我们的宇宙在不断分裂?它可能只是量子多重宇宙一支

[ 录入者:zhangms | 时间:2019-03-04 12:59:07 | 作者: | 来源:新浪科技 | 浏览:908次 ]

来源:环球科学

多重宇宙理论认为,我们的宇宙只是无数“气泡宇宙”中的一个。但无限个宇宙意味着无限种可能,因此该理论无法做出有意义的预言。为了解决这个问题,研究者求助于量子力学,他们推测,“气泡宇宙”并非共存于真实空间中,而是以不同的概率叠加在一起的,就像微观粒子处于量子态一样。

现在,许多宇宙学家都接受了一个奇特的理论:我们这个看上去独一无二的宇宙,其实只是一个名为多重宇宙的更大结构中的沧海一粟。在这个理论描绘的图景中,同时存在着众多宇宙,而我们奉为基本自然规律的物理定律在每个宇宙中都是不同的,例如,不同宇宙中基本粒子的种类和性质都是各不相同的。

多重宇宙的想法源于一个认为极早期宇宙经历过指数式膨胀的理论。在这个所谓“暴胀”(inflation)过程中,空间中的某些区域也许会比其他区域更早结束这种快速膨胀,形成我们所说的气泡宇宙(bubble universe),因为它们看上去就像是一锅沸水中的气泡一样。我们的宇宙也许只是众多气泡宇宙中的一个,在它之外还有无数个宇宙。

我们的宇宙只是某个更大结构的一部分,这种想法本身并不惊世骇俗。回顾历史,科学家曾不止一次发现当时可见的世界远非宇宙的全部。但多重宇宙观念,以及这个理论所描述的无穷无尽的气泡宇宙,却给我们带来一个严重的理论问题:它似乎抹煞了暴胀理论的预言能力,而这是我们对一个有效理论的基本要求。暴胀理论的创立者之一、麻省理工学院的阿兰·古思(Alan Guth)点出了其中的困境:“在一个永恒暴胀的宇宙中,任何可能发生的事都将发生,实际上,它会发生无数次。”

哈勃空间望远镜超深空场照片拍下了最远达130亿光年的星系。比这还要远很多的天体将永远无法观测到,因为空间膨胀的速度导致它们远离我们的速度超越了光速。这个宇宙视界对于多重宇宙理论来说意义重大。

在一个事件只会发生有限多次的单一宇宙中,科学家可以通过比较不同事件发生的次数来计算一个事件发生的相对概率。但是在一个任何事件都会发生无限多次的多重宇宙中,这样的计算就无法进行了。诸事平等,无一特殊,你可以随心所欲预言某事,它必将在某个宇宙中变成现实,但这种预言与我们所处的这个宇宙毫无干系。

这种预言能力的匮乏一直困扰着物理学家。但包括本文作者在内的一些研究者已经认识到,量子理论也许为我们指明了一条出路。这或许有些出人意料,因为量子理论与多重宇宙理论刚好相反,只关心那些最微小的粒子。具体而言,宇宙学中的永恒暴胀多重宇宙图景,在数学上也许等价于量子力学中的“多世界”诠释,后者试图解释粒子是怎样同时存在于多个位置的。正如我将在下文详述的,这种理论上的联系不仅可以解决暴胀理论的预言问题,而且还可能揭示出有关时间和空间的惊人真相。

量子多世界

本文作者是在重新审视量子力学多世界诠释的基本原则时,想到它和多重宇宙理论之间的对应关系的。多世界概念的提出,原本是为了澄清量子物理的一些奇怪特性。在量子世界这个与人直觉相悖的地方,原因与结果的作用方式与我们熟悉的宏观世界不同,任何过程的结果都是以概率方式呈现的。按照宏观世界的经验,我们抛出一个球,可以根据球的初始位置、速度及其他因素确定球的落点,但如果这个球是一个量子粒子,我们就只能说出它落在这里或那里的概率有多大。即使我们更准确地对小球进行测量,知道诸如气流情况这样的细节,也无法根除这种本质上的概率性,它是量子世界的内禀属性。同样的小球以同样的初始状态扔出,它有时会落在A点,有时会落在B点。这个结论貌似荒唐,但量子力学经受了无数实验的检验,它真实地描述了自然界在亚原子尺度之下的运作方式。

在量子世界中,球在抛出之后,在我们观测它的落点之前,处于落在A点和落在B点的所谓叠加态上。也就是说,它既不在A点也不在B点,而是处于既包含A点也包含B点(以及其他所有可能位置)的概率迷雾之中。不过,一旦我们进行观测,发现球落在了一个确定的位置,比如说A点,那其他任何人来检查这个球都会确认它落在A点,换句话说,一个量子系统在测量之前,其结果是不确定的,但只要进行测量,所有测量的结果都会与第一次测量保持一致。

按照哥本哈根诠释(Copenhagen interpretation)对量子力学的理解,物理学家将上述由不确定到确定的转变解释为,第一次测量将系统的状态从叠加态变成了A态。尽管哥本哈根诠释可以作出与实验一致的预测,但它会导致一系列概念层面上的疑难。究竟什么是“测量”?为何它会把系统从叠加态变成一个确定态?如果是一条狗或是一只苍蝇来观察也会引起这种状态的改变吗?如果空气中的一个分子与系统发生相互作用又会如何呢?这种情况每时每刻都在发生,但我们通常却不把它视为一种可以影响系统结果的测量。抑或是人对系统状态有意识的观察具备什么特殊的物理意义?

“在一个永恒暴胀的宇宙中,任何可能发生的事都将发生,实际上,它会发生无数次。”

1957年,还在普林斯顿大学读研究生的休·艾弗雷特(Hugh Everett)提出了量子力学的多世界诠释(many-worlds interpretation),漂亮地解决了这些难题,尽管这种诠释当时备受嘲弄,甚至直到今天也不如哥本哈根诠释受人青睐。艾弗雷特的关键认识在于,量子系统实际上反映的是整个宇宙的状态,因此要想完整描述测量,必须把观测者也包括进来。也就是说,我们不能孤立地考虑球、气流和扔球的手等因素,必须在根本层次上把观察球落地的观测者,乃至那个时刻宇宙中的万事万物都囊括进来。

在这幅图景中,测量之后的量子状态仍然处于叠加态,但不是两个落点的叠加态,而是两个完整宇宙的叠加态!在第一个宇宙中,观测者发现系统变成了A,所以该宇宙中所有后继观测者都会得到A结果。但是在测量的同时,另一个宇宙就分裂出来,在那个宇宙中,所有观测者都会发现球落到了B处。这进一步解释了为何观测者(假定观测者为一个人类)会认为他的测量改变了系统的状态,实际发生的是,在他进行测量时(与系统发生相互作用),他自己分裂成了生活在两个不同的平行世界中的两个不同的个体,这两个世界分别对应结果A和结果B。

按照上述观点,人类所做的观测并无任何特殊之处。整个世界的状态无时无刻不在分裂成多个叠加共存的可能平行世界。一个人类观测者,作为这个世界的一部分,也无法超然其外,他也会不停分裂成生活在这些可能平行世界中的不同观测者,每一个都是同等“真实”的。该图景暗含着一个明显亦很重要的结论,即自然界中所有事物,无论大小,都服从量子力学原理。

这种量子力学诠释与我们之前讨论的多重宇宙有何关系呢?毕竟后者看上去存在于连续的真实空间之中,而非什么平行世界。2011年,本文作者提出,永恒暴胀宇宙和艾弗雷特的量子力学多世界诠释在某种意义上是同一个概念。按照这种理解,与永恒暴胀相联系的无限大空间只是一种“幻象”,暴胀产生的众多泡泡宇宙并非同时存在于单一的真实空间之中,而是代表着概率树上不同的可能分支。差不多就在我提出这种假设的同时,加利福尼亚大学伯克利分校的拉斐尔·布索(Raphael Bousso)和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)也产生了类似想法。如果这种多重宇宙的多世界诠释是对的,就意味着量子力学原理不仅适用于微观世界,而且在最大尺度上对决定多重宇宙的整体结构也起着至关重要的作用。

黑洞困境

为了更好地解释量子力学的多世界诠释为何可以用来描述暴胀多重宇宙,我们不得不离题一会儿来谈谈黑洞。黑洞是时空扭曲的极致,其引力强大到任何进入其中的物体都无法逃脱。正因为如此,黑洞成为了那些同时涉及强量子效应和强引力效应的物理学理论的理想实验场地。通过一个与黑洞有关的特殊思想实验,我们能够认清传统的多重宇宙理论究竟是在何处脱离了正轨,导致无法作出预言。

本文作者,加利福尼亚大学伯克利分校的野村泰纪

假设我们向黑洞里扔一本书,然后从黑洞外观察事情的进展。尽管书本身永远无法逃离黑洞,但理论预测它携带的信息并不会泯灭。书会被黑洞引力撕碎,之后黑洞本身又会通过向外发射微弱的辐射而慢慢蒸发(该现象被称为霍金辐射,由斯蒂芬·霍金首先发现),最终外部观测者可以通过仔细测量黑洞的辐射还原出这本书所携带的完整信息。即便黑洞还没有蒸发殆尽,这本书的信息就已经在通过霍金辐射慢慢向外泄漏了。

但如果我们站在某个随书一起落入黑洞的观测者的角度来审视上述过程,就会发现令人迷惑之处。在该观测者看来,跟他一起下落的书只不过是穿越了黑洞边界并且一直处于黑洞内部而已,所以书上携带的信息也一样永远被囚禁在黑洞之内。但是上面我们已经讨论过,从一个遥远观测者的角度来看,这些信息最终将现身黑洞之外,究竟孰是孰非?你也许认为信息只是被复制了:一份留在黑洞之内,另一份泄漏到黑洞之外,但这是不可能的,在量子力学中,有一条“不可复制定理”禁止了对信息的完美复制,因此,内外两个观测者的看法貌似是难以调和的。

针对上述问题,荷兰乌德勒支大学的物理学家赫拉德·特霍夫特(Gerard’t Hooft)与萨斯坎德及其他合作者提出了如下解决方案:这两个看法都对,但不是同时成立。在外部观测者看来,信息在黑洞之外,你不需要描述黑洞内部的情况,因为原则上你永远无法接触黑洞内部,实际上,为了避免信息复制,黑洞内部的时空对你而言是不存在的。另一方面,如果你是落入黑洞的观测者,内部就是你能看到的一切,它包含着那本书及其所有信息。不过,这种看法只有忽略霍金辐射才能成立,但这样的无视是允许的,因为你已经穿越了黑洞边界并被困于其中,完全与边界上向外发出的辐射无缘了。这两种观点本身并无矛盾,矛盾来自你对这两种观点的人为 “拼接”,而这种“拼接”就物理而言原本就不可能(因为你无法同时身为一个外部观测者又是一个下落的观测者),因此才出现了信息复制这种问题。

宇宙视界

看上去,量子力学多世界诠释和多重宇宙理论的内在联系,似乎与这个黑洞疑难没什么关系,但其实黑洞边界在某些重要方面与所谓的宇宙视界很相似——所谓宇宙视界是指一个时空区域的边界,我们只能接收到来自这个区域之内的信号。因为宇宙空间在指数式膨胀,所以存在一个这样的边界,此边界之外的物体远离我们的速度会超过光速,因此来自它们的信息永远不可能抵达我们这里。这情景非常类似一个遥远观测者眼中的黑洞。不仅如此,正如量子力学要求黑洞边界一侧的观测者忽略边界另一侧的时空一样,宇宙视界内的观测者也必须忽略边界外部的时空。这个问题实际上暗示了,任何多重宇宙的量子力学描述都只适用于视界内(及视界上),更具体地说,任何一种对宇宙完整自洽的描述都不可能包含无限空间。

如果量子状态反映的只是视界内的区域,那多重宇宙又在何处?按我们原来的设想,那些宇宙应该存在于永恒暴胀的无限空间内。答案是,与量子力学中的其他过程一样,这些泡沫宇宙是以概率形式出现的。正如一次量子测量会产生许多不同的结果,这些结果有着各自不同的出现概率,暴胀也能产生许多不同的宇宙,每个宇宙出现的概率各不相同。换句话说,代表永恒暴胀空间的量子态实际上是一个由代表不同宇宙的世界,或者说概率分支构成的叠加态,每一个概率分支都只包括自己视界内的那部分空间。

由于叠加态中的每个宇宙都是有限的,我们就能避免由于无限大空间中包含所有可能结果而导致的预测失效问题。按照这种理论,多重宇宙并非同时存在于真实空间之中,它们只是共存于“概率空间”之中,也就是每个宇宙中生活的居民可能观测到的结果。因此,每个宇宙,或者说每种可能的结果,都有特定的出现概率。

(点击查看大图)

上述图景统一了宇宙学中的永恒暴胀多重宇宙观和艾弗雷特的多世界诠释。在该图景中,宇宙历史是这样展开的:多重宇宙从某个初始状态中出现,并演化成众多气泡宇宙的叠加,随着时间流逝,代表每个气泡宇宙的量子态又进一步分裂成更多状态的叠加,每个状态都对应着该宇宙中某个“实验”(此处的实验非特指科学实验,而是指任何可能的物理过程)的各种可能结果,最终代表整个多重宇宙的量子态会演化出极为繁多的分支,每个分支都代表着初始状态的一个可能演化结果。因此,量子概率不仅决定着微观过程,还决定了宇宙的命运。多重宇宙和量子力学中的多世界实际上殊途同归,都指向同一个现象:态的叠加,只不过是在不同尺度的舞台上表现出来而已。

在这幅崭新的图景中,我们的世界仅仅是众多可能世界中的一个,这些世界由量子物理的基本原理决定,同时存在于概率空间之中。

世界之外

要知道上述猜想是否正确,我们需要诉诸实验,但这类实验可行吗?实际上我们发现,只要能发现一个特定现象,这个新理论就能够得到支持。多重宇宙的存在会导致我们的宇宙空间有一个很小的负曲率,这意味着,即使没有任何引力效应,物体在空间中运动的轨迹也不像在平直空间中那样是一条直线,而是一条曲线。之所以存在这种负曲率,是因为尽管从整个多重宇宙的角度来看气泡宇宙是有限的,但气泡宇宙中的观测者却认为自己所处的宇宙是无限大的,这会让空间看起来是弯曲的,且曲率为负(负曲率的例子之一就是马鞍的表面,而球面则是正曲率的)。因此如果我们生活在这样的气泡宇宙中,应该能通过观测发现空间是弯曲的。

目前所有的观测证据都表明,我们的宇宙是平直的。但未来数十年内,通过观测遥远天体发出的光线在穿越宇宙时弯曲的程度,我们对宇宙空间曲率的测量精度还能提高两个数量级。如果这类实验发现了任何程度的负曲率,都将是对多重宇宙理论的支持,因为尽管单一宇宙在理论上也可能具有负曲率,但可能性极低。实际上,任何发现本身都是对上述量子多重宇宙图景的有力支持,因为该理论可以很自然地产生足以被探测到的空间曲率,而传统的暴胀多重宇宙理论所给出的负曲率要比我们预期的探测能力小很多个数量级。

负曲率的马鞍形表面,其中的几何规律不同于曲率为0的平面。

有趣的是,万一测量出空间曲率是正的,多重宇宙理论就将彻底失败,因为根据暴胀理论,气泡宇宙只能产生负曲率。相反,如果我们足够幸运的话,甚至还可能看到多重宇宙的戏剧性证据:例如气泡宇宙之间“碰撞”的残迹,在量子多重宇宙图景中,这种痕迹能在单独的一个分支中产生。不过,对于是否能探测到这种信号,科学家目前仍毫无把握。

我和其他物理学家一样,目前还只是在理论层面上对量子多重宇宙这个想法进行探索。我们可以问一些基本问题,比方说,怎样才能确定整个多重宇宙的量子态?在这样的图景中,时间是什么?它又是如何产生的?量子多重宇宙图景虽然不能立刻回答这些问题,但它确实提供了一个讨论这些问题的框架。例如,不久之前,我发现由于在数学上我们的理论必须包含严格定义的概率,由此带来的一些约束条件使得我们能准确确定整个多重宇宙的量子态。这些约束条件还表明,即使一个物理上的观测者(本身也是多重宇宙量子态的一部分)会不断看到新的气泡宇宙产生,但整个多重宇宙的量子态仍保持不变。这意味着我们对宇宙的感知会随着时间而变化,但时间概念本身,却是一个幻象。在这样的图景中,时间是一个“涌现概念”,源自更为基本的物理实在,似乎只存在于多重宇宙的局域分支中。

我们在上面讨论的很多想法目前仍停留在猜测阶段,但凭借理论之力,物理学家得以直面如此宏大且深邃的问题,这本身就足以让人心醉神迷。又有谁知道这些探索最终会将我们带往何处?有一点毋庸置疑,那就是我们生活在一个激动人心的时代,科学探索的触角已经超越了我们曾经以为是整个物理世界的宇宙,进入一个存在无限可能的疆域。

Tags:暴胀   多重宇宙 黑洞   量子

责任编辑:zhangms

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