多重宇宙論：我們的宇宙是一個膨脹的泡泡

在我們所處的宇宙之外是什么？這似乎是一個無法回答的問題。然而，一些宇宙學(xué)家給出了回答：我們的宇宙是一個正在膨脹的泡泡;在它之外，存在著更多的“宇宙泡泡”，它們都沉浸在一個不斷膨脹和充滿能量的海洋中。這就是多重宇宙論（multiverse）。

這個概念正在兩極分化。一些物理學(xué)家接受了多重宇宙論，認為這可以解釋為什么我們的宇宙看起來如此特殊（只有特定的宇宙泡泡可以容納生命），另一些物理學(xué)家則拒絕接受這個理論，認為它所做出的預(yù)測無法進行檢驗（它預(yù)測了所有可想象的宇宙）。不過，也有一些研究人員認為，他們現(xiàn)在只是暫時沒有能力計算出該理論的精確結(jié)果。

目前，多個研究團隊都在尋找新的方法，試圖準確推斷多重宇宙泡的產(chǎn)生過程，以及當這些宇宙泡泡碰撞時會發(fā)生什么。

“這種嘗試成功的機會很小，”加拿大多倫多大學(xué)的宇宙學(xué)家喬納森·布萊登說道。他參與了這項工作，但認為這是在為“你覺得永遠無法驗證的東西”尋找證據(jù)。

多重宇宙假說是在研究宇宙如何誕生的過程中提出來的。在宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)中，理論物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了宇宙在誕生之初爆發(fā)式膨脹的跡象。20世紀80年代早期，當物理學(xué)家們在研究宇宙如何開始和停止暴脹時，一幅令人不安的畫面出現(xiàn)了。研究者意識到，盡管我們的宇宙空間（我們所處的宇宙泡泡）和其他宇宙（其他的宇宙泡泡）停止了暴脹，但量子效應(yīng)應(yīng)該會使大部分空間繼續(xù)膨脹，這就是所謂的“永恒暴脹”理論。

真真空與假真空

宇宙泡泡與其周圍環(huán)境的區(qū)別在于空間本身的能量。當空間盡可能空曠、不可能失去更多的能量時，它就達到了物理學(xué)家所說的“真真空”狀態(tài)中。你可以想象一個放在地板上的球，它是不會再繼續(xù)下落的。但是，系統(tǒng)也可能出現(xiàn)“假真空”狀態(tài)。想象在桌子上的碗里放一個球，它可以滾來滾去，同時又時不時停留在遠處。如果施加足夠大的震動，這個球就可能落在地板上，達到“真真空”的狀態(tài)。

在宇宙學(xué)背景下，空間同樣會陷入一種“假真空”狀態(tài)。一個微小的假真空偶爾會松弛變成真真空——可能是通過隨機的量子事件——而這個真真空會像泡泡一樣向外膨脹，“吃掉”假真空的過剩能量，這個過程被稱為“假真空衰變”。也許正是這一過程使我們的宇宙以大爆炸的方式誕生。倫敦大學(xué)學(xué)院的宇宙學(xué)家希拉尼亞·佩里斯說：“我們宇宙歷史上的第一個事件，可能就是一個真空的泡泡。”

但在預(yù)測真空泡的行為方面，物理學(xué)家們付出了巨大的努力。一個真空泡的未來取決于無數(shù)微小細節(jié)的積累。泡泡的變化也十分迅速，當它們向外擴張時，泡壁的速度可接近光速;與此同時，這些泡泡也具有量子力學(xué)的隨機性和波浪性。關(guān)于這些過程的不同假設(shè)給出了相互矛盾的預(yù)測，我們無法判斷哪些可能最為接近現(xiàn)實。布萊登表示，這就好比“你把很多物理學(xué)家很難處理的問題揉成一團，然后說，‘去吧，弄清楚到底發(fā)生了什么”。

模擬真空泡

很顯然，物理學(xué)家們不可能刺破多重宇宙中的真空泡，但他們一直在尋找模擬這些泡泡的數(shù)學(xué)和物理方法。

最近，一個研究小組通過一個簡單的模擬，誘導(dǎo)出了類似真空泡的行為。包括加州理工學(xué)院著名理論物理學(xué)家約翰·普雷斯基爾在內(nèi)的研究人員，從“你能想到的這個問題最初級的版本”著手，正如共同作者阿什利·米爾斯泰德所說的，一串大約1000個可以朝上或朝下的數(shù)字箭頭。在一串幾乎都朝上的箭頭與一串幾乎都朝下的箭頭相遇的地方，就形成了一堵泡泡外壁。通過翻轉(zhuǎn)箭頭，研究人員可以使泡泡外壁移動和碰撞。在特定情況下，這個模型完美地模擬了自然界中更復(fù)雜系統(tǒng)的行為。研究人員希望用它來模擬假真空衰變和泡泡碰撞的過程。

起初，這個簡單設(shè)置的模型并沒有按照實際情況來運行。當泡泡外壁碰撞在一起時，它們會完美地反彈，沒有像預(yù)期的那樣出現(xiàn)復(fù)雜混響或粒子流出（表現(xiàn)為箭頭像漣漪一樣翻轉(zhuǎn)）。但在添加了一些數(shù)學(xué)元素之后，研究團隊發(fā)現(xiàn)碰撞外壁噴出了高能粒子——隨著碰撞越來越猛烈，噴出的粒子也越來越多。

然而，在2020年12月發(fā)表于預(yù)印本論文中的這些結(jié)果，預(yù)示著傳統(tǒng)計算方法在這個問題上進入了死胡同。研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著產(chǎn)生的粒子混合在一起，它們會“糾纏”并進入一個共享的量子態(tài)。每增加一個粒子，它們的狀態(tài)復(fù)雜程度就會以指數(shù)形式增加，即使是最強大的超級計算機也無法進行模擬。

研究人員表示，出于這個原因，關(guān)于泡泡行為的進一步發(fā)現(xiàn)可能要等到量子計算機技術(shù)的成熟。這種計算機的計算元件（量子位元）可以處理量子糾纏，因為它們本身就依靠量子糾纏來進行計算。

與此同時，其他研究人員另辟蹊徑，希望讓大自然來幫助他們解答這道數(shù)學(xué)難題。英國杜倫大學(xué)的物理學(xué)家邁克爾·斯潘諾夫斯基和史蒂文·阿貝爾相信，他們可以通過一種與真空態(tài)遵循相同量子規(guī)則的設(shè)備來避開復(fù)雜的計算。“如果你能在一個自然實現(xiàn)的設(shè)備上編碼這種系統(tǒng)，那就不必再進行計算了，”斯潘諾夫斯基說，“這就更像是一個實驗，而不只是理論預(yù)測。”

這樣的設(shè)備被稱為“量子退火機”（quantum annealer）。這是一種受限的量子計算機，通過尋找量子位元的最低能量狀態(tài)，專門解決優(yōu)化問題——這一過程與假真空衰變十分類似。

阿貝爾和斯潘諾夫斯基使用一種名為“D-Wave”的商業(yè)量子退火器，編寫了一串約200個量子位元的程序，來模擬一個具有更高和更低能量狀態(tài)的量子場，類似于假真空和真真空。然后，他們讓系統(tǒng)松開，觀察前者如何衰變?yōu)楹笳撸⒆罱K導(dǎo)致真空泡的誕生。

他們在2020年6月發(fā)表的預(yù)印本論文中描述了這個實驗，但只是驗證了已知的量子效應(yīng)，并沒有揭示任何關(guān)于真空衰變的新發(fā)現(xiàn)。不過研究人員希望最終能利用D-Wave來一步一步地超越當前的理論預(yù)測。

第三種方法是拋開計算機，直接形成泡泡。以接近光速膨脹的量子泡并不容易獲得，但在2014年，澳大利亞和新西蘭的物理學(xué)家提出了一種在實驗室中制造這種泡泡的方法。他們使用了一種奇異的物質(zhì)狀態(tài)，即玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）。當一團稀薄氣體冷卻到接近絕對零度時，就可以凝聚成BEC，并具有罕見的量子力學(xué)特性，包括干涉另一個BEC的能力，就像兩束激光之間的干涉。研究小組預(yù)測，如果兩個凝聚態(tài)以適當?shù)姆绞较嗷ジ缮妫瑢嶒炄藛T應(yīng)該就能捕捉到從凝聚態(tài)中形成泡泡的直接圖像——這些泡泡的行為與多重宇宙論中假設(shè)的泡泡類似。

佩里斯說：“因為這是一個實驗，所以包含了自然界所要放入的所有物理規(guī)律，包括量子效應(yīng)和經(jīng)典物理效應(yīng)。”佩里斯所領(lǐng)導(dǎo)的物理學(xué)家團隊正在研究如何穩(wěn)定凝聚態(tài)混合物，以防止不相關(guān)效應(yīng)造成的坍縮。經(jīng)過多年努力，她和同事們終于著手準備原型實驗，希望在未來幾年內(nèi)吹出冷凝態(tài)泡泡。

如果一切順利，這項實驗將回答兩個問題：泡泡形成的速度，以及一個泡泡的膨脹如何改變附近另一個泡泡膨脹的幾率。布萊登為這個實驗的理論基礎(chǔ)作出了貢獻，他指出，這些問題甚至不能用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)語言來表述。

這些信息將幫助像布萊登和佩里斯等宇宙學(xué)家精確計算出在遙遠的過去，一個鄰近的宇宙泡泡會如何與我們所處的宇宙發(fā)生碰撞。這樣的碰撞可能會留下疤痕，可能就是天空中某個圓形的冷斑。佩里斯和其他研究者一直在尋找這樣的冷斑，但仍沒有找到。其他的細節(jié)，比如碰撞是否也會產(chǎn)生引力波等，則取決于未知泡泡的具體情況。

即使多重宇宙只是海市蜃樓，物理學(xué)家可能仍然會受益于為探索這一假說而開發(fā)的各種工具。理解多重宇宙就是理解無處不在的空間物理。

假真空衰變“似乎是物理學(xué)的普遍特征，”佩里斯說，“我個人不相信紙面上的理論計算能讓我們解決這個問題。”