為什麼認為存在多元宇宙?而不僅僅只有我們的宇宙

宇宙 銀河 物理 量子科學論 2019-06-18
為什麼認為存在多元宇宙?而不僅僅只有我們的宇宙

觀察銀河系外遙遠的宇宙,讓我們認識到我們的宇宙正在膨脹和冷卻,星系之間的距離也越來越遠。這個觀測結果對我們來說意味著什麼?如果宇宙正在膨脹和冷卻,那麼這意味著在過去的時刻它應該更加緊密和炙熱。

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這時我們就會想是什麼導致了宇宙的膨脹,宇宙已經膨脹了多大,換句話說我們宇宙的膨脹速率是多少?根據廣義相對論,宇宙的膨脹率是由主導宇宙的能量類型決定的。

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在我們宇宙歷史的大部分時間裡,儘管宇宙充滿了星系、恆星、行星以及我們所發現的所有物體,但宇宙的大部分時間都是由正常物質和輻射能量主導的。(這裡不包括暗能量主導,暗能量這對早期的宇宙沒有任何影響。)

當宇宙由物質主導時,它的膨脹方式是:

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我們注意到膨脹速率H,隨著時間的推移而減小。這意味著過去的宇宙更熱、密度更大、膨脹速度更快。如果宇宙在過去更熱,這意味著宇宙中的輻射波長更小能量更高!

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所以如果我們追溯到足夠遠的時期,那時的宇宙更熱,密度更大,在某一時刻它會熱到無法形成中性原子!如果我們繼續往回推,輻射的能量密度最終會超過物質的能量密度。這將導致宇宙以不同的方式膨脹!那麼以輻射為主導的宇宙是如何膨脹的?

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輻射為主導膨脹與物質的膨脹相似,因為在數學的計算結果只有一點不同。但是我們不能回到任意高溫,或者回到奇點;宇宙微波背景告訴我們,過去宇宙的溫度是有極限的。

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那麼,在我們所知的“大爆炸”的最初階段發生了什麼?在我們這個炙熱、稠密、充滿物質和輻射的宇宙出現之前是什麼?

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據我們現在所知,宇宙曾出現過一段暴脹時期。宇宙的暴脹把空間的褶皺拉平,使宇宙空間在任何地方都具有均勻平坦的性質,從而建立了今天我們所觀察到的宇宙初始條件。

這時宇宙由真空能量主導,而不是由物質或輻射能量主導。當宇宙被真空能量所掌控時,它的膨脹過程將看起來非常不同。讓我們來看一看……

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注意這時宇宙的膨脹率不會隨著時間的推移而下降!這意味著宇宙的膨脹是呈指數暴增的,在很短的時間內,它不僅可以膨脹到我們人類所能理解的範圍之外,還可以膨脹到到比整個可見宇宙大幾倍的範圍!

現在,你可能想知道我們無法觀測的宇宙有多大。可以這麼說,宇宙中超過460億光年的部分,我們根本看不見星體發出的光。

那麼是什麼決定了宇宙暴脹的程度呢?讓我們來看看暴脹的標準模型。

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這裡的y軸代表能量。也是空間固有的真空能量。很明顯,現在我們太空中的真空能量非常小:比我們想象的宇宙暴脹時期要少28個數量級!

如果我們想讓宇宙膨脹的足夠大,以解釋我們今天所觀察到的平坦和大致均勻的宇宙,那麼宇宙就需要在足夠長的時間內保持暴脹狀態。上圖中,意味著我們需要從這條曲線的平坦部分開始。

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只要沿著這條曲線慢慢的滑動,我們就會得到足夠時間的暴脹來產生我們現在觀測到的宇宙(主要性質:平坦和均勻)。

最終能量曲線會進入谷底,這時,真空能量被轉化為物質和輻射。這個過程發生在138億年前。導致宇宙暴脹的本質很可能是量子場或量子漲落。

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如果真空能量是一個量子粒子,那麼它的波函數會隨著時間擴散,自由地佔據任意的疊加狀態。這如何應用於上面的暴脹理論呢?當我們讓它隨著時間擴散,我們會得到什麼?

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上圖我們得到這個量子場的一部分,如果它滾動得夠慢,量子場實際上會從它開始的地方向後擴散,直到其他區域繼續開始膨脹的狀態!還記得我們上面展示的經典暴漲圖嗎?

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在這幅圖中,暴脹發生了一段時間,然後在所有地方同時結束。

但是如果我們允許暴脹狀態成為一個量子場,我們必須計算它的擴散的速度,暴脹的速度,它滾下山的速度。如果它滾動的速度太快,或者膨脹的速度太慢,它就沒有足夠的時間在宇宙的足夠區域內擴散。但是如果它滾動得足夠慢,膨脹得足夠快,擴散得足夠快,會發生什麼呢?

我們將從最初暴脹區域開始,用藍色表示膨脹區域。如果曲線接近谷底的地方,暴脹就會結束,我們可以用紅色的x來標記它。但是如果時空區域繼續暴脹,我們會讓時空區域保持藍色,由於量子場的擴散會導致更多的空間暴脹。(下圖)

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雖然單個區域的暴脹將在任何給定的時間結束,但足夠多的量子場決定了它的行為將會經歷量子“擴散”,讓整個空間回到穩定的指數膨脹狀態,因此膨脹將持續一段時間。

換句話說,宇宙中有一些區域曾經暴脹過,那些假真空能量變成了輻射和物質,而宇宙的這些部分和我們自己區域有著非常相似的歷史。但是在這些區域之間,還有其他的部分繼續膨脹。

這就是為什麼存在多元宇宙,而不僅僅存在我們的宇宙!

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現在,我們再說一個保守的估計。在這個故事的版本中,多元宇宙的所有不同區域的基本常數是相同的,而其他宇宙和我們自己的宇宙有著相同的物理定律,具有相同的量子真空。

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以上的觀點——多重虛假真空、多元宇宙、與量子引力的聯繫等等——是近年來人們依據弦理論的推測得到的。但是這些觀點被大多數科學家所認可。

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