终极理论下的平行时空:平行宇宙真的存在吗?

平行宇宙最早也是作为科学假说被提出来的。而到了现在,科学家所提出的平行宇宙远不止一种,而是有好多种……那么是不是每一种平行宇宙理论下都有平行宇宙里的另一个你呢?下面我们来简单了解一些常见的平行宇宙和它们提出的背景。

最早看到的平行宇宙就是在李连杰主演的好莱坞科幻片《宇宙追缉令》里的。在故事中平行宇宙的李连杰杀死了其它所有平行宇宙的自己,以此获取被杀者的能量来提升自己的实力,最后来的主角的世界来要杀死他,脑洞是挺大的……

但其实跟很多科幻作品里的科幻元素一样,平行宇宙最早也是作为科学假说被提出来的。而到了现在,科学家所提出的平行宇宙远不止一种,而是有好多种……那么是不是每一种平行宇宙理论下都有平行宇宙里的另一个你呢?下面我们来简单了解一些常见的平行宇宙和它们提出的背景。

科学里的非科学——多世界诠释里的平行宇宙

我首次在正经的科普作品里看到关于平行宇宙的描述是在曹天元的科普书《上帝掷骰子吗?——量子物理史话》里。这也许也是平行宇宙在科学上首次出现的地方吧。

故事要从一百年前的一个实验开始说起,当时科学家在研究一个著名光学实验——杨氏双缝实验时发现,当光经过两道狭缝以后,会在缝后的屏幕上投出明暗相间的条纹,这个实验人们已经进行了上百年了,按道理这没什么奇怪的,这是波的特性,麦克斯韦已经证明光是一种电磁波,因此它会产生干涉就不足为奇。

(下面这段背景知识如果觉得乏味可以直接跳过,从下一段黑体字开始继续往下看)

然而问题在于爱因斯坦在1905年的一篇诺贝尔物理学奖论文里提出了光量子假说,把光作为一种粒子用以解释此前物理学家发现的光电效应现象。于是奇怪的事情发生了——光既是波又是粒子?由于两种特性都有明确的实验证明,光既是波又是粒子似乎是无可辩驳的:杨氏双缝干涉实验证明光是波,不同频率光产生的光电效应和康普顿散射实验证明光是粒子。后来埃尔温·薛定谔和沃纳·卡尔·海森堡分别通过波动力学和矩阵力学描述了波和粒子的行为。再后来,路易·维克多·德布罗意提出了物质波的假说,认为所有的物质粒子都具有波的特性,并最终在克林顿·戴维森和雷斯特·革末在实验中发现电子产生的衍射,并且衍射规律与X射线一致。至此物质粒子的波粒二象性被确立。而根据新生的量子力学解释,光的“波”是一种概率幅,用人话说就是各种可能的组合。

实验背景交代完,下面我们继续说前面的双缝实验:人们在双缝实验中使用一种特殊的方法企图让光子一个个通过双缝,以此观察屏幕上出现的图案,方法是把光源弱化到每一刻只有一个光子通过缝,缝后面用感光胶片成像。当曝光时间比较短的时候,人们在照片上看到的是一些零星的光点,这表明光子确实是一个个打在胶片上的。但当把胶片的曝光时间延迟到足够长以后,神奇是事情出现了:胶片上再次出现了光束双缝干涉一样的干涉图案!这意味着一个光子也能产生干涉?因为干涉图案表明,一个光子是同时经过两道缝的,因为只有这样才能产生干涉并形成干涉图案……

于是问题来了:一个光子是如何同时经过两个狭缝的?一堆量子力学奠基人(玻尔、玻恩、海森堡、狄拉克、泡利等人)组成的哥本哈根学派提出了一种当时“最合理”的解释——哥本哈根诠释。他们认为当光没有到达屏幕被测量到之前,并不是一个实体的粒子,而是一团概率云,它存在于所有可能的地方,包括那两道狭缝,也就是说,它处在所有可能的叠加状态!因此,它确实是同时经过了两道狭缝并与自身干涉并最终以一个实体粒子打在感光胶片上从而被测量到。

这样的解释显然是难以让人接受的,因为这意味着物质粒子在被测量到之前并不具有实在性,因此它受到以爱因斯坦为代表的物理学家所抨击,但他们又没能给出更好的解释……

直到1957年,美国普林斯顿大学的休·艾弗雷特三世在其博士论文中提出一种假说:多世界假说。在这个疯狂的假说中他指出,处在叠加态的可能并不是光子,而是宇宙!

在他的解释中,宇宙处在所有可能的叠加态,在双缝干涉实验中当光子经过双缝时,叠加的宇宙就产生了分裂,产生了两个平行的宇宙,在其中一个平行宇宙,光子经过了左边的狭缝,而在另一个平行宇宙,光子则经过了右边的狭缝,叠加态的宇宙是真实的,而每一个分裂的平行宇宙也是真实的,光子始终是一个个地经过其中一道狭缝。这样物理世界的实在性被保留了。

然而对于大多数物理学家和普通人们来说,这个假说比哥本哈根诠释更加疯狂!“我不相信我瞟一眼就使宇宙产生了分裂……”所以在很长时间里,这一假说并没有被广泛接受。
那么作为一个物理理论的诠释,这个假说可以被实验验证吗?很遗憾:不可以。因为这个理论指出,当两个平行宇宙分裂开以后彼此就没有任何关联了,它们就像两根平行线,不再产生任何交集。

也就是说,它是一个无法验证的假说……虽然它是一位物理学博士提出的,但它其实不符合科学理论的标准,因为它不具备可证伪性。

一不小心就写得太长了……但我觉得这是最重要的平行宇宙假说,所以下面的我就尽量从简了。

不可观测宇宙的平行世界

这是基于两个事实提出来的:1、宇宙正在膨胀,2、光速是个有限的值。因此,就在我们所处的宇宙中就存在了一个可观测宇宙和一个不可观测的宇宙,但它们共同构成了我们所处的宇宙。我们的可观测宇宙是指我们所能看到的最远的距离构成的一个以我们为中心的球体,它的半径大约是光行距离138亿光年,而由于宇宙的膨胀,它现在的实际半径已经膨胀到了大约465亿光年。对于465亿光年外的宇宙,目前是不可观测的,它跟我们没有任何交集。而根据我们的可观测宇宙半径,我们还可以把我们的宇宙划分成n个互相没有交集的小宇宙。

由于是同一个宇宙,因此我们拥有一样的物理规律,而又由于宇宙各向同性,因此当宇宙足够大,能划分出足够多的小宇宙后,就存在一种可能,在某一个小宇宙里的粒子排列刚好与我们的可观测宇宙一样,这样,两个一模一样的小宇宙就产生了。在那个小宇宙里,很可能进化出一个一模一样的你……但是他跟你却没有任何关系……

不过由于我们的宇宙的大小是有限的,它不可能拥有无限多的小宇宙,所以在如此宏观的尺度下拥有完全一样的粒子排列的可能性基本为0。

另外,由于光速的限制,这样的小宇宙也是不可观测的,也就是不可证实的……

能量守恒下的负能量宇宙

能量守恒是一条亘古不变的物理定律,但它带来了一个终极问题:我们的宇宙是怎么来的?我们的宇宙充满了能量,而它又是在有限的时间内诞生的,那么它的能量是怎么产生的?

根据量子力学,真空中可以随机产生虚粒子对,它们一般是产生后就随即湮灭了。但存在一种可能,两个虚粒子被分开到足够大的距离,理论上当虚粒子对被分开到超过它们的一倍波长的距离时,它们就不会再湮灭了,当虚粒子对无法湮灭时就会变成实粒子。因此,有人指出很可能当初就产生了两个大爆炸奇点,它们在一个巨大的能量涨落中产生,由于某种未知的原因瞬间分开了,没有随即湮灭,因此它们分别拥有了正能量和负能量,随后各自膨胀为一个宏观的宇宙。这样,就可能在形成我们的宇宙的同时,产生了一个全是负能量的平行宇宙,里面就可能有一个负能量的你……

但是很显然,这样的一个负能量宇宙也是不可观测的,因为当你观测到的那一刻就意味着毁灭……

时光倒流的世界——白洞的宇宙

在卡尔·史瓦西提出黑洞几十年后,有人提出了可能存在一种与黑洞相反的天体——白洞。根据广义相对论,黑洞是只能进不能出,白洞则只能出不能进。然而科学家却找不到白洞自然形成的机制,它不像黑洞可以通过天体坍缩产生。于是有人脑洞大开提出黑洞的另一头很可能连接着一个白洞,而两者通过虫洞相连,黑洞吸进去,从白洞喷出来。

然而按照广义相对论,黑洞的边界——视界面是一个单向膜,当越过了视界,黑洞里的时空就发生逆转了,所有落入黑洞的物体将从沿空间方向落入黑洞变成沿时间方向落向奇点。也就是说物质落向黑洞奇点的过程是一个顺时过程,而与之相反,白洞从奇点喷出物质的过程则变成一个逆时过程,这有点不符合我们的物理规律,因为我们的宇宙时间具有明显的单向性,不存在逆过程。于是有人继续脑洞大开提出白洞所在的是另一个宇宙,那个宇宙的时间是逆着走的……

不过这样一个宇宙也许不能叫平行宇宙,而应该叫镜像宇宙吧,毕竟它连时间方向都是反的……

对于这样的一个宇宙,什么都不要问,问就是不可证伪……

终极理论下的平行时空

在追求统一的过程中,诞生了一种奇怪的理论,称为弦理论,通过增加空间维度,科学家可以把更多的相互作用纳入到同一个理论里面。从弦理论发展到超弦理论后,科学家在十维时空下统一了自然界的四种相互作用,但是他们一共发现了5种不同的超弦理论,而且它们好像都对。后来物理学家爱德华·威腾通过额外再增加一个空间维度,使5种超弦理论统一在一起。

但很快有人发现了问题,在增加了一个空间维度后,空间变成了十维,然而偶数维的空间无法导出手征性,这与现实世界不符……

后来还是威腾自己想到了解决办法,很简单:“解释不通,穿越时空;脑洞不够,平行宇宙。”没错,他搬出了平行宇宙!通过把第十个空间维度定义为连接两个九维空间的平行空间维,空间再次回到奇数维,完美的解决了手征性问题。最终这一理论被称为M理论,成为最有可能统一所有相互作用的终极理论。

漂浮在高维空间里的三维膜

一开始,弦理论的高维空间是蜷缩在普朗克长度下的,但随着理论发展,由于有三种相互作用力无法脱离三维空间(仅引力能穿透到高维空间),因此,高维空间即使是宏观的我们可能也看不到,因为我们日常的观测手段被锁死在三维空间里了……

这样,一个宏观的高维空间就可能存在了,而我们可见的宇宙则可能只是一片漂浮在高维空间里的三维空间膜。那么凭什么认为这个高维空间里只有一片三维膜呢?又一个脑洞出现了:在这个高维空间里,可能漂浮着无数的三维膜宇宙,而与之前的平行宇宙不同,这些漂浮的三维膜是有可能相撞的(有理论认为正是这种相撞产生了宇宙大爆炸),即使不相撞,两个三维膜上的物质也能产生引力相互作用,而这些引力相互作用在我们的宇宙中理论上是能观测到的。(有人认为这能解释暗物质问题)

由于可以存在无限多的三维膜宇宙,因此也就有可能存在一个排列组合与我们的宇宙一模一样的宇宙,存在另一个你的平行宇宙又出现了……但跟前面的小宇宙一样,这个平行宇宙的“你”跟你其实没有半毛钱关系。

宇宙不是唯一?——泡泡宇宙

前面的所有平行宇宙其实可以认为都来自一个共同的大宇宙,因为它们有共同的起源。但有人提出宇宙可能根本不只有一个,而是有无数个,每一个有不同的物理规律,不同的演化过程。有的可能根本没膨胀,有的可能暴胀不止;有的可能只有一种力,有的可能有八种……反正就是民科名言:一切皆有可能!

既然有无数个各种各样的宇宙,出现两个各种排列组合一样一样的宇宙自然也是有可能的……

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