關於平行宇宙,科學家有話說

宇宙 史蒂芬·霍金 天文在線 2019-07-09

實際上,沒有關於宇宙學的書,也沒有關於宇宙學的出版物。在這類書中,你不必找尋通往平行宇宙的道路,書中會有解決問題的辦法,而大多數人對此一無所知。所以問題的關鍵是你不明白世界為什麼是這樣的。其實很簡單。為什麼世界是這樣的?


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如果你認真想一想,不免會有這樣的疑問:為什麼會有這樣一個極其完美的自然,一個不能有任何不同的宇宙,如果不是這樣是否一切都會崩潰?精細調節問題可以追溯到斯蒂芬·霍金70年代的研究,他是這樣思考的:如果我在宇宙誕生的時候稍微干擾一下它,給它多一點能量或者少一點能量,這對宇宙的長期發展意味著什麼?事實上,當一個宇宙的質量很大時,它會再次坍縮。


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在最初的膨脹之後,質量(也就是引力)會將宇宙收縮,然後坍縮回0。這就是所謂的循環宇宙。它總是重複自己的生長消亡過程。還有另一種說法:宇宙以膨脹開始,但它太輕了,以至於重力可以把膨脹的自己帶回來,並將其分離開來!然後是兩者之間的變體。這些說法都是對的。宇宙會以膨脹開始,然後一直膨脹下去。在這個宇宙中,它會將這種循環一直持續下去。


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然後霍金髮現,我們不得不對宇宙進行精細調節。它看起來像是一支圓珠筆正站在筆尖上,但是如果一支圓珠筆正站在筆尖上,而筆尖沒有站在桌子上,那麼它就會停下來。筆停筆停止的概率幾乎為0。當然這樣的事情不會發生。它不只是站在盤子上停下來,它還站在刀片上。而這片刀片又站在一片刀片上,另一片刀片站在一片刀片上,另一片刀片站在一片刀片上。人們可能會覺得,有10^55刀片站在彼此的頂部,最頂部的圓珠筆是站著的,不會停下來。


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宇宙是如此和諧,這是自然對科學家的挑釁。它不可能這麼完美!一定存在還沒有發現的問題。一些研究者人認為:不會是這樣的,我們有必要繼續深入思考。也許可能有10^500個平行宇宙。一個宇宙太重了,墜落到了深處。而另一個太輕,飛得太遠。因此,我們所處的環境正是自然常數與自然法則的結合,這也造就了今天的我們。


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所以會有這樣的想法:至少在時間上,在我們的宇宙之外可能還有其他的生命存在。雖然沒有宇宙的起源就沒有時間,但我們可以說存在一個多元宇宙。這是一個超級宇宙,在這個宇宙中,各個宇宙都將會出現。或者可以說它們是與我們的宇宙同時誕生的。只是在某些部分有點不同,所以他們都沒有留存下來。正如我說所說,有些已經飛走了,有些則塌縮了。


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這實際上是一個完全依靠經驗主義的解釋,因為很多觀察結果無法用一種過度膨脹來解釋。這種過度擴張被稱為“膨脹擴張”。暴脹到底是什麼?暴脹是過度膨脹。這是正常膨脹後,整個宇宙的突然加速膨脹。顯然這是發生在宇宙大爆炸之後。大爆炸發生在10到43秒之後,而暴脹是10^-30秒。所以在這兩者之間有一段靜止。在這之前,宇宙一直很穩定,然後才被擾亂的。然後砰的一聲!宇宙在0時間內以50個數量級分開。

那是什麼樣的宇宙?我們可以觀察到宇宙顯然是扁平的,就像一塊板一樣平,除了井宿—它們是由物質的存在引起的。廣義相對論中告訴我們,物質的存在使時空彎曲。質量大的地方就有時空。但是如果把它們都平均了,那麼從長遠來看,它就像一塊板一樣平。一個平面的三維物體,處處都是平面。它可能是一個非常大的球體。宇宙很大,所以你可以在幾十億光年內測量到它。


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於是暴脹的概念就出現了。但如果真的是這樣,你不得不提出質疑:有沒有什麼機制可以解釋它?當然有。把它切換到我們的世界:這是關於過冷的水。水是正常的,當它低於0攝氏度時,水開始從上到下凍結。這是已明確的事實。如果天氣變得越來越冷,就會開始結冰。但是如果你把它冷卻得非常非常慢以至於水不會注意到溫度下降,那麼水就會保持液態。世界紀錄遠低於零下20攝氏度,但這當然是錯誤的。

那麼錯誤的事情是什麼呢?再小的擾動也能使水結冰。這種凍結會自然地釋放能量。曾經被鎖在晶體裡的水分子的自由能,在突然間被釋放了。這些能量會被釋放到宇宙中,它們會導致宇宙過度膨脹。或許還有另一個小小的提示:暴脹的概念是基於一個想法。這個想法是標量域裡的一個概念。標量場是一個無處不在,且與方向無關的場。這就是目前我們已經發現的理論的一種解釋。自2012年以來,我們就知道:存在這樣一個標量場,它被稱做希格斯場。在早期的宇宙膨脹膨脹中,該領域可能發生瞭如上述的轉變。


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這將在最大的—宇宙學和最小的—基本粒子物理學之間建立起巨大的聯繫。現在我們就可以重新連接二者了。也許我們會有這樣一種想法:精細調節有可能在一開始就導致這樣一個事實,在真實的宇宙中,一旦你把一支圓珠筆放在剃鬚刀片上,它就停在那裡了。這太不可思議了!但是很顯然,如果這一切再次發生在一個超級宇宙中,那麼其他的宇宙也可能與我們的宇宙在一同經歷膨脹。它們在自身的重量下相對較快地坍塌了。

另外一些其他的宇宙也停止了很長一段時間—膨脹。我們的宇宙之外是什麼,在宇宙開始之前是什麼,我們不能回答所有的這些問題。因為我們是經驗主義科學家。我們試圖從經驗中獲得真知灼見,即藉助經驗發現真理。這些發現總是在這樣一種方式下發生,即人們試圖通過觀察來測量某物。通過這種方式,今天的我們知道:可能存在平行宇宙。這就是我們的宇宙,它很了不起,它具有不可逆轉的性質。正是如此,自138.2億年以來,宇宙中就存在著一個時間箭頭。它總是向前,從不回頭。

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