圖片來源：Phil Degginger / Science Source

撰文 | 查理·伍德（Charlie Wood）

翻譯 | 董婉瑜

審校 | 吳非 王昱

在我們(men) 的視線之外，世界是什麽(me) 樣的？這個(ge) 問題似乎沒有答案。一些宇宙學家的猜想是：我們(men) 的宇宙是一個(ge) 膨脹的氣泡，並且宇宙之外，還有更多的泡沫宇宙。它們(men) 都存在於(yu) 一個(ge) 永恒膨脹、充滿能量的海洋中，這個(ge) 海洋便是多重宇宙。

大家對這種說法的觀點是兩(liang) 極分化的。一些物理學家接受多重宇宙這一說法，認為(wei) 它可以解釋為(wei) 什麽(me) 我們(men) 的宇宙與(yu) 眾(zhong) 不同（隻有某些氣泡可以容納生命），而另一些人拒絕接受這一理論，由於(yu) 它預測了所有可以想象的宇宙，因此根本無從(cong) 檢驗。但有研究人員認為(wei) ，他們(men) 隻是暫時還沒有能力推算出這一理論的精確結論。

現在，各個(ge) 團隊都在尋找新方法來推斷宇宙是如何像氣泡一樣膨脹的，以及這些泡泡相互碰撞時會(hui) 發生什麽(me) 。

真空泡：宇宙起源？

“這注定是個(ge) 漫長的過程。”多倫(lun) 多大學的宇宙學家喬(qiao) 納森·布雷登（Jonathan Braden）說道。他參與(yu) 了這項工作，但他表示，這個(ge) 過程就是尋找證據，“來證明那些你覺得永遠也無法證實的東(dong) 西。”

多重宇宙假說是人們(men) 在研究宇宙如何誕生的時候提出的。在宇宙的宏觀尺度上，理論物理學家發現了宇宙在誕生之初爆炸性增長的跡象。20世紀80年代初，物理學家在研究宇宙如何開始或停止暴脹的時候，一幅令人不安的畫麵出現了。盡管我們(men) 的宇宙或其他宇宙可能已經停止暴脹了，但量子效應應該會(hui) 讓大部分空間持續膨脹，這被稱為(wei) 永恒暴脹理論。

氣泡宇宙與(yu) 周圍環境的差異，歸根結底體(ti) 現在空間本身的能量上。當空間盡可能空曠，不可能損失更多能量時，就達到了物理學家所說的“真真空”狀態。想象一個(ge) 放在地板上的球，是不可能繼續下落的。但係統也可以有“假真空”狀態，設想一個(ge) 球放在桌子上的碗中，球可以滾來滾去，同時又或多或少停留在原地。但若施加足夠大的震動，可以讓球掉落到地上——達到真真空狀態。

在宇宙學中，宇宙同樣會(hui) 陷入假真空狀態，由於(yu) 隨機的量子事件，微小的假真空會(hui) 偶爾鬆弛成真真空，而這個(ge) 真真空會(hui) 像氣球一樣向外膨脹，吃掉假真空的剩餘(yu) 能量，這就是假真空的衰變。可能就是這個(ge) 過程引發了大爆炸和宇宙的誕生。“一個(ge) 真空的泡泡可能是我們(men) 宇宙曆史上的第一個(ge) 事件。”倫(lun) 敦大學學院的宇宙學家希拉尼亞(ya) ·佩裏斯（Hiranya Peiris）說道。

這個(ge) 理論認為(wei) ，鄰近宇宙氣泡的碰撞改變了相應天區的溫度，可能進而導致了微波背景輻射。（圖片來源：Quanta Magazine）

但物理學家在預測真空泡的行為(wei) 上花費了巨大的努力。一個(ge) 真空泡會(hui) 變成什麽(me) 樣，取決(jue) 於(yu) 無數個(ge) 微小細節的整體(ti) 影響。這些氣泡變化飛快，壁麵向外擴張飛行時達到光速，同時氣泡也具有量子力學的隨機性與(yu) 波動性。對於(yu) 這些過程的不同假設會(hui) 得出自相矛盾的預測，無法判斷到底哪個(ge) 最接近真實情況。這就仿佛是“把許多物理學家都很難解決(jue) 的問題揉成一團，然後說，‘去吧，弄清楚是怎麽(me) 回事。’”布雷登說。

模擬真空泡

其中一個(ge) 團隊最近從(cong) 一個(ge) 簡單的模擬中誘導出了類似真空泡的行為(wei) 。包括加州理工學院著名理論物理學家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）在內(nei) 的研究人員從(cong) 這個(ge) 問題最簡單的版本入手，正如共同作者阿什利·米爾斯泰德（Ashley Milsted）所說的：一串約1000個(ge) 數字箭頭，可以朝上或朝下。一串幾乎都向上的箭頭與(yu) 一串幾乎都向下的箭頭相遇的地方，就代表氣泡外緣。通過翻轉箭頭，研究人員可以使氣泡外壁移動或碰撞。在特定情況下，這個(ge) 模型完美模擬了自然界中更複雜係統的行為(wei) 。研究人員希望用它來模擬假真空衰變和氣泡碰撞。

最初，這個(ge) 簡單的設定並沒有按實際情況來表現。當氣泡壁相互碰撞時，它們(men) 完美反彈，沒有出現預期的複雜混響或粒子外流（表現為(wei) 漣漪一樣的箭頭翻轉）。但加入一些數學修飾之後，團隊觀察到碰撞的外壁噴出了高能粒子，碰撞越劇烈，噴出的粒子越多。

但去年12月呈現在預印本上的結果，預示著傳(chuan) 統計算在在這個(ge) 問題上遇到了死胡同。研究人員發現，當產(chan) 生的粒子混雜在一起時，它們(men) 會(hui) “糾纏”，共享量子態。每增加一個(ge) 額外的粒子，它們(men) 狀態的複雜程度就呈指數級增加，就算在最強大的超級計算機上做模擬，也會(hui) 出現故障。

出於(yu) 這個(ge) 原因，研究人員表示，隻有等到成熟的量子計算機出現，關(guan) 於(yu) 氣泡行為(wei) 的研究才可能實現突破。由於(yu) 量子計算機的計算單元是量子比特（Qubit），因此這類設備能夠處理量子糾纏，因為(wei) 它們(men) 本身就是靠量子糾纏來完成計算。

與(yu) 此同時，其他研究人員采用了不同的策略。英國杜倫(lun) 大學的物理學家邁克爾·斯潘諾夫斯基（Michael Spannowsky）和史蒂文·阿貝爾（Steven Abel）認為(wei) ，如果使用一種和真空狀態遵循相同量子規律的設備，就可以繞過棘手的計算過程。“如果能把係統編碼到一個(ge) 實際存在的設備上，就用不著計算了，”斯潘諾夫斯基說，“這就從(cong) 理論預測變成了做實驗。”

這種設備被稱為(wei) 量子退火機，是一種受限的量子計算機，它通過尋找量子比特的最低能態，專(zhuan) 門用於(yu) 解決(jue) 算法優(you) 化問題。這個(ge) 過程與(yu) 假真空衰變相差無幾。

阿貝爾和斯潘諾夫斯基使用商用量子退火機D-Wave，對一串200個(ge) 量子比特進行編程，來模擬一個(ge) 高能態或低能態的量子場，類似於(yu) 假真空和真真空。然後他們(men) 把係統鬆開，觀察前者如何衰變成後者，最後導致真空泡的誕生。

去年6月的一篇預印本論文描述了這項實驗，它隻是驗證了已知的量子效應，並沒有取得關(guan) 於(yu) 真空衰變的新發現。但研究人員希望最終能利用D-Wave一點一點超越當前的理論預測。

第三種方法幹脆拋開計算機，直接吹泡泡。

接近光速膨脹的量子泡泡沒那麽(me) 容易得到，但在2014年，澳大利亞(ya) 和新西蘭(lan) 的物理學家提出了一種能在實驗室製作這種泡泡的方法，即利用物質的一種奇特狀態——玻色-愛因斯坦凝聚態（Bose-Einstein condensate，BEC）。一團稀薄的氣體(ti) 冷卻到近絕對零度時便可以凝聚成BEC，其具有不尋常的量子力學特性，包括能與(yu) 另一個(ge) BEC幹涉。（類似兩(liang) 束激光的幹涉）該團隊預測，如果兩(liang) 個(ge) 凝聚態幹涉的方式恰到好處，那麽(me) 實驗人員應該能捕捉凝聚態中生成氣泡的直接圖像，這些氣泡與(yu) 多重宇宙中假設的氣泡相似。

圖片來源：pixabay

“因為(wei) 這是一項實驗，所以顯然包含了自然界應有的全部物理規律，包括量子效應和經典效應。”佩裏斯說。

佩裏斯帶領著一個(ge) 物理學家團隊，研究如何穩定凝聚態混合物，以防止不相關(guan) 效應導致的崩塌。經過多年努力，她和同事們(men) 終於(yu) 做好了建立原型實驗的準備，他們(men) 希望未來幾年內(nei) 能吹出冷凝態氣泡。

如果實驗順利，他們(men) 就可以解答兩(liang) 個(ge) 問題：氣泡形成的速度，以及一個(ge) 氣泡的膨脹如何改變附近另一個(ge) 氣泡膨脹的概率。這些疑問甚至無法用現有的數學方式來表達，布雷登說。他為(wei) 實驗的理論基礎做出了貢獻。

這些信息將幫助像布雷登和佩裏斯這樣的宇宙學家計算出，來自附近氣泡宇宙很久以前的撞擊，如何導致我們(men) 這個(ge) 宇宙的顫抖。這種碰撞留下的疤痕，可能是宇宙中一個(ge) 圓形的冷斑。佩裏斯和其他人試圖尋找過這個(ge) 冷斑，但沒有找到。而其他的細節，比如碰撞是否會(hui) 產(chan) 生引力波，還要取決(jue) 於(yu) 未知氣泡的具體(ti) 情況。

就算多重宇宙隻是海市蜃樓，物理學家依舊會(hui) 受益於(yu) 探尋多重宇宙過程中開發的大量工具。理解多重宇宙就是理解空間中的物理學，它無處不在。

假真空衰變“似乎是物理學中無處不在的特征，”佩裏斯說，“我個(ge) 人不相信紙上談兵的純理論計算能解決(jue) 問題。”

原文鏈接：

https://www.quantamagazine.org/physicists-study-how-our-universe-might-have-bubbled-up-in-the-multiverse-20210125/


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