07月06, 2016

平行宇宙是什么(三)

平行宇宙是什么(一)描述了百衲被多重宇宙和暴涨多重宇宙。

平行宇宙是什么(二)介绍了膜的多重宇宙和循环多重宇宙。

接下来继续学(zhuang)习(bi)。

景观多重宇宙

这种多重宇宙理论是结合爆胀多重宇宙和弦论产生的。“景观”是指山峰山谷形成的山峦风景,用这种形象来类比这种多重宇宙。

爱因斯坦在发表了广义相对论以后,将它用在了最宏大的尺度——整个宇宙上,开始致力于理论宇宙学的研究,他给出的用于描述物质和能量在宇宙中分布的数学方程,当时他为了让宇宙空间能保持静止,设计了一个宇宙学常数的存在。这个常数的含义是:依附于空间结构本身的能量额度,也就是暗能量的含量。如果这个值为零,则宇宙要么膨胀要么收缩。

然而这一次爱因斯坦错了,因为我们现在知道宇宙空间不是静止的,而是在加速膨胀的。宇宙静止理论虽然错了,但是宇宙学常数却保留了下来,因为宇宙的膨胀需要一个力,能战胜万有引力,从而将宇宙向外推。宇宙学常数和它所产生的排斥性引力恰好可以胜任这项工作。而这其实也就是爆胀场产生的的基础。

接下来介绍“量子隧穿效应”。一个粒子,遇到一个固体障碍物,比如电子遇到10英尺厚的钢板,经典物理学认为它无法穿过。而量子力学则认为,穿过概率很小但不为零,这是因为量子抖动造成的。这就是量子隧穿效应,例子就是核聚变中氢原子核穿过了其质子间的电磁排斥所产生的势垒。

以弦论中额外维度的形态为横轴,宇宙学常数为纵轴,可以绘制一条有许多个极值(不懂的回去翻高数)的曲线(额外维度是二维时则为曲面,三维时则更加复杂),这条曲线(面)的形状就像山峦起伏一样,因此取名景观。宇宙学常数代表的爆胀场的势能,势能有向减小的方向变化的趋势。我们知道曲线在极值处是稳定的,类似于两座山峰间的山谷。,但是根据量子隧穿效应,其值有可能发生隧穿,从而变化成更低的取值。即是下图中可能从一个山谷穿越到另一个更低的山谷中。

山峦起伏的弦景观

而宇宙学常数的变动就会引起爆胀场的变动(关于暴胀理论,在平行宇宙是什么(一)做了简单介绍)。回忆一下爆胀多重宇宙的模型,爆胀场如果减小,则爆胀速度就会减慢,奶酪中的泡泡内部就会产生新的泡泡,像俄罗斯套娃一样。这个过程可以反复发生,在原始宇宙的其他位置以及新宇宙中,更多的隧穿事件产生了更多的泡泡,每个泡泡中的宇宙学常数都比它外层的泡泡小。于是就出现了比爆胀的多重宇宙更复杂的一个版本——景观多重宇宙。

景观多重宇宙

量子多重宇宙

顾名思义,量子多重宇宙的基础是量子力学原理。量子力学是作用在分子、原子和亚原子的尺度上的,它是怎么起作用的呢?假设你有100个相同的盒子,每个盒子里有一个电子,并按照相同的实验程序进行设置。十分钟后,你测量这100个电子的位置,会得到不同的结果。咋一看结果是随机的,但如果将盒子和电子的数量增加到更多,你就会发现规律,即在某个位置发现电子的概率。根据物体现在的状态细节,按照公式,可以计算出在未来任意时刻它们处于某个状态的概率,这套计算公式叫做薛定谔方程。

我们知道著名的电子干涉实验,类似于更著名的光的干涉实验,在这个实验中,粒子表现出了波的特性,而这种波的幅值代表了概率的大小,也就是粒子出现在这个位置的概率,因此科学家称这种波为概率波。

电子的干涉实验

概率波不止在原子级的粒子上存在,在宏观物体上也存在,只是这时的概率波极为狭窄。意味着物体位于概率波尖峰处的概率非常大,略逊于100%,说“略逊于”其实是不恰当的,因为整个宇宙几十亿年来,也不会发生意外,因为概率实在太小了。

那我们怎么能切身体会到这种概率性呢?答案是否定的。波尔提出一种“哥本哈根解释”,他设想,只要你试图观察概率波,观察行为本身就会成为你的阻碍。当你测量到电子的位置的时候,那一点上的概率波将激增至100%,而其他地方的概率波则坍缩为0。当你停止测量时,概率波会迅速扩散,意味着我们能再一次在不同的地方以适当的概率发现这个电子。也就是说,在你测量的时候,薛定谔方程失效了。

现在看来,这个解释笨拙、武断、缺乏数学基础,甚至不够明确。例如,何为“观察”,一定要有人的介入吗,老鼠看一眼可以吗,计算机探测呢,甚至一个细菌病毒呢?而且越来越多的实验证明薛定谔方程的有效性,数学公式不允许概率波发生坍缩。

于是科学家提出了另一种构想,也就是量子多重宇宙。量子多重宇宙认为,当我们进行观测的时候,我们所处的世界将分裂成许多平行世界,每个世界对应一种可能的观察结果。每个平行世界中的观察者会认为,只有他所观测到的结果是真是发生的,而实际上只是因为其他的结果发生在这位观察者无法观测到的平行宇宙中,被他在那些平行宇宙中的“分身”观测到了。

在量子多重宇宙中,任何量子力学认为可能发生的事情都在它们各自的独立世界中实际的发生了,没有任何宇宙比其他宇宙更加“真实”。那只著名“薛定谔的猫”总会在某一个宇宙中活下来。

量子多重宇宙

To Be Continue...

平行宇宙是什么(四):介绍全息多重宇宙。

平行宇宙是什么(五)(完结):介绍虚拟多重宇宙和终极多重宇宙。

转载注明出处:十个雨点

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