论的精确结果。

目前,许多研究团队正在寻找新的方法来准确推断多元宇宙气泡的产生过程以及这些气泡宇宙碰撞时会发生什么。

“这种尝试成功的可能性很小,”加拿大多伦多大学的宇宙学家乔纳森布雷登说。他参加了这项工作,但认为这是在为“你觉得永远无法核实的事情”寻找证据。

多元宇宙假说是在研究宇宙如何诞生的过程中提出的。在宇宙的大尺度结构中,理论物理学家在宇宙诞生之初就发现了宇宙爆炸膨胀的迹象。20世纪80年代初,当物理学家们正在研究宇宙如何开始和停止膨胀时,一幅令人不安的画面出现了。研究人员已经意识到,虽然我们的空间(我们生活的气泡宇宙)和其他宇宙(其他气泡宇宙)已经停止膨胀,但量子效应应该会使大部分空间继续膨胀,这就是所谓的“永恒膨胀”理论。

真真空和假真空

气泡宇宙与周围环境的区别在于空间本身的能量。当空间尽可能的空,不可能失去更多的能量时,它就达到了物理学家所说的“真正的真空”。你可以想象一个球在地板上,它不会继续下落。然而,系统也可能处于“假真空”状态。想象一下把一个球放在桌子上的碗里。它可以滚来滚去,时不时地停留在远处。如果施加足够的振动,球可能会落在地板上,达到“真正真空”的状态。

在宇宙学背景下,空间也会陷入“假真空”状态。一个微小的假真空偶尔会松弛成一个真正的真空——,可能是通过一个随机的量子事件——,这个真正的真空像一个气泡一样向外膨胀,“吞噬”了假真空的多余能量。这个过程叫做“假真空衰变”。也许正是这个过程以大爆炸的形式诞生了我们的宇宙。伦敦大学学院的宇宙学家希兰娅佩里斯说:“我们宇宙历史上的第一个事件可能是一个真空泡。”

但是物理学家已经做了很大的努力来预测真空气泡的行为。真空泡泡的未来取决于无数微小细节的积累。泡沫也变化很快。当它们向外膨胀时,泡壁的速度可以接近光速。同时,这些气泡在量子力学中是随机的、波浪形的。关于这些过程的不同假设给出了相互矛盾的预测,我们无法判断哪些是最接近现实的。Bladen说,这就像“你给物理学家捏了一大堆难题,说‘去,搞清楚到底发生了什么’”。

模拟真空泡

显然,物理学家无法刺破多元宇宙中的真空气泡,但他们一直在寻找数学和物理方法来模拟这些气泡。

多重宇宙学:我们的宇宙是膨胀的泡泡吗?

物理学家正在对多元宇宙的膨胀和碰撞进行数学和物理模拟。与邻近气泡宇宙的碰撞,可能改变气泡外壁某一区域的温度,从而形成早期宇宙的暗光区,即宇宙微波背景。最近,一个研究小组通过一个简单的模拟,诱导出类似真空泡的行为。研究人员,包括加州理工学院著名的理论物理学家约翰普雷斯基尔德,从“你能想到的这个问题的最基本版本”开始,正如合著者阿什利米尔斯泰德所说:一串大约1000个可以向上或向下的数字箭头。在一串几乎向上的箭头和一串几乎向下的箭头相遇的地方形成了气泡壁。通过翻转箭头,研究人员可以使气泡的外壁移动和碰撞。在某些情况下,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伪真空衰变和气泡碰撞的过程。

起初,这种简单的设置模式并不符合实际情况。气泡外壁相互碰撞时,反弹完美,没有预想中的复杂混响或粒子外流(箭头翻转如波纹)。但是在加入一些数学元素后,研究小组发现高能粒子——是从碰撞的外壁喷出来的。随着碰撞越来越激烈,越来越多的粒子被喷射出来。

然而,2020年12月发表在预印纸上的这些结果表明,传统的计算方法在这个问题上已经走到了死胡同。研究人员发现,当产生的粒子混合在一起时,它们会“纠缠”并进入共享的量子状态。每增加一个粒子,其状态复杂度就呈指数级增加,即使是最强大的超级计算机也无法模拟。

研究人员说,由于这个原因,进一步发现气泡行为可能需要等到量子计算机技术成熟后。这台计算机的计算元件(量子位)可以处理量子纠缠,因为它们依靠量子纠缠来计算。

与此同时,其他研究人员采取了不同的方法,希望让大自然帮助他们解决这个数学问题。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认为他们可以通过真空

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,”斯潘诺夫斯基说,“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。

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。

佩里斯说:“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。”佩里斯所领导的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,她和同事们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。

这些信息将帮助像布莱登和佩里斯等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。佩里斯和其他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。

假真空衰变“似乎是物理学的普遍特征,”佩里斯说,“我个人不相信纸面上的理论计算能让我们解决这个问题。”(任天)

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