天文|宇宙中存在另一个你吗？——关于平行宇宙的几点设想
平行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 。 读者克里斯·奥尔森写信来 ， 特别询问了两个不同的意思：永恒的量子力学和永恒的膨胀之间有什么联系？如果存在的话 ， 又是以什么方式联系的 。 我们能区分它们各自所暗示的平行宇宙吗？
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对于人们所说的“平行宇宙”(Multiverse)与“宇宙”(Universe)相对立的含义 ， 有很多不同的可能性 ， 所以让我们来分析一下 ， 从最不保守的(新假设最少的)开始 ， 然后继续讨论越来越多的推测性 。
1）我们无法观测到的宇宙 。 当我们说到“宇宙”时 ， 我们通常指的是我们可以观测到的宇宙 。 由于宇宙中我们知道和认识的宇宙始于一个事件我们知道热大爆炸,——大约138亿年前,一个热的、稠密的、充满物质和辐射的宇宙在它自己的重力作用下出现 ， 并开始膨胀、冷却和坍缩成块 。 我们所能看到的东西基本上是有限的 。 信号可能就在那一刻出现 ， 以光速毫无阻碍地穿过不断膨胀的宇宙 ， 然而 ， 信号可能经过的距离是有限的 。 在我们的宇宙中有常规物质 ， 暗物质 ， 暗能量 ， 中微子 ， 辐射和我们所知道的一切 ， 这相当于461亿光年的距离 ， 以我们为中心 。
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图片来源:维基共享用户弗雷德里克·米歇尔和阿兹科尔文429 ， 由我标注 。
但是 ， 我们没有理由相信宇宙的空间不够大 。 我们所知道的不可观测的宇宙还没有足够的时间到达我们这里 。 随着时间的推移 ， 越来越多的宇宙将在我们的有利位置呈现给我们 ， 甚至包括暗能量 。 但是还有多少呢?根据我们所能观测到的空间曲率 ， 与我们所能观测到的相比 ， 存在的东西在所有维度上至少是我们所能观测到的东西的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 ， 这只是平行宇宙最保守的版本:更多像我们这样的东西 。 但也有可能…
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图片来源:博克等人(2006,astro-ph/0604101)；E. Siegel修改 。
2）在膨胀结束的地方有不同的宇宙“口袋” 。 大爆炸可能是我们所知的“我们的”宇宙的开端 ， 但不可能(也不准确)向后推断出一个任意热的、稠密的状态 。 相反 ， 我们知道(从宇宙微波背景)宇宙在大爆炸时达到的最高温度不超过10^3 K 。 目前看来这是一个很大的数字 ， 但是它的高温热还未到达到普朗克尺度 ， 一个奇点 ， 或者导致我们所知道的物理定律失效 。 它告诉我们的一件事是 ， 在大爆炸之前 ， 还有别的东西 ， 与我们所认为的宇宙膨胀的初始条件相一致 。 膨胀只是宇宙大爆炸之前的一段时间 ， 是大爆炸创造了宇宙 。
被拉伸的平面 ， 在膨胀结束之前产生的所有残余粒子都是空的 ， 到处都有相同的温度和能量密度 ， 包含了一个均匀的波动谱 。 膨胀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 。
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图片来源:E. Siegel 。 当一个球滚进山谷时 ， 宇宙膨胀就结束了 。 但膨胀领域是一个量子领域(中间) ， 随着时间的推移而扩散 。 虽然空间的许多区域(紫色、红色和青色)将看到通胀结束 ， 但更多区域(绿色、蓝色)将看到通胀持续 ， 可能是永恒的(底部)
在膨胀停留在山顶而不是下降的地方 ， 膨胀继续 ， 创造了越来越多(膨胀)的空间 。 当它滚下山坡的时候 ， 膨胀就结束了 ， 产生了热的大爆炸 。 虽然膨胀在大约138亿年前就结束了 ， 但期望它在所有地方都结束是不合理的 。 相反 ， 空间的某些区域将永远继续膨胀 。 只要空间膨胀的速度大于口袋膨胀结束的速率 (在所有模型中均如此),同时会有无数的“大爆炸”彼此分离, 同时 ， 膨胀也会在一些地区持续 ， 在这些地区 ， 膨胀不会永远持续下去 。
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图片来源:E. Siegel 。 即使在任何给定的时间内 ， 任何一个区域的膨胀率可能会超过50%(用红色的X表示) ， 但仍有足够多的区域会持续扩张 ， 以至于膨胀率会持续一段时间 ， 没有两个宇宙会发生碰撞 。
上面红色的X表示通货膨胀结束的区域(就像我们的) ， 但是有无数个地方膨胀结束 。 这是一个更大的“平行宇宙” ， 比第一个版本的“比我们能看到的更多的宇宙”还要大 。 这也是克里斯提到的平行宇宙的第一个:永恒的膨胀 。
【天文|宇宙中存在另一个你吗？——关于平行宇宙的几点设想】
3）在平行宇宙不同部分的另一个版本你 。 在我们可观测的宇宙中大约有10^90的粒子(包括光子和中微子) ， 它们都经历了与许多其他粒子的相互作用和碰撞 。 他们有自己的位置和时刻 ， 他们有自己独特的历史 ， 其中大约有10^28个结合在一起 ， 现在 ， 造就了我们每一个人 。 如果我们计算膨胀期间宇宙膨胀的预期速率 ， 设想在我宇宙的整个历史(138亿年)中大部分空间一直以这个速率膨胀 ， 我们就可以计算出有多少个可能存在的宇宙与我们的宇宙相似 。
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我们可观测宇宙的历史 。 图片来源:欧洲航天局和普朗克合作 ， E. Siegel修改正确性 。
这是一个很大的数字！实际上 ， 我们讨论的至少是10^10^50个宇宙 ， 它们的初始条件可能和我们的宇宙非常相似 。 这是10 ^ 100000000000000000000000000000000000000000000000000宇宙, 这可能是你能想到的最大的数字之一 。 然而 ， 有一些更大的数字描述了粒子相互作用的可能结果；记住 ， 如果你想要得到一个完全相同的你 ， 你需要整个宇宙的历史以完全相同的方式展开 ， 直到你决定了其中的一种方式 。
接受那份工作 ， 买那栋房子 ， 亲吻你喜欢的人 ， 或者任何其他你做过(或没有做过)的决定 。
我们的宇宙有很多粒子:大约10的90次方 。 每次两个粒子相互作用 ， 不仅会产生一种可能的结果 ， 而是会产生一个完整的量子谱 。 尽管情况很糟糕 ， 但还有比(10^90)更多的方法!宇宙中粒子的可能结果 ， 这个数字比微不足道的10^10^50大很多倍 。 换句话说 ， 在任何宇宙中 ， 粒子相互作用的可能结果的数量趋向于无穷大 ， 由于膨胀 ， 可能宇宙的数量增加得更快 。 你需要在大爆炸之前一直持续的膨胀才有可能实现 ， 这违反了Borde-Guth-Vilenkin奇点定理 ， 该定理表明膨胀不可能像过去那样完全 。 换句话说 ， 这似乎不太可能 。
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量子力学的一种解释(德布罗伊-玻姆)中的量子轨迹 。 公共领域的图像从维基共享用户Opasson修改由Krzysztof Zaj?czkowski 。
4）你在不同的口袋宇宙的纠缠版本 。 这就涉及到Chris问题的第二部分:关于Everettian量子力学的部分 。 假设选项3是正确的 ， 而且在平行宇宙的其他口袋里还有其他版本的你 ， 他们会纠缠在一起吗？量子物理学是开放的解释 ， 这意味着有许多不同的方法(或看待它的方式)给出相同的答案 。 例如 ， 量子系统要么具有随时间扩散的波函数 ， 在相互作用发生时瞬间崩溃 ， 要么具有在我们沿着这条路走下去时从中选择一个可能结果的集合 。 休·埃弗雷特(Hugh Everett)的解释——量子力学的多重世界解释——认为 ， 平行宇宙的数量是无限的 ， 无论何时做出决定 ， 我们都会沿着其中的一些路径走下去 ， 而不是其他 。 所以 ， 在那些宇宙中 ， 你做了(也没做)那份工作 ， 买了(也没买)那栋房子 ， 在关键时刻吻了(也没吻)你的爱人 ， 等等 。
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图片来源:维基共享用户Christian Schirm 。
即使真的有无数的宇宙存在 ， 也没有办法在它们之间制造明显的纠缠 ， 尽管这并不能阻止人们的猜测 。 这是另一种不可测试的可能性 ， 需要一些非常不寻常的假设 。 然而 ， 如果我们愿意 ， 我们可以进一步深入平行宇宙的兔子洞 。
5) 。 不同的宇宙有不同的物理定律 。 这是一个更具投机性的假设:当膨胀结束时 ， 会有多种方式来结束它 ， 从而产生了与我们目前居住的宇宙不同的物理定律和/或的基本常数 。 这将是一个平行宇宙 ， 其中一些区域会重新坍缩 ， 另一些区域会迅速膨胀 ， 以至于没有恒星或星系会形成；有些没有暗物质 ， 有些则全是暗物质；有些宇宙常数更大或更小 ， 甚至是负的 。 甚至可能存在与我们的宇宙有着完全不同的粒子和相互作用的宇宙 。 这是无法测试的 。
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南达科他州Badlands国家公园的丘陵景观 。
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【天文|宇宙中存在另一个你吗？——关于平行宇宙的几点设想】每一个最小值 ， 也就是一滴水滴落到底的地方 ， 都代表了物理定律和/或基本常数可能出现的不同结果 。
从我们所能观察到的情况来看 ， 我们相当肯定选项1是正确的:宇宙比我们所能看到的要多得多 。 根据我们对宇宙膨胀的了解来看 ， 我们很确定选项2也是正确的：在我们的宇宙之外的一些区域 ， 膨胀在不同的时间结束 ， 每个区域都有自己的大爆炸,以及某些地区膨胀仍在进行中并将永远持续到未来 。 从我们对不同无穷大的了解来看 ， 我们很确定第三个选项不是真的 ， 因此选项四也不可能是真的 。 选项五呢？很多人都认同这一点 ， 但没有证据证明这一点 ， 这是不可测试的 ， 而事实是 ， 膨胀结束时远低于普朗克尺度 ， 这让我们有充足的理由相信这是可能的 。 (然而 ， 许多人会毫不犹豫地继续考虑这个问题 。 )毫无疑问 ， 平行宇宙几乎是真实存在的 ， 但你设想的平行宇宙版本却使宇宙大不相同 。
作者: Ethan Siegel Senior Contributor
FY: -J.Smiley
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