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多重宇宙假说是怎么被推导出来的?真空为什么这么空?

抛开多重宇宙家假说,我们就很难解释真空能量为何如此之小。但物理学家至少还有另外一个可供探索的方向。

译|造就 雁行

多重宇宙假说认为,我们的宇宙只是众多宇宙泡沫中的一个。这个争议性观点的逻辑源头是看似最无关痛痒的自然界景象:空无一物的空间(empty space)。

具体而言,多重宇宙假说是怎么推导出来的呢?

真空中弥漫着微量到难以名状的能量,它被称为真空能量、暗能量或宇宙学常数。一立方米空间内的真空能量只够一个灯泡亮一万亿分之一秒。然而考虑到泛过其间的所有物质场和能量场,真空能量至少应该比现在高万亿万万万万亿倍。

用诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)的话来说,这“让人如鲠在喉”。但不知怎的,这些场几乎全部相互抵消,只留下一片寂静。

真空怎么就这么空呢?

这就是著名的“宇宙学常数问题”,虽然谜底尚未解开,但对人类的存在而言,真空的这种极端虚空似乎不可或缺。

这种反引力作用哪怕再强一丁点儿,空间膨胀的速度就会过快,致使星系、行星或人类的构造无法形成。这种恰到好处意味着,宇宙可能有千千万万个,它们的真空能量各不相同,而我们恰好活在一个异常低能的宇宙中,因为在别的宇宙里我们根本就没有可能存在。

有的科学家对各种形式的“人择原理”嗤之以鼻,很不待见多重宇宙假说,因为它无法验证。即便那些不排斥多重宇宙观点的,也巴不得绕过宇宙学常数问题,寻找别的探索途径。但直到目前,抛开多重宇宙,这个问题几乎无解。“暗能量问题太棘手、太难了,人们就连一两个解决方案都拿不出来,”马里兰大学理论物理学家拉曼·森德拉姆(Raman Sundrum)说。

要理解个中原因,我们不妨考虑一下,真空能量究竟是什么。

爱因斯坦的广义相对论告诉我们:物质和能量决定了时空如何弯曲,而时空弯曲决定了物质与能量的运动形式。这个等式自带一个推论:时空可以拥有自己的能量——即排除其他一切,最后剩下的那个常量,爱因斯坦称之为宇宙学常数。

几十年来,宇宙学家们一直将它的值默认为零,因为宇宙膨胀的速度相对稳定,至于为何如此,他们也不清楚。到1998年,天文学家发现,宇宙膨胀其实是缓慢加速的,这意味着,太空中可能弥漫着一种排斥力。这种能量被称为暗能量,而且,它势必等于宇宙学常数。其存在导致了宇宙膨胀的不断加速,因为宇宙膨胀形成新的空间,这种排斥力的总量也就随之增加。

但一推算这种真空能量的密度,科学家就发现,它跟量子场论(粒子物理学理论)中的真空产生了冲突。当没有粒子激发泛过其间时,一个量子场就是空的。但根据量子物理学中的测不准原理,量子场的状态从来都不是确定的,因此,其能量永远不等于零。

试想这样一个量子场:其在空间中的每一点都是一枚弹簧。每一刻,这些弹簧的长度不是比松弛状态长,就是比松弛状态短;不是处在压缩状态,就是处在拉长状态,因此,它们永远都在运动,因而拥有能量。这被称为量子场中的零点能量。物质场的零点能量为负,而能量场的零点能量为正。这些能量做个加减,就得出了真空总能量。

真空总能量应该大致等于参与加减的那个大头。(打个比方,别人给你1万块钱,你花去100,或从沙发缝里挖到三块,最后,你手里差不多还是1万。)然而,我们观察到的宇宙膨胀速度显示,它的值比某些零点能量值小了60到120个数量级,仿佛不知怎的,所有正负数值全都抵消干净了。但要为这种均衡态找一个物理机制,那可不简单,原因有二。

其一,真空能量唯一的作用是一种引力作用,因此,要抵消真空能量,需要的是一种引力机制。但在宇宙诞生之初,当这种机制发挥作用时,宇宙是那么的小,相对于物质和辐射的总量,那点真空总能量简直可以忽略不计。

跟其他所有东西的引力比起来,真空能量的引力作用根本不够用。“这是宇宙学常数问题最大的难点之一,”2007年时,物理学家拉斐尔·布索(Raphael Bousso)这样写道。他说,在早期宇宙环境下,一个引力反馈机制要精准地调校真空能量,“大致就好比一架飞机在风暴之中,沿着精确到原子的预定路线飞行。”

综合这些难点,量子场论计算显示,在大爆炸发生之后不久,随着宇宙开始冷却,真空能量的值应该发生阶段性的转变。

这就引出一个问题:这种假定的完全抵消真空能量的机制出现于何时,是在这种转变发生之前,还是之后?该机制又怎么知道其作用该有多大,才能恰好将其抵消?

到目前为止,因为这些障碍的存在,要是不诉诸多重宇宙这个“抽奖系统”,“真空之空”就难以得到解释。

但近年来,一些研究人员探索起了另一条可能的途径:如果宇宙不源于一场大爆炸,而是在早期的一场收缩后,重新开始反弹,那么处于收缩阶段时的远古宇宙肯定极其巨大,而且充斥着真空能量。

也许当时,某些引力相关机制作用于充裕的真空能量,并随着时间的流逝,将其自然稀释。在这一思路的启发下,物理学家彼得·格雷厄姆(Peter Graham)、大卫·卡普兰(David Kaplan)和苏吉特拉·金德伦(Surjeet Rajendran)开拓了一种新的“宇宙大反弹”模型,只是他们还需进一步证明:在宇宙收缩时,那个真空稀释过程具体是如何进行的。

在一封电子邮件中,布索称这些人的方法“值得一试”,是“面对一个重大难题所做的有理有据的诚实抗争。”

但他也表示,这个模型中仍存在巨大的缺口,而“弥补这些缺口所面临的专业障碍不可小觑。这种(理论)构建已经是一台(过于繁复的)鲁布·戈德堡机器,等到这些缺口被填满时,它只会更加错综复杂。”布索和多重宇宙假说的其他拥趸都认为,多重宇宙的答案相对更为简洁。

来源 |quantamagazine;校对 | 其奇

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