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宇宙不过是一个膨胀的泡泡

时间:
2021年02月01日 |
作者:
Charlie Wood |
来源:
环球科学(huanqiukexue.com)

我们的宇宙是一个膨胀的气泡,并且宇宙之外,还有更多的泡沫宇宙。它们都存在于一个永恒膨胀、充满能量的海洋中,这个海洋便是多重宇宙。

图片来源:Phil Degginger / Science Source

撰文 | 查理·伍德(Charlie Wood)

翻译 | 董婉瑜

审校 | 吴非 王昱

在我们的视线之外,世界是什么样的?这个问题似乎没有答案。一些宇宙学家的猜想是:我们的宇宙是一个膨胀的气泡,并且宇宙之外,还有更多的泡沫宇宙。它们都存在于一个永恒膨胀、充满能量的海洋中,这个海洋便是多重宇宙。

 

大家对这种说法的观点是两极分化的。一些物理学家接受多重宇宙这一说法,认为它可以解释为什么我们的宇宙与众不同(只有某些气泡可以容纳生命),而另一些人拒绝接受这一理论,由于它预测了所有可以想象的宇宙,因此根本无从检验。但有研究人员认为,他们只是暂时还没有能力推算出这一理论的精确结论。

 

现在,各个团队都在寻找新方法来推断宇宙是如何像气泡一样膨胀的,以及这些泡泡相互碰撞时会发生什么。

真空泡:宇宙起源?

“这注定是个漫长的过程。”多伦多大学的宇宙学家乔纳森·布雷登(Jonathan Braden)说道。他参与了这项工作,但他表示,这个过程就是寻找证据,“来证明那些你觉得永远也无法证实的东西。”

 

多重宇宙假说是人们在研究宇宙如何诞生的时候提出的。在宇宙的宏观尺度上,理论物理学家发现了宇宙在诞生之初爆炸性增长的迹象。20世纪80年代初,物理学家在研究宇宙如何开始或停止暴胀的时候,一幅令人不安的画面出现了。尽管我们的宇宙或其他宇宙可能已经停止暴胀了,但量子效应应该会让大部分空间持续膨胀,这被称为永恒暴胀理论。

气泡宇宙与周围环境的差异,归根结底体现在空间本身的能量上。当空间尽可能空旷,不可能损失更多能量时,就达到了物理学家所说的“真真空”状态。想象一个放在地板上的球,是不可能继续下落的。但系统也可以有“假真空”状态,设想一个球放在桌子上的碗中,球可以滚来滚去,同时又或多或少停留在原地。但若施加足够大的震动,可以让球掉落到地上——达到真真空状态。

在宇宙学中,宇宙同样会陷入假真空状态,由于随机的量子事件,微小的假真空会偶尔松弛成真真空,而这个真真空会像气球一样向外膨胀,吃掉假真空的剩余能量,这就是假真空的衰变。可能就是这个过程引发了大爆炸和宇宙的诞生。“一个真空的泡泡可能是我们宇宙历史上的第一个事件。”伦敦大学学院的宇宙学家希拉尼亚·佩里斯(Hiranya Peiris)说道。

 

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这个理论认为,邻近宇宙气泡的碰撞改变了相应天区的温度,可能进而导致了微波背景辐射。(图片来源:Quanta Magazine)

但物理学家在预测真空泡的行为上花费了巨大的努力。一个真空泡会变成什么样,取决于无数个微小细节的整体影响。这些气泡变化飞快,壁面向外扩张飞行时达到光速,同时气泡也具有量子力学的随机性与波动性。对于这些过程的不同假设会得出自相矛盾的预测,无法判断到底哪个最接近真实情况。这就仿佛是“把许多物理学家都很难解决的问题揉成一团,然后说,‘去吧,弄清楚是怎么回事。’”布雷登说。

模拟真空泡

其中一个团队最近从一个简单的模拟中诱导出了类似真空泡的行为。包括加州理工学院著名理论物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)在内的研究人员从这个问题最简单的版本入手,正如共同作者阿什利·米尔斯泰德(Ashley Milsted)所说的:一串约1000个数字箭头,可以朝上或朝下。一串几乎都向上的箭头与一串几乎都向下的箭头相遇的地方,就代表气泡外缘。通过翻转箭头,研究人员可以使气泡外壁移动或碰撞。在特定情况下,这个模型完美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假真空衰变和气泡碰撞。

 

最初,这个简单的设定并没有按实际情况来表现。当气泡壁相互碰撞时,它们完美反弹,没有出现预期的复杂混响或粒子外流(表现为涟漪一样的箭头翻转)。但加入一些数学修饰之后,团队观察到碰撞的外壁喷出了高能粒子,碰撞越剧烈,喷出的粒子越多。

但去年12月呈现在预印本上的结果,预示着传统计算在在这个问题上遇到了死胡同。研究人员发现,当产生的粒子混杂在一起时,它们会“纠缠”,共享量子态。每增加一个额外的粒子,它们状态的复杂程度就呈指数级增加,就算在最强大的超级计算机上做模拟,也会出现故障。

出于这个原因,研究人员表示,只有等到成熟的量子计算机出现,关于气泡行为的研究才可能实现突破。由于量子计算机的计算单元是量子比特(Qubit),因此这类设备能够处理量子纠缠,因为它们本身就是靠量子纠缠来完成计算。

 

与此同时,其他研究人员采用了不同的策略。英国杜伦大学的物理学家迈克尔·斯潘诺夫斯基(Michael Spannowsky)和史蒂文·阿贝尔(Steven Abel)认为,如果使用一种和真空状态遵循相同量子规律的设备,就可以绕过棘手的计算过程。“如果能把系统编码到一个实际存在的设备上,就用不着计算了,”斯潘诺夫斯基说,“这就从理论预测变成了做实验。”

 

这种设备被称为量子退火机,是一种受限的量子计算机,它通过寻找量子比特的最低能态,专门用于解决算法优化问题。这个过程与假真空衰变相差无几。

 

阿贝尔和斯潘诺夫斯基使用商用量子退火机D-Wave,对一串200个量子比特进行编程,来模拟一个高能态或低能态的量子场,类似于假真空和真真空。然后他们把系统松开,观察前者如何衰变成后者,最后导致真空泡的诞生。

 

去年6月的一篇预印本论文描述了这项实验,它只是验证了已知的量子效应,并没有取得关于真空衰变的新发现。但研究人员希望最终能利用D-Wave一点一点超越当前的理论预测。

 

第三种方法干脆抛开计算机,直接吹泡泡。

 

接近光速膨胀的量子泡泡没那么容易得到,但在2014年,澳大利亚和新西兰的物理学家提出了一种能在实验室制作这种泡泡的方法,即利用物质的一种奇特状态——玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein condensate,BEC)。一团稀薄的气体冷却到近绝对零度时便可以凝聚成BEC,其具有不寻常的量子力学特性,包括能与另一个BEC干涉。(类似两束激光的干涉)该团队预测,如果两个凝聚态干涉的方式恰到好处,那么实验人员应该能捕捉凝聚态中生成气泡的直接图像,这些气泡与多重宇宙中假设的气泡相似。

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图片来源:pixabay

“因为这是一项实验,所以显然包含了自然界应有的全部物理规律,包括量子效应和经典效应。”佩里斯说。

 

佩里斯带领着一个物理学家团队,研究如何稳定凝聚态混合物,以防止不相关效应导致的崩塌。经过多年努力,她和同事们终于做好了建立原型实验的准备,他们希望未来几年内能吹出冷凝态气泡。

 

如果实验顺利,他们就可以解答两个问题:气泡形成的速度,以及一个气泡的膨胀如何改变附近另一个气泡膨胀的概率。这些疑问甚至无法用现有的数学方式来表达,布雷登说。他为实验的理论基础做出了贡献。

 

这些信息将帮助像布雷登和佩里斯这样的宇宙学家计算出,来自附近气泡宇宙很久以前的撞击,如何导致我们这个宇宙的颤抖。这种碰撞留下的疤痕,可能是宇宙中一个圆形的冷斑。佩里斯和其他人试图寻找过这个冷斑,但没有找到。而其他的细节,比如碰撞是否会产生引力波,还要取决于未知气泡的具体情况。

 

就算多重宇宙只是海市蜃楼,物理学家依旧会受益于探寻多重宇宙过程中开发的大量工具。理解多重宇宙就是理解空间中的物理学,它无处不在。

 

假真空衰变“似乎是物理学中无处不在的特征,”佩里斯说,“我个人不相信纸上谈兵的纯理论计算能解决问题。”

 

原文链接:

https://www.quantamagazine.org/physicists-study-how-our-universe-might-have-bubbled-up-in-the-multiverse-20210125/

 



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