另一個平行宇宙到底是以怎樣的方式存在?


如果你想測驗一個人的科學知識水平,有一個問題特別有意思。你可以問他,宇宙是有限大,還是無限大的?

如果他回答宇宙是有限大的,那說明這個人具備了一定的科學素養。如果他回答宇宙是無限大的,那就有兩種可能。一種可能是這個人對現代科學一無所知;另一種可能,卻是他對天體物理學的最新進展非常了解。

1.有限大,是可以理解的

以前哲學家一說起宇宙來就是什麼「空間上無邊無際,在時間上無始無終」。這個樸素的想法是有道理的,我們無法想像一個存在邊界的宇宙 —— 如果宇宙有邊界,那麼邊界之外是什麼呢?其實這個問題,物理學家在很早以前就已經給出了高級的答案。

我們現在已經確切知道,宇宙在時間上肯定是有一個開端,那就是大爆炸。你要問在大爆炸之「前」是什麼?這個問題沒有意義,因為那時候「時間」並不存在。時間,是有限的。

那麼空間呢?宇宙完全可能是一個空間有限大,但又沒有邊界的存在。你只要想像一下地球的表面就明白了。地球的表面積是有限大的,但對於生活在地球表面這麼一個二維空間的人來說,地球是沒有邊界的,不論他往哪裡走,總能循環回到原點 —— 因為地球表面是*彎曲*的。

三維空間,也可以是彎曲的。

咱們首先明確一點,宇宙空間是三維的。有些科幻小說喜歡說宇宙空間是高維的,比如什麼四維空間、五維空間,這都是不對的。你可以在數學上證明,只有在三維空間中,行星軌道才可能是穩定的 —— 才允許有文明存在。你可能聽說過「超弦理論」,說有十維空間,但是請注意超弦理論中那些多出來的維度都是蜷縮起來、極其小尺度上的存在,是不算數的 —— 而且超弦理論至今沒有任何可觀測的證據。

所以宇宙是三維的,但是是可以彎曲的三維空間。廣義相對論說「 物質告訴時空怎麼彎曲,時空告訴物質怎麼運動 」,我們現在有充分的觀測證據,大質量物體就彎曲了它周圍的空間。

那麼據此設想,人們推測,也許整個宇宙就是一個彎曲的巨大空間,就好像二維的地球表面一樣。如果你沿著某個方向在宇宙中一直走,最終也將會回到出發點。當然宇宙實在太大了,而且空間膨脹的速度超過了光速,所以我們並沒有觀測到有一束光在宇宙中循環往返。

這個有限大、沒有邊界的彎曲空間,就是十多年以前科學家對宇宙空間的標準想像。比如霍金的《時間簡史》這本書里講的宇宙空間模型就是這樣。

所以如果一個人說宇宙是有限大的,就說明他超越了傳統思維模式,具備了科學素養 —— 他心目中有一個彎曲空間的宇宙。

但是我們這個宇宙喜歡給物理學家製造驚喜。

2.平的?!

過去十幾年間,科學家用地面望遠鏡和太空探測器反反覆復在大尺度上觀測宇宙,發現空間……並不是彎曲的。最新的一個結果是在2013年底由「重子振動分光鏡勘測(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey,簡稱 BOSS)」發現、2014年1月宣布的:在大尺度上,宇宙空間是「異乎尋常的平直(extraordinarily flat)」。

像這樣超乎尋常的結論,科學家有超乎尋常的證據。彎曲空間中沒有真正的「平行線」 —— 比如你在地球的赤道上畫兩條平行線,你會發現這兩條線會在極地交叉到一起;而如果空間曲率是負的,平行線之間的相互距離就會越來越遠。但是科學家測量遙遠星系的光,發現並沒有這種彎曲。

科學家還仔細考察了宇宙微波背景輻射的地圖。如果空間是彎曲的,這個圖就會有些彎曲,如下圖所示 ——

但是科學家觀察不到任何彎曲。現在觀測的結果,我們有誤差小於1%的精度,認為宇宙是平直的。

還有一個間接的辦法。根據廣義相對論,質量和能量可以讓空間發生彎曲,那麼你只要統計一下宇宙里大概有多少的質能,就可以知道空間是怎麼彎曲的。科學家把已知的可見物質、暗物質、暗能量這些質能都加在一起,就可以測量出宇宙的質能密度。在廣義相對論中還有一個理論上的「臨界質能密度」,我們把觀測的質能密度除以臨界質能密度,得到一個數值,用希臘字母 Ω 表示。

如果 Ω&>1,那就說明宇宙里物質比較多,引力比較大,宇宙空間的曲率就是正的,那麼宇宙就像一個球一樣彎曲;如果 Ω&<1,那就說明物質比較少,引力比較小,那麼宇宙就會是一個像馬鞍形一樣的空間,是開放的。你猜計算結果的 Ω 是多少?

結果是 Ω = 1 ± 0.004。

也就是在0.4%的精度之內,Ω 正好等於 1。這說明我們這個宇宙的物質不多不少,引力不大不小,正好讓空間是平直的!

空間是平的,所以我們這個宇宙中三角形的內角之和正好等於180度,兩條平行線永遠不會相交。換句話說,你初中學的幾何學正好夠用,宇宙在大尺度上就是一個簡單的歐幾里得空間。

這個看似平淡,實則驚心動魄的事實,給我們帶來了兩個問題:一個是學術問題,一個是想像力問題。

3.巧合,又見巧合

先說學術問題。宇宙質能密度係數 Ω 正好等於1,這大約相當於每立方米中有5個氫原子的能量。可這是為啥呢?為什麼不是宇宙里每立方米有4個或者6個氫原子呢?這個問題現在沒有人能解答。

在精英日課的第一季有篇文章叫《一個讓人寢食難安的世界觀》,我們提到現在物理學面臨一個「微調」問題,也就是標準模型有19個自由參數,無法從理論上解釋,簡直就是特意調成那樣的數值,好讓這個宇宙恰好適合生命存在。

今天這個 Ω 也有點「微調」的意思。其實 Ω 比1稍微大一點或者小一點,人類也能存在,但是 Ω = 1 也還是太巧了。為什麼非得讓空間這麼平呢?難道「上帝」有強迫症嗎?

4.怎樣理解「無限大」

只要 Ω 等於或者小於1,宇宙空間就無法閉合,就是無限大的。一個平直而又沒有邊界的空間只可能無限大。事實上,在2014年最新測量結果出來,開新聞發布會的時候,BOSS項目總負責人大衛·施萊格爾(David Schlegel)說,我們關心宇宙是不是平的,因為這關係到宇宙是有限大還是無限大的 —— 而「我們的觀測結果和無限大的宇宙相吻合(Our results are consistent with an infinite universe)。」

這是一個非常令人不安的結果,有限大是可以想像的,無限大是不可想像的。大爆炸之前什麼都沒有,然後現在怎麼就無限大了呢?

當然,你也可以說測量存在誤差,測量結果是 Ω = 1 ± 0.004 —— 也許 Ω 並不嚴格等於1,宇宙空間並不是嚴格平的。但即便如此,也意味著宇宙比我們能觀測的、甚至比我們能想像的,都要大得多得多,至少是「幾乎無限大」。

這麼大是什麼意思呢?物理學家對此也開了個腦洞,這會給你的想像力帶來極大的刺激。

首先我們要知道,宇宙沒有中心。空間的膨脹是哪裡都在膨脹,宇宙中遙遠的區域應該跟我們這裡差不多,有差不多密度的星體。從微波背景輻射圖來看,宇宙各個地方大體上就是差不多的,我們這裡,一點都不特殊。

其次,你還要知道,根據量子力學,給定這麼一堆物質,不管他們的排列組合有多少不同的可能,也一定是有限的。這意味著所有可能的文明世界形態,也只有有限多種。

好。那麼如果宇宙是無限大或者近乎無限大的,而我們這裡並不特殊,而文明又只有有限多種,這意味著什麼呢?

意味著每一種可能都有幾乎無限多個副本。

說白了,就是非常遙遠的某個地方,存在著一個跟地球一模一樣的星球。在那個星球上,存在著和我們一模一樣的人。其中就有一個一模一樣的「你」,也正在聽著精英日課!

當然,你和他的下一步行動可能是不同的,比如你選擇點擊分享按鈕,而他沒有這麼做 —— 但不論如何,還存在另外無數個同樣的你,他們也點擊分享了。

甚至有人已經估算了這樣的星球距離我們有多遠。最近的那個一模一樣的你,距離你大約是10的(10的29次方)次方,米。

這當然是個不可思議的數字。使用常規的旅行方式你永遠也不可能見到他,也永遠無法和他取得聯繫,他有極大的可能性是我們可見宇宙範圍之外。

這是一個非常好的科幻小說素材,它意味著網路小說流行的「穿越」在邏輯上是可能的。物理學家不太相信什麼「時間旅行」,說你回到我們這個地球曾經經歷過的明朝末年,那不太可能,會造成因果關係的紊亂。但是,如果宇宙中存在另外一個地球,那個地球和我們一樣,不過它正好處於明朝末年,其中也有崇禎、魏忠賢、袁崇煥這些人物。如果你能通過什麼蟲洞之類的機制前往那個地球,那你盡可以隨便折騰,不用擔心影響我們這裡的歷史。

考慮到宇宙是無限大或者近乎無限大的,你可以認為一切「有可能發生」的事情,就都發生過、而且都會發生幾乎無數次。因為再小的概率乘以一個幾乎無窮大的數也可以大於1。

下次買彩票沒中獎,或者跟意中人失之交臂的時候,想到宇宙之大,那個你希望的可能性畢竟在某一處發生了,你也許會感到些許安慰。


跟這個世界一樣唄。。。


鏡像世界,與我們的世界完全相反。


和你現在所呆的世界一樣,完全符合你的認知,你好奇另一個世界是什麼樣,另一個世界的人也在好奇你這個世界是什麼樣


還記得你上一頓飯猶豫著想吃什麼嗎? 當你二選一的時候 做出另一個選擇的你 就已經開創了一個平行世界


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