多元宇宙是否真实存在,科学家的理论或许和你们想象中的不一样?

多元宇宙是基于科学理论的假设,就像量子中出现的“平行宇宙”,但是远没有大家想的那么科幻,不过这的确是大量媒体的科幻素材,下面我来讲讲两个基于理论的原始版本。

多元宇宙的因素

多元宇宙是一个被很多人使用的词,但并不是每个人说这个词的时候意思都是一样的。

关于多元宇宙,我们需要考虑两个关键点,如今我们现代物理的最小尺度为量子,一切物质都是由于基本粒子构成,那么量子力学和持续性的宇宙膨胀有什么关系,我们能否从宇宙最小的尺度下去探寻是否隐藏着多重宇宙可能?

图:“多元宇宙”(Multiverse)与“宇宙”(Universe),意思为多个不同的宇宙。

可观测宇宙之外是什么样的

当我们说到“宇宙”时,我们通常指的是我们可观测宇宙,即930亿光年。这是因为我们对宇宙的认识始于138亿年前的宇宙大爆炸。一个炽热、致密、物质和充满辐射的宇宙出现并开始膨胀,接着冷却,在重力作用下物质开始聚集。从根本而言,我们可以看到的宇宙是有限的。

图:宇宙大爆炸历史流程图

光(宇宙微波背景辐射)承载着宇宙大爆炸的信息以光速毫无阻碍地穿过不断膨胀的宇宙,然而光能经过的距离是有限的。在我们的宇宙中有正常物质,暗物质,暗能量,中微子,辐射和我们所知道的一切,可观测到的距离为461亿光年。

但是,我们都知道宇宙不可能就这么小,很多人经常问宇宙外面是什么。但是这个问题将没有“实实在在”的答案,因为随着宇宙膨胀,我们的可观宇宙范围也会继续扩大,外围的光,还没来得及到达我们这里,人类可能早就不存在了。如果人类存在,随着时间的推移,越来越多的宇宙将被我们看到,甚至有可能出现暗能量被分解,被我们发现。

图:空间曲率

根据我们所能观测到的空间曲率,与我们所能观测到的宇宙相比,存在的东西在所有维度上至少是我们所能观测到的250倍,这意味着宇宙的体积是我们所能观测到的空间的(250^3),或超过1500万倍。它甚至可能是无限的,尽管我们不确定。然而,这只是多元宇宙最保守的版本。

暴胀理论

大爆炸可能是我们所知的“我们的”宇宙的开端,从宇宙微波背景可以知道大爆炸时达到的最高温度不超过10^3 K。这是一个很大的数字,但是它还没有热到达到普朗克尺度,不过其中奇点的理论或许会导致我们所知道的物理定律失效。于是我们可以推断出或许在大爆炸之前,还发生了什么,或者大爆炸的空间中还存在什么。事或物的存在或许与我们所认为的宇宙膨胀的初始条件相一致,所以这些被掩盖了。

图:宇宙大爆炸早期效果图

MIT的科学家阿兰古斯有一个理论叫做暴胀理论中,它认为一个宇宙诞生前会发生过冷暴胀,暴胀的空间会持续低温,当暴胀过后在慢慢回温到暴胀之前的状态,暴胀的过程会形成量子涨落,这就是宇宙大爆炸的萌芽。

从暴胀理论中我们可以发现,暴胀是迅速向外扩散的。它就像一个滚下山的球,只是它是一个量子球,所以它会(或不会)滚下“山”的每个位置都有概率。

当暴胀停留在山顶的地方,而不是向下滚动,暴胀会继续,这样就会创造出越来越多(可膨胀)的空间。 在它确实滚下山的地方,暴胀结束了,就会出现大爆炸。尽管暴胀在大约138亿年前在我们这个空间区域已经结束,但期望它在任何地方都结束是不合理的。 相反,一些空间区域将继续暴胀。 只要空间暴胀扩张的速度大于暴胀结束的速度,就会出现无限个“大爆炸”分别在不同的空间中,而且暴胀也会在不同的地区延伸下去。

图:红色的X表示暴胀结束的区域(就像我们的),这是一个更大的“多元宇宙”,比第一个版本的“可观宇宙的扩张”还要大。

图:多元宇宙结构

许许多多的宇宙就像一个个“口袋”一样,由暴胀形成量子涨落,促使大爆炸发生,然后我们在“口袋”中茁壮成长,在大结构暴胀无限延伸下去,形成一个个如同“口袋”的空间,我们叫它永恒的暴胀的多元宇宙。

总结

这两个为由浅到深的版本,一个基于“不可观宇宙”,一个基于“暴胀理论”,剩下的版本一般都是基于这两个版本的继续延伸了,但是就有点科幻了,比如不同口袋宇宙中是否有同一个你,量子的运行轨迹决定了这个你与那个你是否相似,这些不在我们的讨论范围内,有兴趣可以自行查阅。而这两个多元宇宙也只停留在理论的猜想,这个就像美国著名量子物理学家休·埃弗雷特对“平行宇宙”的理论假设是一样的。