泡沫宇宙理论之谜 会无限膨胀会创造多元宇宙吗？

伤我心太深

　　泡沫宇宙

　　研究泡沫宇宙的历史始于1968年，当时我在麻省理工学院，在那里我遇到了罗伯特·柯什纳。他这个人活泼、好玩、有趣。几年以后，我们又在加州理工学院相遇，他在那里读研究生，而我刚去那里做博士后。在加州理工学院，他的一次好运改变了自己职业生涯的方向，最终有助于重塑现代宇宙学。


　　柯什纳在加州理工学院时，看到一颗明亮的超新星。幸运的是，他能够使用帕洛玛山上5米口径的海尔望远镜对它进行研究。结合他的发现和当代的一些创新方法，他开发了一种巧妙的测距法。当时人们对宇宙的距离规模知之甚少，因此获得更准确的数字对更好地理解宇宙结构及其演变至关重要。


　　柯什纳从20世纪90年代中期开始组建团队，利用超新星来测量宇宙的扩张速度——这是宇宙随着时间的推移而变化的一个特别明显的指标。当时天文学家认为，自大爆炸以来，由于星系之间的引力拉动，扩张速度一直在减缓。最大的问题是：宇宙减速有多快?





　　为了得到答案，柯什纳和他的团队测量了超新星的距离，并将这些距离与它们的衰退速度进行了比较。实质上，他们使用超新星作为已知固有亮度的标准参照，其距离可以从其明显的亮度确定。然后你可以通过宇宙展开来看光线被拉伸了多少(朝向光谱的红色端)，并比较不同距离的超新星的扩展速率。


　　由于光速有限，我们看得越远，看到的历史越久。1光年大约为10万亿千米，是光一年中可以旅行的距离。如果我们看到的是6500万光年的距离，那就是一次6500万年前的超新星爆发，那个时候古老的恐龙仍然在地球上漫游。柯什纳回顾了数亿甚至数十亿年的历史。与此同时，加利福尼亚大学伯克利分校的一个竞争团队，使用类似的技术进行相同的测量。

　　然后事情奇怪起来。两个团队发现宇宙的扩张并没有放缓，反而加速了!柯什纳以前的学生亚当·黎斯和布莱恩·施密特以及伯克利分校的索尔·珀尔马特因为这个发现而分享了2011年诺贝尔物理学奖。超新星的数据表明，在我们的宇宙构成中，有一些不同的和无法解释的东西。这些结果还暗示了宇宙几何奇怪的内容：我们知道的宇宙可能只是许多不同的宇宙泡沫之一，它可能独立存在，或者在一定条件下相互作用，甚至相互破坏。

　　宇宙加速扩张的解释起初虽然令人惊讶，但是可以从物理学家的理论工具箱中获得。这可以追溯到阿尔伯特·爱因斯坦的一个观念，即宇宙常数。1922年， 俄国数学家亚历山大·弗里德曼证明，没有宇宙常数的最简形式的相对论似乎意味着宇宙的扩张或缩小。当哈勃的观察结果确定宇宙正在扩张时，爱因斯坦放弃了他的宇宙常数，但是它存在的可能性从未消失。

　　然后，比利时物理学家乔治·莱马蒂证实，宇宙常数可以用物理方法来解释为空间的真空具有有限的能量密度以及负压。这个想法乍听起来可能很奇怪，毕竟我们习惯于认为真空区的真空应该具有零能量密度，因为那里没有物质。但是，假设空间有有限但很小的能量密度，这种情况也有可能存在。


　　由于相对论的缘故，真空能量暗示着负压。真空区应该缺少固有的优选的静止标准。两艘火箭上的乘员在真空区相互经过的时候，每个人都会认为自己静止未动，而对方在移动。如果真空也具有相等量级的负压，不同的火箭以不同的速度相互经过的唯一方式可以测量真空能量密度的相同值。




　　7×10-30克/立方厘米是一个微小的暗能量，但是穿越巨大的空间时会产生巨大的影响

　　负压具有排斥引力效应，但同时能量本身具有吸引重力效应，因为能量等于质量。(这就是E=mc2描述的关系，即狭义相对论的另一个含义。)负压在左右、前后、上下三个方向上的作用产生的排斥效应是真空能量吸引效应的3倍，使整体效果具有排斥性。我们称这种真空能量为暗能量，因为它不产生光。现在，人们已广泛接受用暗能量来解释宇宙的加速膨胀。

　　通过测量超新星和其他指标，宇宙学家现在可以准确地测定宇宙的膨胀率作为时间的函数，并使用爱因斯坦的广义相对论方程来确定真空能量的值。最新的测量值是7×10-30克/立方厘米。我们还可以确定当今暗能量中压力与能量密度的比值——-1.008±0.068。

　　这个比值表明能量随时间的变化如何变化，以及宇宙如何变化。在观测不确定度内，测量值等于-1。如果正好为-1，则真空能量将保持在其当前的恒定值;7×10-30厘米/立方厘米是一个微量的暗能量，但它穿越巨大空间时有着巨大的影响，足以让现今的可见宇宙在未来的每122亿年翻一番。也就是说，它的容量比现在要大2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024……倍。

　　据我们所知，一直可以这样持续下去。由于我们与它们之间的空间不断扩大，遥远的星系将离开我们。经过充分的翻番后，它们与我们之间在空间扩展上会非常快，它们的光将不再能够跨越这个日益扩大的差距而到达我们。遥远的星系将从视野中消失，我们会发现自己似乎孤零零地存在于可见宇宙之中。


　　真空能量不仅仅是解决宇宙孤独问题的有效办法，也可能是变化、破坏和重生的主体。真空能量的值取决于渗透真空区的不同场的值，其中之一是使正常粒子具有质量的希格斯场。新泽西州普林斯顿高级研究所的物理学家阿卡尼·哈米德已经证明，希格斯场创造了一个在10130年的时间尺度上不稳定的真空状态。如果这个场衰减，它可能形成较低密度真空状态的泡沫，从根本上讲，是一种不同形式的真空空间。


　　10130年是很长的一段时间。我们的宇宙目前只有138亿岁。然而，理论上的含义是令人著迷的。变化了的真空能量状态的出现类似于火炉上的沸水，液体中形成较低密度(蒸汽)的气泡，只有在这种情况下，液体才是不断膨胀的暗能量的海洋。还有另一个很大的区别：低密度真空的气泡会以接近光速扩张。

　　说得婉转一点，如果与其中一个泡沫相遇就会惹来麻烦。气泡内希格斯场的值与外界不同，这就意味着你体内的粒子物质也将不同，因此无法进入扩张气泡的内部。按照阿卡尼·哈米德的说法，泡壁会撞击你，就像汽车的风挡玻璃撞到东西那样，东西就会粉碎在风挡玻璃上。

　　泡沫中的生活会很难。在这些气泡中，真空能为负能，很大，且具有很大的正压。由于压力占主导地位，整体引力较强，具有粉碎作用。由于阴极真空能量的整体引力很大，所以在气泡内部，您能想象到的任何物体都会被迅速压碎。

　　如果在280亿光年半径内形成一个泡沫， 那么我们就会像苍蝇撞在风挡玻璃上那样死去

　　这些气泡将形成一个大约10-16厘米的微小半径，小于质子的半径，其内部将是伴有正压的负真空能。因此，气泡壁内部会有正压，外部是轻微的负压，正压会将气泡壁向外推，而外面的轻微负压也会向外拉。结果，气泡会像气球一样爆炸。大约10-26秒的时间，它就会加速到接近光速。

　　以这样的速度，如果一个泡壁即将击中你就不会有任何预警。来自泡壁的光信号不会比泡壁本身早多少，你会觉得它几乎是在你看到它的同时撞到你。幸运的是，宇宙的加速膨胀提供了一定的保护。
　　如果泡沫与我们的距离超过280亿光年，那么泡壁就永远不会碰到我们，那是因为我们和泡沫之间的空间像橡皮筋一样伸展，每122亿年翻一番。狭义相对论告诉我们，在太空不能以快于光速超过另一艘火箭，但是没有人说空间本身不会以快于光速的速度膨胀。对那些非常遥远的泡沫来说，泡壁永远不会跨越与您越来越大的差距。但是，如果在280亿光年半径之内形成一个泡沫，这个泡壁就会撞到我们，那么我们会像撞在风挡玻璃上的苍蝇那样死去。



　　如果阿卡尼·哈米德是正确的，这种破坏的风险就非常低。从统计学角度来说，又一个10130年不可能再发生，因为泡沫形成的速度极其缓慢。人类生存面临更加紧迫的威胁，真空能泡可能在明年到来之前就撞到我们身上，但是这种可能性只有1/10130。

　　处于中间状态的情况特别有趣：不在泡内或泡外，而是在泡的表面。现在想象你是一个巨大的基本粒子，坐在剛形成的泡上。比如说，我们认为你可能是一个大质量弱相互作用粒。
　　子(WIMP)，是你这样的粒子将星系群聚集在一起。这种粒子的质量可能具有质子质量大约1000倍的量级。泡壁正在向外加速，向你施加越来越快的加速度。你会觉得加速度是地球表面重力加速度的1034倍，而宇航员在宇宙飞船上只能忍受10倍的重力加速度。作为一个基本粒子，你很坚强。


　　根据爱因斯坦的等效原则，运动引起的加速度(如火箭起动自己的发动机)和重力加速度(如在地球表面)是不可区分的。你这个强壮的WIMP粒子，可以认为你不是坐在加速的玻璃状真空泡上，而是在一个半径为10-16厘米的巨大的玻璃球行星上。如果你应用牛顿的法则，从你的加速度(1034重力加速度)和你的测量半径10-16厘米，就会推断出你的玻璃泡行星质量为150万吨。
　　随着泡壁向外推动，你越来越接近光速，你的时钟会越来越慢，运动方向的长度会缩小，你的同时性概念也会改变，这是狭义相对论的影响。当你接近光速时，你会感觉到当时的时间与制造泡沫的时间相同。由于长度缩小，你也会觉得你距离泡沫的中心和最初一样远。

　　这听起来有点奇怪，但是你根本体验不到膨胀的泡沫，你会认为泡沫是静止的，你是坐在一个固定半径的巨大的玻璃行星上。

　　你可能会好奇，并尝试进行一些实验。如果你向外发射光束，它会逃脱到无限远，因为它仍然会超过膨胀的泡壁。但是，如果你保持光束在玻璃行星表面的水平方向，就会看到它像沿着轨道在表面运行一样，泡沫会跟着光束向外移动而膨胀。如果你以低于光速从表面向上投掷一个球，那么当泡壁继续向外加速时，您最终会赶上这个球。

　　随着泡的永久扩张，这个宇宙的体积将会无限制地扩展下去

　　这种情景就是我们今天理解的物理学规律的作用。但是，阿卡尼·哈米德认为，在极高的能量下可能会有其他的作用，远远超出了物理学家利用发现希格斯粒子的大型强子对撞机来探测的这些效应。如果是这样的话，我们可能远远地逃脱了以前计算的那种泡灾。根据斯坦福大学宇宙学家安德烈·林德的观点，我们可能会看到仅仅1034年之后，在我们可见的宇宙内形成很多泡。
　　额外的高能物理效应也将以一种相当有趣的方式改变泡内的条件。在这种情况下，我们期望泡内的真空能量小于目前7×10-30克/立方厘米的真空能量密度，但是会大于0。这样的泡还会永远扩大。泡内的正密度将小于外部，所以外面更大的负压会占上风并将泡壁永远向外拉，泡壁会更快地加速到接近光速。

　　但是，泡内的日子就不会那么悲惨了。从理论上来讲，低正真空能量可以衰减成粒子，泡内会形成一个自给自足的宇宙。随着气泡永远扩大，这个宇宙的体积将无限增加，理论上可以形成无限数量的低能“星系”或其他物体。

　　1981年，麻省理工学院的物理学家艾伦·古斯发明了一种膨胀理论，提出当我们的宇宙首次形成时，有一个非常高的真空能量和非常高的负真空压力的短暂时期。在这个早期阶段，宇宙非常迅速地膨胀，其体积可能每3×10-38秒翻一番。这个膨胀理论解决了宇宙学中的许多重大谜团，但是也给自身带来了一些问题。哈佛大学的西德尼·科尔曼表示，这样一个真空状态会通过形成泡而衰退，就像我们在这里讨论的情况一样。大量的低密度泡的膨胀极其不均匀，而我们可以观察到的宇宙总体上比较平滑。


　　一年后，我提出了一个解决方案：也许我们的宇宙只是不断扩大的泡之一。在其中一个泡的内部，宇宙会显得均衡一致，因为我们只会看到我们自己的那个泡以及之前一致扩充的泡沫海洋。基于这个观点，我提出我们的宇宙只是在高密度膨胀的海洋中形成和膨胀的无数泡沫宇宙之一。

　　在很短的时间内，林德和另外两位物理学家，加利福尼亚大学戴维斯分校的安德里亚斯·阿尔布雷希特和普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特分别发表了自己的论文。他们提出了详细的粒子物理学场景，其中有这样的泡状多元宇宙出现。这个方案被称为新膨胀论，解决了古斯的问题。

　　膨胀应该永远持续下去，创造出永远产生泡沫宇宙的多元宇宙


　　1982年晚些时候，剑桥大学的斯蒂芬·霍金撰写了一篇关于单泡膨胀的文章，其中参考了我们的论文。他注意到，一个快速膨胀的泡将产生随机的量子波动，这将得到极度拉伸而成为大型结构。1986年，我与同事阿德里安·梅洛特和马克·迪金森一起，说明这样的结构自然会产生与星系丝状结构联系的海绵状星团。自此之后，这种模式已经被许多大型宇宙调查证实，被称为宇宙网。


　　早期的宇宙膨胀理论解释了宇宙在138亿年前大爆炸最初时期开始膨胀的情形，并以美丽的细节描述了我们在微波背景下看到的大爆炸的微小波动。膨胀说的成功使我们相信，我们的宇宙是从一个非常高密度的真空状态出现的，伴随着同等量级的负压，一旦开始膨胀，就很难停下来。膨胀应该永远持续下去，创造出永远产生泡沫宇宙的多元宇宙。
　　到这里，我们的故事应该画上一个句号了。也许我们不必揣测泡沫里面的生活是什么样的，这可能是我们知道的唯一现实。