为什么需要可观测？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-06-08 12:21 标签： 不可观测宇宙

科学家们现在最远只能看到宇宙的边界。我们是否能够知道那外边还有什么？

国家地理2022年5月4日发表

可观测的宇宙边界外边还有什么？有没有可能我们所在的宇宙是否只是更大的多重宇宙中的一个而已？

电影对于探索这些问题永远兴致盎然。从超级英雄大片，如《奇异博士失控多重宇宙》，到独立制片的《瞬息全宇宙》，科幻片充满了各种替代现实的创造性相互作用。多重宇宙的概念不仅仅是纯粹的幻想或者是一个容易编故事的构想，主要看你问的是哪位宇宙学家了。

人类文明对于替代现实的思考由来已久而且多种多样 – 1848年，Edgar Alan Poe甚至曾经写下过一首散文诗，在诗中，他幻想存在一种“无限更替的宇宙”。但是，多重宇宙概念的实际形成出现在现代科学理论试图解释我们所在的宇宙本质的时候，这些理论预言存在着其他的宇宙，在那里，发生着一些我们现实之外的事件。

斯坦福大学的物理学家Andrei Linde说，“到目前为止，我们对于现实的理解还是不完整的。现实的存在独立于我们之外。”

如果它们存在，那些宇宙与我们是隔离的，无法触及也无法用任何直接的测量仪器感知（至少到现在为止是这样）。这使得一些专家质疑这种对多重宇宙的探索的科学性。

科学家们真的可以弄清我们所在的宇宙是唯一的吗？我们仔细分析了关于是否存在多重宇宙的不同理论 – 包括存在一些其他的宇宙，拥有其特殊物理规律 – 以及是否存在着很多不同版本的你。

多重宇宙这个词是科学家们用来描述在我们可观测宇宙之外还存在着其他的宇宙的观点。描述不同可能情境的多个科学理论都预言了多重宇宙的存在 – 这些理论描述的不同情境，从与我们所在宇宙不同层面的空间区域，到不断突然出现与我们分隔开的气泡宇宙。

这些理论的一个共同点是，它们都认为我们可以观测的空间和时间并不是唯一的现实。

好吧…但是为什么科学家们认为有不止一个宇宙？

“如果认为只有一个宇宙，那么我们就无法解释我们宇宙的所有特征。”科学杂志记者Tom Siegfried说。他写的书《多少个天堂》研究了一千多年来多重宇宙概念的演化。

“为何组成自然界的常见基本物质是那些特定的物质？”Siegfried提问道。“为何在我们的宇宙里有足够的时间来生成恒星和行星？为何恒星是以现在这种状态发光，其燃烧的能量正好合适？所有这些问题在我们现在的物理学理论中都无法找到答案。

Siegfried说，这里有两种可能的解释：其一，我们需要更新的，更好的理论来解释我们所在宇宙的特征。或者，可能“我们只是很多个各不相同的宇宙之一，而我们正好生活在美好而舒适的一个宇宙中。“

有哪些流行的多重宇宙理论？

可能在科学界最被人们接受的理论来自暴涨宇宙论，该理论认为在宇宙大爆炸后极短时间内，宇宙快速地以指数倍速度膨胀。宇宙的暴涨解释了很多观测到的宇宙特征，如宇宙的结构以及星系的分布。

“这个理论开始的时候看起来像个科幻小说，而且是个很有想象力的小说。”暴涨宇宙理论的缔造者之一Linde说，“但是，它解释了我们这个世界的很多有趣特征，这使人们开始认真对待这个理论了。“

这个理论的一个预言是暴涨会不断发生，可能是无休止地发生下去，创造出一系列的气泡宇宙。并不是所有的气泡都与我们的世界有同样的特征，它们的空间里可能物理学规则不同。 它们中的一些也可能与我们的宇宙相似，但是它们存在于我们所能够直接观测的范围之外。

另外一种令人信服的多重宇宙理论被称为量子力学的多世界理论，该理论利用数学方法描述了物质的运动状态。多世界理论于1957年由休·埃弗莱特(Hugh Everett)提出，该理论认为存在着时间线分支，或者说替代现实，这其中，我们的决定展开为不同的结果，有时候产生的结果大相径庭。

明尼苏达大学的物理学家James Kakalios写过一些关于超级英雄的物理学（也可能不是）解释，他说，“Hugh Everett说，你看，其实有无数个平行存在的地球，当你做一个实验，得到一些概率，从本质上说，这只是证明了你存在于这个地球上，而那个实验的结果也存在于这个地球上。但是在其他的地球上，有不同的结果。”

根据这个解释，如果你做出不同的决定，其他版本的你也可能以很多种不同的方式生活着。 但是，唯一你能够感知的现实就是你现在存在于其中的这个。

那么，其他的那些地球存在于哪里呢？

它们都在那些我们无法进入的维度中重叠在一起。MIT的Max Tegmark把这种多重宇宙称为第三级多重宇宙，在这些宇宙中，多种情景展开现实分支。

“在多世界理论中，还是会有原子弹，只不过你不知道它具体什么时候爆炸。”Linde说。也可能在其中的一些现实之中，原子弹就没有爆炸。

相比之下，被一些暴涨宇宙理论所预言的多重宇宙被Tegmark称为第二级多重宇宙，在这些不同的宇宙之中，基础物理学规则可能并不相同。Linde说，在一个暴涨的多重宇宙中，“在宇宙的一些区域，你都不知道原子弹在理论上是否有可能性。”

那么，如果我想见一见不同宇宙的自己，我怎么去呢？我们能否在多重宇宙之间穿越？

不幸的是，不可能。科学家们认为不可能在不同宇宙之间旅行，至少现在还不行。

“除非我们现在所知的很多基础牢固的物理学被证明是错误的，否则你无法旅行到这些多重宇宙。”Siegfried说。“但是，谁知道呢？我不敢说一千年以后，会不会有什么人能够搞出一些我们无法想象的东西。”

是否有存在多重宇宙的直接证据？

虽然宇宙的一些特征看上去需要多重宇宙的存在，但是还没有观测到任何东西能够证明它确实存在。到目前为止，支持多重宇宙理论的证据还纯粹是在理论上的，有时候，是哲学上的。

一些专家争辩说，可能是一场宇宙规模的巧合，大爆炸生成了一个完美平衡的宇宙，正好适合我们生存。其他的科学家们认为更有可能是存在着不止一个物质的宇宙，而我们只是栖息于一个具有适合我们生存的特性的一个而已。

Kakalios说，无限数目的微型替代宇宙，或者气泡宇宙，其中一些具有不同的物理规则或者基本组成物质，这是个非常引人入胜的想法。他说，“这也是为什么一些人认真对待这种理论，因为它有助于解决一些哲学问题。”

科学家们对于多重宇宙是否是一个实证可验证的理论争论不休。一些人认为不是，因为从定义上讲，一个多重宇宙是独立于我们所在的宇宙之外的，无法到达。但也可能是我们还没有找到正确的测试方式而已。

我们能否确认我们的宇宙只是很多宇宙之一？

可能我们做不到。但多重宇宙是很多不同理论的预言，而这些理论可以通过其他方式验证。如果那些理论通过了它们的验证，那么可能多重宇宙也是成立的。或者，也可能一些新发现会帮助科学家们弄清是否在我们能够观测的宇宙之外真的有些什么。

“宇宙并不仅限于生存在一个小小行星上的一团团原生质所发现或验证的事情。”Siegfried说。“我们可以说，这是无法测试的，因此，它不是真实的。但那其实只是意味着我们还不知道如何去验证它。也许有一天我们会发现办法验证它，也许我们永远也没有办法。但是，宇宙可以做任何它想做的事情。”

“在整个宇宙里只存在着一个实体，只是它的形式有各种变化。”——〔法〕拉美特利:《人是机器》

随着宇宙年龄的增长，每时每刻都有无数的星系正在从我们的视野中消失，每时每刻都有大量的信息正在逃离我们的可见宇宙。所以我们经常说以后的人类不会比我们现在看到的更多，这一切都要归咎于加速膨胀的宇宙，正在把一切推离我们的感知范围。那么我们现在能知道有多少可观测宇宙已经消失了吗？为什么说可观测宇宙97%的星系已经和我们失去了联系？我们先来讨论一下事物消失的含义，然后再回到大爆炸的概念上来。

大爆炸创造了一个炽热、稠密、不断膨胀的宇宙，而膨胀是时空结构本身的特性。而它里面的物质和辐射会被稀释，密度下降，随着空间体积的扩张，它们之间的距离会越来越远。与此同时，所有的物质和辐射也产生了巨大的引力，试图把宇宙拉回到一起。

这就是数十亿年来宇宙膨胀与万有引力之间的伟大斗争。而我们人类作为观察者一开始并不知道哪一方会赢的胜利。

引力获胜，它会使宇宙达到最大的尺寸，然后逆转膨胀并在“大收缩”中告终？

膨胀获胜，它会导致宇宙永远膨胀，永不停歇，事物之间的距离变得无限遥远，宇宙最终以“大冻结”而告终？

引力和膨胀都没有获胜，正好处在两者之间的情形。在这种情况下，膨胀率无限趋近于零，但不会逆转：一个临界宇宙？也就是说宇宙中哪怕在多一个质子，引力就会逆转宇宙！

虽然以上的宇宙命运彼此非常不同，但它们都有一个共同点。看看今天的宇宙，看看外面的星系。我们所能看到（在可见的极限）的任何一个星系，它所发出的光在穿越巨大的宇宙空间之后才到达我们的眼睛。

在经历了数十亿年的时间，光子孤独地穿行在分隔星系并且不断扩大的空间中。我们也可以认为，光子一直逆流而上，逆着不断膨胀的宇宙空间往前飞行，最终达到地球。

随着时间的推移，在宇宙最初的78亿年里，来自遥远星系越来越多的星光开始追上我们。

因为在最初的78亿年里，宇宙一直在减速，这意味着即使宇宙在膨胀，即使遥远星系离我们越来越远，但它们远离我们速度越来越慢。结果就是，最初我们肉眼看不见的星系，最终就出现在了我们的视野。

随着时间的推移，越来越多的宇宙变得可见。如果宇宙中只有物质和辐射，那么宇宙中更多的空间将会被我们看到，减速一直继续，唯一的问题是星系的衰退速度是否会：

  • 变成0，反转，开始向我们逼近（大坍缩）。
  • 减少但始终保持正值，永远推行（大冻结）。
  • 渐近趋向于0，永远不会到达0，宇宙也永远不会反转（临界）。

但是，随着宇宙的膨胀，能量密度的持续下降，宇宙向我们揭示了一些不同寻常的事情，也可以说是一个彩蛋：空间本身有一种内在的能量，称为暗能量。

上图左可以看到宇宙的膨胀对物质、辐射和暗能量的影响，暗能量基本不动，直到物质和辐射密度急剧下降，暗能量的作用才变得清晰可见，从大爆炸到暗能量的影响改变宇宙的膨胀，这一过程花了78亿年。也就是说，在宇宙诞生后的78亿年间，任何观察者都不会发现暗能量的存在，因为那时暗能量的能量密度还不足以影响宇宙的膨胀方式，只有宇宙的继续膨胀，物质密度下降，暗能量才开始崭露头角，掌控宇宙。因此我们说这真的是宇宙的一个彩蛋、惊喜！

当暗能量密度变得足够大，达到宇宙总能量密度的三分之一时，遥远的星系不再减速，而是开始加速远离我们。这意味着，它们的衰退速度非但没有放缓，反而开始加速了！

那些遥远星系发出的光已经到达地球的仍然会到达地球；加速的宇宙并没有改变这一点。只会让飞行途中的光红移。

但对于许多这样的遥远星系，我们将永远看不到它们发出的新光，在宇宙现在这个年龄之前，我们只能看到它们在很久以前发出的旧光。想想为什么会这样。

遥远的星系在不断膨胀的宇宙中发出光线。我们和那个星系之间的空间在继续扩大，但光子仍在向我们靠近。由于星系不断地发出光线，现在不仅有光到达我们，将来也会有光到达我们！

但是，想想那个星系今天在哪里。想想膨胀的、加速的宇宙。想想今天的宇宙有多大。

上图展示了我们可观测宇宙直径大约是920亿光年，包含了至少几千亿个（可能是上万亿个）星系。

可问题是，按照今天的膨胀率，任何距离我们超过140亿光年的星系，我们都不会再接收到这个星系的光线！也就是说这个星系和我们之间的空间正非常快的速度膨胀，以至于今天发出的光子永远也无法到达我们！如果我们计算一个140亿光年半径的球体中包含了多少可观测宇宙，并将其与直径920亿光年的球体进行比较，就会发现我们只与可观测宇宙中大约3%的星系目前扔有联系（存在因果关系），其余星系都永远消失了！

随着时间的推移，越来越多的星系和星系团都将与我们失去因果关系。这并不意味着我们再也看不到它们了，这只是意味着我们再也无法与它们发生交流，它们发出的新光不会达到我们，我们发出的新光也不会达到它们。也就是说，如果我们现在以光速旅行飞向它们，也永远不到达到目的地。

但是我们数十亿年前发出的光可能还能到达它们！就像它们再数十亿年前发出的光能到达我们的眼睛一样：

  • 但这些光的数量是有限的，
  • 也会发生时间膨胀，意思是遥远星系的事件在我们看来会非常缓慢，

为了探测到这些更遥远的星系，我们需要使用红外望远镜，还得“把快门打开”更长时间增加曝光，才能看到接受到它们以前发出的光线。

如果没有暗能量（如果没有加速或消失的星系），大爆炸可能会以完全相同的方式发生，但我们的宇宙会更小，星系会离得更近，我们会看到更多的星系，它们的红移会更少，宇宙会膨胀得更慢，每个星系的退行都会减速。大量的星系不会从我们的视野中消失，而是随着时间的推移，新的星系会出现在我们视野！

虽然可观测宇宙中没有哪个星系消失到了看不见的地步，但97%的星系消失的原因是它们的新光已经无法到达我们了。星系仍然可见，但只是由于它们的旧光。例如，那些星系此时此刻发生了重大的事件，我们永远都不会知道。

这就是正在消失的宇宙的运作方式，以及星系从我们的视野中消失的真正含义。

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