平行宇宙真的存在吗?

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作者:EthanSiegel

翻译:山寺小沙弥

审校:Alex Yuan


前 言

2003年《科学美国人》杂志中,有一篇由美国宇宙学家马克斯·铁马克写的平行宇宙专文,文中他将平行宇宙分成四类:

第一类:这类的宇宙和我们宇宙的物理常数相同,但是粒子的排列法不同,同时这类的宇宙也可视为存在于已知的宇宙(可观测宇宙)之外的地方;

第二类:这类的宇宙的物理定律大致和我们宇宙相同,但是基本物理常数不同

第三类(艾弗雷特的多世界诠释):根据量子理论,一件事件发生之后可以产生不同的后果,而所有可能的后果都会形成一个宇宙,而此类宇宙可归属于第一类或第二类的平行宇宙,因为这类宇宙所遵守的基本物理定律依然和我们所认知的宇宙相同(上述“一颗球落入时光隧道,回到了过去撞上了自己因而使得自己无法进入时光隧道”诡论的平行宇宙解决办法属于此种);

第四类:这类的宇宙最基础的物理定律不同于我们宇宙,而基本上到第四类为止,就可以解释所有可能存在(也就是可想像得到的)的宇宙,一般而言这些宇宙的物理定律可以用M理论构造出来。(来源:维基百科)




作一个类比,假设存在一种记忆力很好变形虫,随着时间的推移,变态虫不断分裂,每次产生的新变形虫与其父母拥有相同的记忆。久而久之,变形虫的生命并不再是一条笔直向前的道路,而是一颗不断分叉的生命之树。

——休·埃弗里特

物体处于确定的状态,通过测量你可以知道和它的相关物理量。很多人将此作为我们了解宇宙的基础。然而,当量子力学诞生后,这个观点被彻底颠覆了。从根本层面上来说,宇宙是不确定的。一种关于平行宇宙的说法是: 根据量子理论,一件事件发生之后可以产生不同的结果,而所有可能的结果都会形成一个宇宙,但是我们在自身宇宙中只看到了一种结果。如果有适当的条件,也许平行宇宙是存在的。


电子通过双狭缝屏之后干涉,在观察屏上可以看到干涉图案。但是如果监测每个电子的行为(即电子是穿过哪个狭缝的),那么就不会出现干涉图案。来源:Wikimedia Commons user inductiveload.

量子力学中描述的测不准原理是宇宙中事物所遵循的规律,但是不同学派对它有不同的解释。发射一个电子,希望它可以通过双缝屏中的其中一个狭缝(具体通过哪一个你说了算),这并不符合物理规律。实际上,电子具有波动性,一束电子通过双狭缝屏之后会发生干涉。我们可以通过数学方法计算出电子在观察屏上的概率分布,但是每个电子在到达观察屏之后只能落在一个确定的点。如果有很多电子通过双缝屏打在观察屏上,那么我们就能获得干涉图案。

电子通过两个狭缝之后得到的图案。如果测量电子通过“哪个狭缝”,则会破坏此处显示的干涉图案。来源:Dr.Tonomura and Belsazar of Wikimedia Commons.

这种方式有许多固有的不确定过程。有些情况是离散的:粒子和反粒子碰撞产生两个在自旋方向相反的光子,但是你只有50%的概率猜中其中一个的自旋方向。其他过程是连续的:粒子和反粒子碰撞产生两个在自旋方向相反的光子,相对于粒子或者反粒子的质心系,我们怎么确定自旋的具体方向呢?东南西北上下?产生的光子的自旋方向是随机的。

正反粒子湮灭将产生两个能量相等自旋方向相反的光子,方向是随机的。来源:Andrew Deniszczyc, 2017.

宇宙中任意两个粒子间的相互作用都具有这种不确定性,从某种程度来说,这是它们的内在性质。我们无法同时确定粒子的位置及其动量,这种不确定性也会影响粒子相互作用之后的位置和动量。有很多学派的理论尝试解释这种不确定性,而且似乎都说得通。

平行宇宙的想法应用在薛定谔的猫上。来源:Christian Schirm.

关于量子力学中的不确定性,有很多种不同的理论解释,时至今日也不知哪种理论是正确的,包括波函数塌缩(量子力学体系与外界发生某些作用后波函数发生突变,此时结果已经确定,即此时的观察结果),所有结果都是可能出现的(当测量行为发生时,宇宙中只呈现一种结果),我们观察到的结果发生在自身所处的宇宙,其他可能的结果发生在其他宇宙。(译者注:这个只是作者的猜想,而且波函数坍缩的真实性并没有被完全地确定,它是哥本哈根学派的理论。)

可能存在着无限个平行宇宙,每个宇宙不尽相同。来源:Lee Davy of flickr.

如果真的是这样,那么后果是十分惊人的:平行宇宙必然存在,而且随着时间的推移,数量将接近无穷。自宇宙大爆炸以来,我们观测到的粒子数约为1090个,每个粒子在这段时间内经历了无数次的相互作用,所以可能产生的结果也是不计其数的(肯定大于1090)。虽然这样的想法很荒谬,但也不能说明平行宇宙不存在。事实上,平行宇宙是可能存在的。

从我们的角度来看,可观测的宇宙可能是四百六十亿光年,但是,除此之外,我们可能还有更多的,不可观测的宇宙,甚至是无限的宇宙。来源:Frédéric MICHEL and Andrew Z. Colvin, annotated by E. Siegel. 

1)宇宙是无限大的,我们只能观察到一小部分。无论我们的宇宙中有多少粒子,无论这些粒子的初始状态是怎样的,也无论这些粒子间经历过多少次相互作用,粒子数、它们的初始状态、相互作用的次数都是有限的。但宇宙自诞生之日起就可能是无限大的,除了我们可以看到的行星,星系,物质和能量之外,我们有充分的理由相信宇宙的某些其他部分和我们身处的这一部分宇宙一样,而且我们根本看不到它,因为光的速度和宇宙的年龄(自大爆炸以来)都是有限的。我们认识的这一部分可以被称作“宇宙”,那些没被认识的部分,其中的任意一块也可以被称作“宇宙”。如果有这样一个无限大的宇宙,那么可能有很多个与我们所认知的宇宙类似的“其他宇宙”,而且“我们的宇宙”中所发生的事也可能发生在“其他宇宙”。

宇宙演化过程。我们对宇宙膨胀的了解微乎其微。来源:Bock etal. (2006, astro-ph/0604101); modifications by E. Siegel.

2)宇宙是有限大的,但是这样的宇宙自诞生以来就有无限个。宇宙大爆炸并不是所有事物的开端,而仅仅是我们所处的宇宙的开端。宇宙在过去有限的时间之前曾经处于一个密度和温度都无限高的状态,这一状态被称为奇点。在大爆炸发生的几分钟后,宇宙的温度降低到大约十亿开尔文的量级,密度降低到大约海平面附近空气密度的水平。大爆炸发生在约138亿年前,在这之前就有宇宙膨胀。宇宙膨胀导致时空的指数增长,如果膨胀的时间已经是无限长的,那么可能已经产生了无限个有限大小的宇宙,其中一个就是我们认知的宇宙。


尽管膨胀可能在某些地方停止(图中红色的“X”),但是膨胀一直在进行着,而且不同宇宙之间不会碰撞在一起。来源:E. Siegel.

3) 宇宙是有限大的,而且只有有限个宇宙。这可能是最棘手的情况,因为没有一种增长模型,使得宇宙的数量与量子结果的多样性保持一致。但足够大、可能性丰富的多元宇宙是可以创造出具有相同初始条件的宇宙的,在这些宇宙里可能发生着类似的事。由于宇宙的数量是有限的,而粒子间的相互作用永不停歇,所以如果有足够多的时间,随着粒子间相互作用和量子系统的演化,我们看到的结果将是非常丰富的,甚至超过宇宙的数量。

可能存在于“其他口袋”中的平行宇宙。来源:Publicdomain. 

也许,在某个地方,希拉里·克林顿当选了美国总统; 在某个地方,人类已经灭绝; 在某个地方,我们已经实现了世界的和平。但是,在我们的认知里有且仅有一个宇宙,我们只能观测到我们所能观测到的东西,对于我们做不到的,我们无能为力。上述三个条件如果有一个满足了,那么平行宇宙就可能存在。如果我们没有足够发达的科技,那么真相将永远无法大白于天下,平行宇宙的存在与否也无法被证实或证伪。

原文链接:https://medium.com/starts-with-a-bang/the-3-ways-that-parallel-universes-could-be-real-a9b9d8e886ba

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