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为什么科学家会提出多元宇宙理论?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-06-06 10:24:50

实际上,应该怪薛定谔这个方程式。让我们从头开始:Schrödinger提出了这个描述量子力学系统波函数的奇妙方程:

量子力学系统波函数

而且效果非常好!它是科学中最可靠的方程之一。问题是我们不知道它到底是什么意思。

这个方程有点像牛顿力学定律,不过是针对量子粒子的。你可以用它来预测一个粒子的未来状态。它是一个波函数,波的峰值是高概率状态而谷是低概率状态。但到底是哪一个呢?

这就是你在所谓的双缝实验中看到的:在两个缝中照射一束光,在另一边放一个屏幕。甚至当你发射单个光子或单个电子时,你会在屏幕上得到一个干涉图样,就好像每个光子/电子的波函数从另一个狭缝中干扰自己一样。

双缝实验

一种解释是哥本哈根解释,由尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡提出。他们的想法是波函数的每一个结果同时发生,直到它被观测到,在那里波函数崩溃为一个结果。所以光子实际上走了两条路径,通过两条狭缝,两条狭缝的波函数相互作用,当光子到达视觉时,干扰的波函数崩溃。

把一只猫。把它放在一个盒子里,盒子里有一个放射性样品,一个探测器,一个如果被探测器触发就会掉下来的锤子,还有一个小瓶毒药,如果锤子掉下来就会释放出来。像这样:

干扰的波函数崩溃

调整放射性样本,使其有50%的几率在一小时内衰变。那就关上盒子,不要打开它!打开它只会让放射性衰变的波函数崩溃,你会发现一只死猫或活猫。

有趣的是在你打开这个盒子:放射性样品然后衰变或不会衰变同时根据哥本哈根解释,这意味着锤将会下降,而不是同时下降,猫会死和活在同一时间。

尝试在现实世界中执行这个实验是没有意义的,因为你想要在不看盒子的情况下知道盒子里会发生什么。所以基本上,你能做这个实验的唯一方法就是在大脑里。但它很好地展示了哥本哈根解读的荒谬性。

在20世纪50年代,我们可以责怪第二个人:休·埃弗雷特。他的想法是,如果你只是假设所有可能的结果都发生在不同的时间轴上,你就可以跳过很多关于波函数坍缩的混乱的数学运算。这就是著名的量子力学的多世界解释。

它比哥本哈根的解释简单得多,但也和哥本哈根的解释一样荒谬,严重地扰乱了人们的头脑,而且完全和哥本哈根的解释一样经得起检验。就像我们不能打开盒子偷看里面的死猫或不死猫一样,我们也不能偷看另一个时间线的盒子看猫是否在那里活了下来。

但是,这是最重要的一点:它导致了多元宇宙这个术语的产生。在1963年的小说《分裂的世界》中,科幻小说和奇幻作家迈克尔·摩尔考克把他所有不同的英雄组合成永恒的冠军,同一个英雄在不同的休·埃弗雷特式的时间线中的化身。他将这个概念命名为多元宇宙,这个名字一直沿用至今。

听明白了吗?太好了,因为现在我们要责怪第四个人了:阿尔伯特·爱因斯坦。

事实上,这不是他的错:他只是提出了一种比牛顿模型更好的方法来描述引力。它始于爱因斯坦对光速的思考——特别是为什么它是恒定的——以及这意味着什么。因此,他推断,如果光速是恒定的,那么在不同的参照系中,时间和空间必定是不同的。如果你走得非常快,你的时钟一定比我的慢,相对于我的参照系,你的空间一定比我的更平,这样光才有恒定的速度。这就是狭义相对论。

然后他对重力做了同样的研究:他指出,如果你在一个孤立的房间里,你无法以任何方式区分你是在一个引力场里,还是在一个加速的火箭里。为了实现这一点,引力必须以与速度在狭义相对论中一样的方式影响时间和空间。这意味着重力可以被描述为时间和空间的几何结合,一个四维时空。

四维时空

但如果我们有四维时空,我们能有更多吗?这意味着什么?想象你是一个二维的存在,生活在二维的宇宙中。然后有一天,你遇到了一个三维的人。它比你多一个维度,与你的现实呈90度,它可以向那个方向自由移动(不像你,那个方向对你来说根本不存在)。所以当3D Alice经过你的2D世界时,它会是这样的:

3D Alice经过你的2D世界

想象一下,你刚刚有过这样的经历,并正确地得出结论:空间中有一个你甚至看不到的额外维度。如果你沿着额外的维度移动会发生什么?只要沿着额外的维度向上或向下走一步,你就可以体验完全不同的宇宙。

现在回到我们的3D宇宙(如果包括时间的话是4D),再增加一个维度。所以不是{X, Y, Z},你有{X, Y, Z, W}(或者你从{X, Y, Z, T}到{X, Y, Z, W, T},如果你包括时间)。你被困在W=0,但其他的都可以自由改变。如果把W换成1会发生什么?你可以在{X, Y, Z}处有一组全新的东西,当W=0时,它们不连接到{X, Y, Z}。

这个问题?我们无法测试它。我们被困在W=0,甚至不能测试W是否存在。

这就引出了弦理论。

弦理论已经存在一段时间了。这是将广义相对论(引力物理学)与量子力学(其他一切事物的物理,特别是电磁学和弱、强核反应)结合起来的一次尝试。它把粒子解释为波在非常非常非常短的弦上,或环上,或膜上。不同的弦结构、长度和频率会产生不同的粒子。

但是,只有在空间中有10个维度时才有效。所以在{X, Y, Z}上面,你还需要{W, U, V, S, R, P和Q}。重要的是我们需要十个维度。然而,我们显然看不到十个维度,我们只看到三个。弦理论学家认为,这是因为其他七个维度都紧紧地蜷缩在一起,比光子还小,所以粒子无法与它们相互作用。

我们会忽略这听起来很荒谬,就像猫在同一时间又死又活,以及量子事件不断产生新的时间线,有死的猫也有活的猫一样,只是随大流:这意味着什么?弦理论学家发现,如果这是真的,那么你可以用不同的方式卷起额外的维度。每一组卷曲额外维度的几何图形都会导致一组完全不同的自然法则。如果你这样卷起Q维,你会得到一个重力作用的宇宙;如果你以另一种方式卷起Q,你会得到一个引力较弱的宇宙,恒星无法形成。

他们还发现有一种有限的弯曲维度的方式:大约10500个,每个可能代表一个或多个宇宙。这有时被称为弦横纹。

弦理论有两个小问题:
 
  1. 它还没有完成。从20世纪90年代开始就停滞了。
  2. 我们无法测试它。它需要一个比银河系还大的粒子对撞机。

总结:多世界解释基本上是理解Schrödinger等式的一种方式,但它导致了多个时间线爱因斯坦的时空是描述引力的一种方式,但它导致了其他宇宙的可能性。弦理论是将广义相对论和量子力学结合起来的一种尝试,但它导致了一种可能的自然规律的弦景观。

这就把我们带到了宇宙学和微调理论。现在,一些人认为宇宙学有一个小问题:它不能解释宇宙如何如此完美地适应生命。我并不完全同意:这个宇宙更适合制造黑洞,而不是生命。这更像是生命是黑洞形成过程中的废物,尽管宇宙试图杀死它。

但如果我们接受有一个微调的论点,那么上述所有理论,尤其是弦理论,就提供了一个解决方案:我们碰巧生活在一个宇宙中,在许多宇宙中,生命实际上是可能的。我们也不可能存在于任何其他类型的宇宙中。(顺便说一下,这叫做人择原理。)

有很多方法可以得到可能发生这种情况的模型。永恒膨胀有它,前身黑洞也有它。前任黑洞假说是一种优雅的假说,因为你实际上并不依赖于运气来选择适合生命存在的宇宙。这个想法是,大爆炸在数学上与黑洞中发生的情况非常相似如果你继续穿过奇点。因此,每当黑洞形成时,另一边就会出现一个新的宇宙。这些新宇宙不一定要有与它们的父辈相同的自然法则,但可能是相似的。产生大量黑洞的宇宙可以被视为更成功。这就导致了某种宇宙的进化,稳定地进化成一个擅长制造黑洞的宇宙,从而有更多的机会产生被称为生命的“废物”。如果这是真的,那就意味着微调的论点消失了:只要黑洞产生新的宇宙,你最终就会到达一个可以容纳生命的宇宙。

没有任何证据。这只是假设的预测,从我们所知道的物理和推动理论预测远远超出我们可以测试。他们这样做是为了更好地理解物理在可能的测试范围内。Erwin Schrödinger提出了他的薛定谔的猫,这催生了休·埃弗雷特的多重世界解释和多重宇宙假设的第一个化身,只是因为他需要比哥本哈根解释更好地理解薛定谔方程。
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