我們的宇宙會不會與另一個宇宙發生碰撞,從而揭示出多元宇宙?

無論我們在宇宙中眺望多遠,總會有更多的“宇宙”可以看到。即使在可見光的極限範圍內——四面八方460億光年,考慮到大爆炸以來經過的時間有限,宇宙膨脹,光速有限——也沒有任何證據表明我們想象的種種怪異。宇宙沒有邊緣,沒有偏離大規模均勻性,沒有首選方向的證據,也沒有重複模式的證據。即便如此,重要的是讓我們的思想對所有不排除的可能性保持開放。畢竟,“沒有證據並不意味著沒有證據”。

我們的宇宙會不會與另一個宇宙發生碰撞,從而揭示出多元宇宙?

一個更奇妙的可能性是,我們的宇宙只是存在的眾多宇宙中的一個,所有這些宇宙都嵌入了一個更大的多元宇宙。如果是這樣的話,我們的宇宙會不會與另一個宇宙碰撞,可能會在我們自己身上留下印記?

如果我們想知道這些宇宙是否會發生碰撞,我們必須回到它背後的理論:宇宙膨脹。讓我們看看上面怎麼說。

我們的宇宙會不會與另一個宇宙發生碰撞,從而揭示出多元宇宙?

回到熱大爆炸的早期,宇宙是:

密度驚人,甚至超過中子星核心的密度,令人難以置信的高溫,能量達到了歐洲核子研究中心大型強子對撞機的萬億倍,異常均勻,密度過高和密度過低的區域與平均密度相差僅約0。003%,充滿了粒子和反粒子,所有這些粒子都是如此充滿能量,它們以光速無法區分的速度運動,而且膨脹得異常迅速。

我們還知道,膨脹率與宇宙中存在的所有各種形式的物質和能量的總和之間存在非常重要的關係:如果它們之間達到完美平衡,則宇宙可以膨脹而不會重新塌陷或膨脹為空洞。 如果他們不這樣做,宇宙將幾乎立即重新坍塌或“清空”。 我們知道,從大爆炸後 138 億年的角度來看,這種早期的平衡與完美無異。

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宇宙膨脹是解釋這種情況如何發生的第一個想法——大爆炸的附加因素。膨脹的假設是,總能量密度和膨脹率如此完美地平衡的原因是,大爆炸並不是一切的開始,而是在被稱為膨脹的階段之前:那裡沒有物質、反物質或輻射,但宇宙的膨脹是由空間本身固有的能量形式決定的。

這將建立一個有趣的場景。你看,當你的宇宙充滿了類似物質的東西時,存在著固定數量的粒子:當體積增大時,粒子的密度降低。因此,當能量密度降低時,膨脹率也降低:兩者必須平衡。同樣地,在輻射下,密度也會下降,但下降得更快;輻射不僅由固定數量的粒子組成,而且這些粒子中的每一個都表現為波,這意味著隨著宇宙的膨脹,輻射的波長會延長,導致膨脹率比物質填充宇宙的情況更迅速地減小。

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但是對於空間固有的能量,能量密度保持不變。即使宇宙膨脹,空間仍然是空間。由於能量密度平衡了膨脹率,如果你被空間本身固有的能量所支配,膨脹率不會改變。

假設這種早期的、空間狀態固有的能量是非常有說服力的。如果你的宇宙正在膨脹,就好像存在著空間固有的能量,膨脹率不會隨時間而改變,這意味著膨脹將是指數級的。

指數是指:

假設你有一個點離你有一段距離,你允許一定的時間過去,直到那個點的距離加倍,如果你再讓這段時間過去,距離會加倍,所以是原來距離的四倍,如果這個時間間隔再次過去,這個距離又增加了一倍,是原來距離的八倍,如果經過10到100倍的時間間隔,這個距離就變成原來距離的2^10到2^100倍,

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使一個以這種方式膨脹的宇宙被拉平,清空所有先前存在的物質和輻射,並使它在任何地方都具有相同的性質,因為現在佔據我們可觀測宇宙的一切都是從膨脹空間的這個曾經很小的區域出現的。

正是膨脹的指數性質使它能夠先於大爆炸,並建立大爆炸;如果取而代之的是物質或輻射,宇宙的膨脹率會隨著密度的稀釋而下降,如下圖所示。

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上圖:該圖按比例顯示,如果您的宇宙由物質、輻射或空間本身固有的能量主導,則時空如何以相等的時間增量演化/膨脹,後者對應於膨脹的空間固有能量- 主宰宇宙。 請注意,在暴脹中,經過的每個時間間隔都會導致宇宙在所有維度上都比其先前的大小翻倍。

當然,我們有充分的理由相信,膨脹的發生並不能解釋這些無法解釋的謎團。一個是膨脹的宇宙,假設膨脹是一個量子場,就像宇宙中其他場一樣經歷量子漲落,這些量子漲落會在膨脹的宇宙中延伸。當膨脹結束時,空間固有的能量被“傾倒”到粒子中:物質、反物質、輻射等,一系列可觀察到的後果隨之而來。它們包括:

密度漲落的幾乎完全尺度不變的譜,其中最大尺度上的漲落幅度略大於較小尺度上的漲落幅度的百分之幾,其中,這些漲落是100%絕熱的(具有恆定熵)和0%絕熱的(具有恆定空間曲率),在比宇宙視界更大的尺度上存在波動的地方,在宇宙大爆炸的早期階段,有一個觀測到的最高溫度上限,這個上限明顯低於普朗克能量標度。

所有這些預測都得到了證實,而膨脹的結束對應著大爆炸的開始。我們的宇宙起源現在已經被推回到大爆炸之前,這種膨脹狀態。

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圖注:在頂部圖中,我們的現代宇宙在任何地方都具有相同的屬性(包括溫度),因為它們起源於具有相同屬性的區域。在中間的圖中,可能有任意曲率的空間被膨脹到我們今天無法觀察到任何曲率的程度,從而解決了平坦度問題。在底部圖中,預先存在的高能遺物被膨脹掉,為高能遺物問題提供瞭解決方案。這就是通貨膨脹如何解決大爆炸本身無法解釋的三大難題。

當然,這也會帶來其他後果:這些後果可能不像我們能夠測試和測量的這些現象那麼容易觀察到。事實上,膨脹預測的一些東西可能永遠無法觀察到,因為有一個事實非常重要,值得強調:

膨脹,由於指數膨脹的性質,永遠從我們的宇宙中抹去任何在膨脹本身的最後一小部分秒之前產生的訊號。

只有在膨脹的最後一刻,一小塊空間會:

波動時膨脹,從指數級膨脹並充滿空間固有的能量到像物質、反物質和輻射充滿的宇宙那樣膨脹的轉變,導致了一個至少有一個足球大小的區域的熱大爆炸,這是熱大爆炸開始時我們宇宙的最小尺寸,

我們可以觀察到的。在那次事件之前發生的任何事情,或者在足球大小的區域之外發生的任何事情,都無法被觀察到。

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那麼,根據膨脹理論,到底發生了什麼?

想象膨脹最簡單的方法之一是想象你在一個非常平坦的山上有一個球,隨著時間的推移,球從山上滾下來,在一邊或另一邊,進入下面等待的山谷。只是,這個球不是一個經典的球-在山上有一個明確的,明確的位置——這是一個量子球,它的機率分佈是隨時間擴充套件的。

現在,這裡有一個大多數人都不認識的膨脹的關鍵部分:山必須有一套特定的屬性,這樣球滾動得足夠慢,給我們足夠的膨脹,從而產生我們所看到的宇宙。這就對山丘可能具有的允許形狀施加了重要而有意義的限制,尤其是,這一事實是正確的:山丘需要足夠平坦,以使球滾動緩慢。

然而,這使得量子場決定了球的位置,你必須比較“球的滾動速度平均有多快”和“由於量子效應,球在山上可能的位置上的速度有多快?”

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這是有趣的,重要的教訓:在幾乎所有的膨脹模型中,當球滾動的速度慢到足以使“足夠”的膨脹與我們的宇宙相一致時,“量子擴散”發生的比滾動的速度要快,特別是當你在山的平坦部分時。

這意味著,在膨脹期間,你會得到一些區域,這些區域的磁場“擴散”到更靠近山谷的地方,一旦你進入山谷,膨脹就結束了。

但你也會看到膨脹在那時還沒有結束的地區,並向山上平坦的部分蔓延,在那裡膨脹還會持續一段時間。事實上,計算出這一點的數學結果非常有力地表明:

是的,在膨脹期間,總會有一些地區“球”滾進山谷,在那裡,膨脹結束,我們得到了一個熱的大爆炸,但在那些“膨脹結束”地區周圍的地區,通脹仍在繼續,在這些區域中,空間呈指數級膨脹,而不是在你得到一個熱的大爆炸的區域中以快速下降的速度膨脹。

這是非常非常重要的,因為這正是產生多元宇宙的原因:宇宙膨脹影響下的空間特性。

我們的宇宙會不會與另一個宇宙發生碰撞,從而揭示出多元宇宙?

在膨脹期間,膨脹是無情的:任何地方的空間都以同樣快速、恆定的速度膨脹。你可以想象這個空間就像一片水的海洋,海洋正在膨脹:隨著時間的推移,越來越多的水出現了。

然後你可以想象膨脹在某些區域結束,這些區域就像形成和生長的小氣泡,類似於一壺沸水從微小氣泡開始成核和生長。

但與沸水中不同的是,海水的“膨脹”特性將這些氣泡分開;它們會成長,但它們之間不斷膨脹的海洋會相對更快地成長,從而確保任何兩個單獨的氣泡都不會發生碰撞。

這就是宇宙膨脹的標準圖景,以及它是如何和為什麼產生多元宇宙的。事實上,一旦膨脹開始,在任何兩個膨脹結束的地方之間,總會有一個地區繼續膨脹;從這個意義上說,膨脹是永恆的。然而,我們只能觀察我們存在於其中的宇宙,那就是138億年前發生熱大爆炸的地方。毫無疑問,沒有證據表明在早期宇宙中發生過氣泡碰撞,因為這樣一個事件所留下的印記已經不見蹤影了。

我們要傳達的資訊是:為了得到足夠的膨脹來解釋我們所觀察到的宇宙,負責膨脹的場必須具有某些屬性。如果它有這些性質,我們不僅可以解釋沒有膨脹的大爆炸所能解釋的一切,我們還可以解釋大爆炸本身所不能解釋的一切,再加上做出新的預測,這些預測後來得到了檢驗和證實。

我們的宇宙會不會與另一個宇宙發生碰撞,從而揭示出多元宇宙?

然而,還有另一個現實中無法避免的後果,那就是:多元宇宙,在多元宇宙中,許多獨立的宇宙被創造出來,它們從不相互作用、重疊或碰撞。當然,我們沒有證據證明多元宇宙存在;唯一可以觀察到的結果是我們宇宙中的“瘀傷”,這與我們所看到的不一致。在他們最初的提議提出近40年後,一切仍然符合最簡單的膨脹模型。