多元宇宙存在吗_多元宇宙存在吗?

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多元宇宙真的存在吗？





《多元宇宙真的存在吗？》
本文作者：马丁·里斯
英国皇家学会会员，剑桥大学达尔文学院院士
国王学院名誉院士


01.

有些人可能倾向于将多元宇宙假说斥之为“形而上学”。从物理学家的观点来看，这完全是一种贬斥。我认为，多元宇宙确实属于科学的范畴，尽管它只是一个暂时的假说。

这是因为，我们已经能够规划出必须解决哪些问题，以便使它具有更可靠的基础。更重要的是，因为任何好的科学理论都很容易遭到驳斥，我们可以提前设想出一些可能会排斥这个假说的趋势。

当然，最主要的障碍是，我们对“大爆炸”后最初时刻的极端物理过程仍然不甚了解。我们有充分的理由将暴胀当作膨胀宇宙的一种可信解释。这个理论最确定和最普遍的一个预测是，宇宙应该是“扁平的”。

这一预测似乎已经得到了最新数据的证明，尽管这些数据的形式不是最简单的。决定“扁平性”的因素有三个——原子、暗物质和真空能量λ。

宇宙膨胀的实际细节取决于最初10-35秒时起主导作用的物理定律，此时的条件非常极端，远远超出了我们可以直接测量的范围。不过，有两种方法可以确定这些极端条件究竟如何。



首先，极早期宇宙可能在当前的宇宙中留下了明显的“化石”。例如，暴胀过程中出现的微观尺度上的波动为星系团和超星系团的形成播下了“种子”，天文学家现在就可以对它们的具体性质展开研究，掌握有关线索，以探索“播下”这些种子时起主导作用的奇异的物理过程。

其次，一个统一的理论或许可以为我们理解微观世界那些还不确定的神秘之处提供新视角，例如，各种类型的亚原子粒子（夸克、胶子等）及其行为方式等，以赢得信赖。这样，我们就有信心将这一理论应用于暴胀时期。

上述两个方向的进展可能会带来一种对极早期宇宙物理学现象的可靠描述。这样，计算机就可以模拟宇宙是如何从微观尺度中形成的。

02.



安德烈·林德和其他一些研究者已经模拟了一些“多元宇宙”，但在写这本书的时候，他们输入的理论非常随意，许多推测性的选项似乎是开放性的，我们没有办法判别和做出选择。

关于“永恒膨胀”的研究引出了一系列假说，与我们所知道的其他一切相一致；同时，还引出了多元宇宙假说，这些宇宙各自从单独的“大爆炸”中诞生，并最终演变成彼此分离的时空区域。这些宇宙永远不会被直接观测到，即使从原则上来讲也是如此，我们甚至无法确定，它们究竟存在于宇宙之前、之后，还是同时。

然而，如果输入的理论能够预测出多元宇宙，并能为我们观测到的现象提供令人信服的解释，并得到“实战检验”，那么我们就应该相信其他（不可观测的）宇宙的存在，就如同相信目前的理论所预测的：原子内部的夸克或黑洞内部存在卷缩区域。

如果确实存在多元宇宙，那么接下来的问题便是：它们究竟有多少种不同的类型？这个答案依然取决于比我们目前所了解的更深、更统一的物理定律的特性。



也许某种“最终理论”会为宇宙的六个数提供独特的表达公式。如果是这样，即使存在许多宇宙，它们本质上只是当前宇宙的复制品，与单一宇宙作为全部现实世界的情况没有什么区别，而那种明显的调谐将仍然是一个谜。

我们仍然感到困惑的是，为什么在“大爆炸”的极端条件下会确定这样一组数字，其取值恰好位于这样一个狭窄的范围内，为100亿年后的宇宙带来如此有趣的结果。

03.



不过，还有另外一种可能性。适用于整个多元宇宙的基本定律可能很宽松。每个宇宙都可能以各自独特的方式演化，决定其特征的是一组不同于塑造当前宇宙的关键数字。

我们习惯于将地球上的偶然事件都解释为“历史的偶然”，比如，为什么会有一座特定的山，甚至对太空中的一些特征也作如是观，比如星云和星系的形状。尽管我们不怀疑它们是某些基本规律的结果，但无法更深入地解释这些事件。

在很大程度上，力的强度和基本粒子的质量（包括Ω、Q和λ）可以成为支配整个多元宇宙的最终理论（可能是超弦理论的一个版本）的次要结果。

我们可以用“相变”做一个类比，诸如我们熟悉的水变成冰的现象等。当某一特定宇宙的暴胀阶段结束时，空间本身（真空）经历了剧烈的变化。

随着温度的下降，基本力（引力、核力和电磁力）都“冻结成型”，并以一种可以被认为“偶然”的方式决定了数字N和ε的值，就像水结成冰时出现的结晶形状一样。

当宇宙处于微观尺度时，由量子涨落决定的数字Q的取值也可能取决于这些相变是如何发生的。

有些宇宙可能表现出不同的维度，这取决于最初的九维空间收缩或者延展了多少。即使在三维空间中，也可能存在不同的微观物理现象，可能存在不同的λ值，这取决于六维空间的类型，而其他维度都蜷缩其中。



有些宇宙可能有不同的Ω值（Ω决定了这些宇宙的密度，以及它们的“周期”会持续多久，如果它们重新崩溃的话）和Q值（它决定了宇宙的平滑程度，因此决定了宇宙中会出现什么样的结构）。

在某些宇宙中，引力也许完全被“真空能量”（λ）的斥力压倒，以至于无法形成星系或恒星。或者核力可能会超出ε接近0.007(24)的范围，最终碳和氧无法在恒星中合成并保持稳定，这样就没有元素周期表中的元素，也没有化学物质。

有些宇宙的寿命可能非常短暂，在它们的整个生命中，其密度非常大，以至于各处温度都相同的情况下，所有的一切都处于接近平衡的状态。

还有一些宇宙可能太小、太简单，根本容不下任何复杂的结构。

宇宙中的巨大数字N后面有36个零，其大小反映了引力的强弱程度：在引力作用变得重要之前，大量的粒子必须聚集在一起，例如，在恒星中就是如此（恒星可以被看成是受引力束缚的聚变反应堆）。

数字N取超大值的一个直接结果是：恒星的寿命变得非常长，这使光合作用和演化过程有足够的时间在某颗合适的行星上展开。


我们设想过一种宇宙，其中N的取值没有1036那么大，其他一切（包括其他5个数）都保持不变。恒星和行星仍然可以存在，但它们会变得更小，演化得更快。它们没有足够的演化时间，引力会粉碎任何大到足以进化成复杂有机体的物体。

任何“有趣”的宇宙都必须包含至少一个非常大的数字，因为在一个被压缩到几乎不包含粒子的宇宙中，不可能出现太多事物。每一个复杂的物体都必须包含大量的原子。若想以精细的方式进化，它还必须持续很长一段时间，这个时间要比单个原子事件所要的时间长很多倍。

不过，大量的粒子和较长的时间本身还不够。即使在一个大、长寿且稳定的宇宙中，我们可以控制的只是暗物质那样的惰性粒子，这要么是因为物理过程预先排除了普通原子的存在，要么是因为普通原子全部被数量刚好相同的反原子湮灭了。

推荐阅读：《六个数》



据报道，近日，有科学家提出了有关于黑洞的新观点，认为宇宙中最原始的黑洞，或许都与宇宙大爆炸发生后，伴随着宇宙膨胀而形成的“小宇宙”有关，这项研究也发表在近期的《物理评论快报》上。



什么是“小宇宙”？
来自日本东京大学的科研人员，通过长期合作，近日提出了“小宇宙”的观点，认为小宇宙是宇宙膨胀早期产生的“真空气泡”，它们和我们理解中的宇宙不同，属于宇宙飞速膨胀扩张的产物。
不过，伴随着宇宙的持续演化，很快，这些“小宇宙”就会纷纷崩溃，而它们在崩溃的瞬间，会释放出巨大的能量，而这些黑洞，则是宇宙中的原始黑洞，它们要比最早的一批恒星还要早出现在宇宙之中，而且在它们之中，充满了暗物质。



研究者表示，这个发现也源自于对于宇宙中超大质量黑洞的研究，而近年来伴随着对暗物质研究的深入，科学家们也都普遍认为，宇宙的主要构成并不是我们看到的明物质，而是无法直接观测到的暗物质。
这个发现也意味着，如果这个理论是正确的，那么，日后只需要在宇宙中找到更多的“小宇宙”，就可以从中找到宇宙大爆炸之后的原始黑洞，以及揭晓暗物质的所有谜团。



什么是原始黑洞？
从目前科学家们对于黑洞的了解来看，黑洞的类型一共分为4种，分别是普通的恒星级黑洞（有大质量恒星演化而来）、去年新发生的中等质量黑洞（由恒星级黑洞相撞融合而诞生）、位于每个大星系中心位置的超大质量黑洞（目前形成原因未知），以及我们本文中的主角——原始黑洞（来自于宇宙诞生最早期）。
理论意义是来说，原始黑洞的个头，甚至要比普通的恒星级黑洞还要小，但是，它们的质量确实无比巨大的，这是因为它们是在宇宙诞生初期，受到强大能量挤压而产生的，再加上暗物质的作用，自然让它们变成了宇宙中最特殊的天体之一。



最早提出原始黑洞概念的，是已故的著名科学家霍金，在1974年，霍金就认为银河系中存在着很多小型的黑洞，这些黑洞是宇宙诞生后最早的一批成员，它们的数量非常多，但是却都非常小，体积和质量是成反比的，如果它们出现了大量辐射爆发，那么产生的能量，至少相当于数百万吨氢弹的爆发力。
不过，霍金有关于原始黑洞的猜想，并没有立刻得到印证，一直到时间进入到21世纪，在2008年的时候，NASA（美国国家航空航天局）的费米伽马射线太空望远镜，才第一次在宇宙中发现了有关于原始黑洞的蛛丝马迹。
这种微小型的原始黑洞，甚至可能会在宇宙中任意穿梭，它们甚至可以过境地球，如果我们的科学水平足够先进，那么，当它们“穿越地球”的时候，我们就可以通过捕捉到信号异常，来发现它们的身影。



科学家曾发现原始黑洞穿越恒星系统
这个猜想并不是“空穴来风”，而是科学家们真正发现过的，因为早在发表这个新观点之前，研究小组就通过位于夏威夷的昴宿星团望远镜采集到的观测数据，进行过模拟展示，发现如果一颗亮度周期变化正常的恒星，突然在某个短时间内，亮度暴增，而且光线出现弯曲的情况，那么很可能就是原始黑洞，正在穿越这个恒星系统。
目前，人类的科学技术水平，已经支持人类同时观测宇宙中上亿颗恒星，所以，这就类似于“广撒网”的方法了，也是想要找到原始黑洞，最简单、最粗暴的一种方法，只需要分析恒星亮度的变化情况，或许就可以锁定目标。
此外，研究者也表示，原始黑洞也是宇宙暗物质的主要来源之一，我们对于暗物质的很多猜想，可能都会在原始黑洞的身上找到答案，甚至有可能会找到超大质量黑洞形成的秘密，因为目前也有一种猜想是：原始黑洞或许就是超大质量黑洞的雏形。



为了印证这些猜想，目前，科学家们正准备开展新一轮的探测工作，希望可以利用更加先进的探测设备，来进一步扩大搜索范围，从而让人类可以更早揭晓宇宙中的诸多谜团，帮助我们了解宇宙中最神秘的天体——黑洞们的“前世今生”。

资料来源
《中国科学报》文章《从“小宇宙”中寻找原始黑洞和暗物质》