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        如何才能創(chuàng)造一個新的宇宙

        2022-04-16 13:14:23
        中國科學(xué)探險 2022年1期
        關(guān)鍵詞:果凍物理學(xué)家愛因斯坦

        有些人的夢想是創(chuàng)造嬰兒,有些人的夢想則更加宏大,那就是創(chuàng)造嶄新的宇宙。他們是認(rèn)真的嗎?是的,而且很認(rèn)真。那么,這真的有可能嗎?怎樣才能創(chuàng)造一個新的宇宙?如果他們真的創(chuàng)造出了一個新宇宙,對于地球和人類又意味著什么?

        乍一看,創(chuàng)造一個新宇宙似乎根本就不可能,因為我們必須考慮物質(zhì)從哪里來的問題。組成新宇宙的物質(zhì)如果不是來自舊宇宙,又能來自哪里呢?然而,按照阿爾伯特·愛因斯坦的理論,創(chuàng)造一個新宇宙其實并不需要很多東西。沒錯,提到宇宙,我們總是繞不開這個人。

        首先,愛因斯坦給出了一個著名的等式,E=mc2,指出質(zhì)量實際上可以用來度量物質(zhì)本身的能量。但更重要的是,愛因斯坦還告訴我們,空間是動態(tài)的:它可以彎曲,也可以膨脹,而且會隨時間而變化。如果空間隨時間變化,那么能量就不守恒。

        能量不守恒最簡單的例子便是宇宙常數(shù)。宇宙常數(shù)正是宇宙加速膨脹的原因,與能量密度即單位體積的能量有關(guān)。顧名思義,宇宙常數(shù)是一個常數(shù),但如果單位體積的能量是恒定的,那隨著體積增加,總能量也會隨之增加。這意味著,一個不斷膨脹的宇宙可以從虛無中獲得大量的能量——如果你有辦法使空間膨脹的速度足夠快的話。這聽起來很瘋狂,但確實是愛因斯坦廣義相對論的原理。能量就是不守恒的。

        那么,即使不需要很多物質(zhì),我們又如何創(chuàng)造出一個膨脹的微小宇宙呢?讓我們先來了解一下我們所處的宇宙誕生時的條件。

        這里有一個小問題,那就是沒有人真正知道宇宙最初是如何誕生的。關(guān)于宇宙的最初時刻有很多不同的理論,但沒有一個得到了觀察結(jié)果的支持。不過,有一個理論在天體物理學(xué)家中十分流行,那就是所謂的“永恒暴脹”(eternal inflation)。當(dāng)然,我們并不知道這個理論是否正確,但可能性是很大的。

        在永恒暴脹中,宇宙是由“偽真空”衰變而產(chǎn)生的。在量子場論中,偽真空假說認(rèn)為當(dāng)前宇宙的真空并不處于最低能量的狀態(tài),可能還存在能量更低的狀態(tài)。如果確實如此,那么現(xiàn)在的宇宙遲早會衰變至真真空狀態(tài),即能量最小的狀態(tài)。你不能從真真空中獲得能量,它是穩(wěn)定的,一直就在那里。而且,由于真真空的能量最小,它也就不能用來做任何事情。

        偽真空是暫時看起來像真真空的狀態(tài),但最終它會衰變成為真真空,釋放出剩余的能量,而且這些額外的能量會進入其他東西。例如,如果你往墻上扔一塊果凍,它會在上面停留一會兒,然后再掉下來。當(dāng)果凍粘在墻上的時候,就像一個偽真空狀態(tài),是不穩(wěn)定的;偽真空衰變?yōu)檎嬲婵盏倪^程就好比果凍掉到地上,會濺得到處都是。

        那么,這和宇宙的形成有什么關(guān)系?想象一下,當(dāng)存在大量偽真空時,如果其中有一小塊區(qū)域衰變成真真空,會發(fā)生什么?真真空的能量更低,但壓力更高。如果壓力更高,那它就會膨脹。我們的宇宙就是這樣開始的。理論上,我們可以在實驗室中重現(xiàn)這種情況。你“只需要”創(chuàng)造出這種偽真空狀態(tài),其中一部分會衰變?yōu)檎嬲婵?。如果條件合適的話,真真空會迅速膨脹。當(dāng)真真空膨脹時,它就創(chuàng)造了自己的空間;它會不會擴展到我們的宇宙中,并制造出一個“泡泡”。

        只有當(dāng)原始的偽真空具有足夠的能量或質(zhì)量時,宇宙才有可能產(chǎn)生。那么,多少才是足夠的呢?這取決于物理學(xué)家尚不確定的某些模型參數(shù),但在最樂觀的情況下,可能大約是10千克。也就是說,創(chuàng)造一個新宇宙所需要的偽真空可能只有10千克。

        但是,如何創(chuàng)造10千克的偽真空呢?沒有人知道。如果你是一個火箭科學(xué)家,10千克聽起來可能不算多;但對粒子物理學(xué)家來說,這是一個可怕的數(shù)字。即使是目前最大的粒子對撞機——大型強子對撞機(LHC)——所能產(chǎn)生的質(zhì)量當(dāng)量只有10的負20次方克。如果碰撞的是較大的原子核,而非質(zhì)子,這個質(zhì)量還可以提高幾個數(shù)量級。對高能物理學(xué)家而言,10千克絕對不是在有生之年能研究出來的質(zhì)量規(guī)模。所以,可以肯定地說,在短期內(nèi)沒有人可以創(chuàng)造一個新的宇宙。

        不過,如果你相信偽真空理論,也認(rèn)為原理上確實可以創(chuàng)造出一個新宇宙的話,我們應(yīng)該怎么處理這些宇宙呢?

        情況很可能是,這些小宇宙和它們的母宇宙之間并不會長久保持聯(lián)系。這種聯(lián)系就像蟲洞的“喉嚨”部位,十分不穩(wěn)定,可能會在幾分之一秒內(nèi)崩斷。因此,在你創(chuàng)造出這些宇宙并觸發(fā)其成長之后,它們可能會在一瞬間就突然消失。此時從外部看,它們很像是微小的黑洞。

        順便說一下,這種情況可能一直在發(fā)生,即使沒有粒子物理學(xué)家的參與。由于我們并沒有真正理解空間的量子性質(zhì),因此,有些人認(rèn)為空間確實產(chǎn)生了很多量子漲落。這些漲落發(fā)生在距離極短,以至于我們無法看見的地方,它們可能時不時就會創(chuàng)造出一個這樣的微小宇宙。

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