深度思考：我们如何应对多元宇宙理论面临的挑战

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资料来源：迈克·沃克曼/Shutterstock

由“平行宇宙”组成的多元宇宙的想法是一个流行的科幻比喻，最近在奥斯卡获奖电影“无处不在”中进行了探索。然而，这在科学可能性的范围内。

重要的是要从一开始就声明，多元宇宙的存在（或不存在）是我们目前对物理学基本定律的理解的结果——它不是来自阅读太多科幻书籍的异想天开的物理学家的头脑。

多元宇宙有不同的版本。第一个也许是最受欢迎的版本来自量子力学，它控制着原子和粒子的世界。它表明粒子可以同时处于许多可能的状态 - 直到我们测量系统并选择一个。根据一种解释，我们没有测量的所有量子可能性都在其他宇宙中实现。

永恒的通货膨胀

第二个版本，宇宙多元宇宙，是宇宙膨胀的结果。为了解释今天的宇宙在任何地方看起来都大致相似的事实，物理学家艾伦·古斯（Alan Guth）在1981年提出，早期宇宙经历了一段加速膨胀的时期。在这段暴胀时期，空间被拉伸，使得任何两点之间的距离被推开的速度都超过了光速。

暴胀理论还预测了原始种子的存在，这些种子生长成恒星和星系等宇宙结构。这是在2003年通过观察宇宙微波背景中的微小温度波动而得意洋洋地发现的，这是大爆炸留下的光。随后，通过空间实验WMAP和普朗克精确地测量了它。

由于这一显著的成功，宇宙暴胀现在被大多数宇宙学家认为是早期宇宙的事实理论。

但是宇宙暴胀有一个（也许是无意的）后果。在暴胀期间，空间在非常大的尺度上被拉伸和平滑 - 通常比可观测的宇宙大得多。然而，宇宙暴胀必须在某个时候结束，否则我们的宇宙将无法进化到今天的样子。

但物理学家很快意识到，如果暴胀真的是真的，那么时空的某些区域将继续膨胀，即使其他区域的暴胀结束了。继续膨胀的区域可以被认为是一个独立的膨胀宇宙。这个过程无限期地持续下去，膨胀的宇宙产生更多的膨胀宇宙，创造了一个宇宙的多元宇宙。

这种现象被称为“永恒的通货膨胀”。物理学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和亚历克斯·维伦金（Alex Vilenkin）于1983年首次描述了永恒暴胀，直到21世纪初，永恒暴胀仍然是宇宙暴胀的一个奇怪产物，当时它与弦理论的一个想法相结合，产生了一个有争议但令人信服的解释，为什么我们的物理定律是今天的样子。

弦理论尚未得到证实，但它目前是我们万物理论的最大希望——将量子力学和引力结合起来。然而，物理现实的弦理论必须具有十个或更多的维度（而不是我们正常的三个空间维度加上时间）。因此，要描述我们现在的宇宙，这些维度中的六个或更多必须被“压缩”——以一种我们看不到它们的方式蜷缩起来。

这方面的数学过程是已知的。这个过程的问题（有些人可能会说是特征）是至少有10500种方法可以做到这种紧凑化 - 而这种令人难以置信的巨大可能性被称为“字符串景观”。每次致密化都会产生一组不同的物理定律，可能对应于不同的宇宙。这就引出了两个关键问题：我们在弦乐景观中处于什么位置，为什么？

永恒暴胀为第一个问题提供了一个优雅的答案：多元宇宙的每个膨胀宇宙都实现了弦景观中的不同点，因此所有可能的物理定律都可以存在于多元宇宙的某个地方。但是，为什么我们的宇宙在产生像我们这样的智能生命方面如此伟大呢？嗯，从统计学上讲，有些宇宙应该像我们的宇宙一样——我们生活在我们的物理定律是我们观察到的宇宙中。

然而，这种观点极具争议性 - 许多人认为这不是一个科学论点，它引发了深入的调查。

测试

多元宇宙的明显挑战是它的可观测性。假设它确实存在，那么是否有可能观察到其他宇宙，即使是在原则上？对于量子多元宇宙来说，答案是否定的——不同的宇宙不会交流。但在暴胀多元宇宙中，答案是“是的，如果我们幸运的话”。

由于不同的宇宙占据相同的物理空间，相邻的宇宙原则上可以相互碰撞，可能会在我们可观测的宇宙中留下遗物和印记。由伦敦大学学院的Hiranya Peiris和Perimeter研究所的Matthew Johnson领导的一项研究合作表明，这种碰撞确实应该在宇宙微波背景（大爆炸留下的光）上留下可以搜索的印记 - 尽管到目前为止，这些特征还没有被发现。

下一个挑战是理论上的。一些理论家认为，弦景观中的大多数宇宙实际上在数学上是不一致的——无法以我们的宇宙方式存在。相反，它们存在于解决方案的沼泽中 - 特别是允许宇宙暴胀的弦理论解决方案似乎很难找到。

弦理论家和宇宙学家对弦理论是否可以描述暴胀存在深刻的分歧，即使在原则上也是如此。这个难题既令人烦恼又令人兴奋——它表明这两种观点中的一个是错误的，其中任何一个都将导致理论物理学的革命。

最后，宇宙暴胀的前提现在正受到挑战。宇宙暴胀存在的理由是，无论早期宇宙看起来如何，暴胀都会动态地将宇宙推向我们今天看到的平滑宇宙。然而，从来没有人严格研究过宇宙暴胀是否真的可以首先开始。

这是因为描述过程开始的方程太复杂，无法解析求解。但是这个问题现在正被世界各地的几个研究小组严格测试，包括我在伦敦国王学院的研究所，现代高性能计算的力量被用于解决这些以前难以解决的方程。

本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。

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原标题：《『深度思考：我们如何应对多元宇宙理论面临的挑战》

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