一個膨脹的泡泡，塑造出我們的宇宙？

▲圖片來源：Phil Degginger / Science Source

在我們的視線之外，世界是什麼樣的？這個問題似乎沒有答案。

一些宇宙學家的猜想是：我們的宇宙是一個膨脹的氣泡，並且宇宙之外，還有更多的泡沫宇宙。它們都存在於一個永恆膨脹、充滿能量的海洋中，這個海洋便是多重宇宙。

大家對這種説法的觀點是兩極分化的。一些物理學家接受多重宇宙這一説法，認為它可以解釋為什麼我們的宇宙與眾不同（只有某些氣泡可以容納生命），而另一些人拒絕接受這一理論，由於它預測了所有可以想象的宇宙，因此根本無從檢驗。

但有研究人員認為，他們只是暫時還沒有能力推算出這一理論的精確結論。

現在，各個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發生什麼。

真空泡：宇宙起源？

“這注定是個漫長的過程。”多倫多大學的宇宙學家喬納森·佈雷登説道。他參與了這項工作，但他表示，這個過程就是尋找證據，“來證明那些你覺得永遠也無法證實的東西。”

多重宇宙假説是人們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，一幅令人不安的畫面出現了。儘管我們的宇宙或其他宇宙可能已經停止暴脹了，但量子效應應該會讓大部分空間持續膨脹，這被稱為永恆暴脹理論。

氣泡宇宙與周圍環境的差異，歸根結底體現在空間本身的能量上。當空間儘可能空曠，不可能損失更多能量時，就達到了物理學家所説的“真真空”狀態。想象一個放在地板上的球，是不可能繼續下落的。但系統也可以有“假真空”狀態，設想一個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，宇宙同樣會陷入假真空狀態，由於隨機的量子事件，微小的假真空會偶爾鬆弛成真真空，而這個真真空會像氣球一樣向外膨脹，吃掉假真空的剩餘能量，這就是假真空的衰變。可能就是這個過程引發了大爆炸和宇宙的誕生。“一個真空的泡泡可能是我們宇宙歷史上的第一個事件。”倫敦大學學院的宇宙學家希拉尼亞·佩里斯説道。

這個理論認為，鄰近宇宙氣泡的碰撞改變了相應天區的温度，可能進而導致了微波背景輻射。

但物理學家在預測真空泡的行為上花費了巨大的努力。一個真空泡會變成什麼樣，取決於無數個微小細節的整體影響。這些氣泡變化飛快，壁面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波動性。對於這些過程的不同假設會得出自相矛盾的預測，無法判斷到底哪個最接近真實情況。這就彷彿是“把許多物理學家都很難解決的問題揉成一團，然後説，‘去吧，弄清楚是怎麼回事。’”佈雷登説。

模擬真空泡

其中一個團隊最近從一個簡單的模擬中誘導出了類似真空泡的行為。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）在內的研究人員從這個問題最簡單的版本入手，正如共同作者阿什利·米爾斯泰德所説的：一串約1000個數字箭頭，可以朝上或朝下。

一串幾乎都向上的箭頭與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，這個模型完美模擬了自然界中更復雜系統的行為。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，它們完美反彈，沒有出現預期的複雜混響或粒子外流（表現為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，預示着傳統計算在在這個問題上遇到了死衚衕。研究人員發現，當產生的粒子混雜在一起時，它們會“糾纏”，共享量子態。每增加一個額外的粒子，它們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，也會出現故障。

出於這個原因，研究人員表示，只有等到成熟的量子計算機出現，關於氣泡行為的研究才可能實現突破。由於量子計算機的計算單元是量子比特，因此這類設備能夠處理量子糾纏，因為它們本身就是靠量子糾纏來完成計算。

與此同時，其他研究人員採用了不同的策略。英國杜倫大學的物理學家邁克爾·斯潘諾夫斯基和史蒂文·阿貝爾認為，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。“如果能把系統編碼到一個實際存在的設備上，就用不着計算了，”斯潘諾夫斯基説，“這就從理論預測變成了做實驗。”

這種設備被稱為量子退火機，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，專門用於解決算法優化問題。這個過程與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個量子比特進行編程，來模擬一個高能態或低能態的量子場，類似於假真空和真真空。然後他們把系統鬆開，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，它只是驗證了已知的量子效應，並沒有取得關於真空衰變的新發現。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。

第三種方法乾脆拋開計算機，直接吹泡泡。

接近光速膨脹的量子泡泡沒那麼容易得到，但在2014年，澳大利亞和新西蘭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。一團稀薄的氣體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，包括能與另一個BEC干涉。（類似兩束激光的干涉）該團隊預測，如果兩個凝聚態干涉的方式恰到好處，那麼實驗人員應該能捕捉凝聚態中生成氣泡的直接圖像，這些氣泡與多重宇宙中假設的氣泡相似。

“因為這是一項實驗，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。”佩里斯説。

佩里斯帶領着一個物理學家團隊，研究如何穩定凝聚態混合物，以防止不相關效應導致的崩塌。經過多年努力，她和同事們終於做好了建立原型實驗的準備，他們希望未來幾年內能吹出冷凝態氣泡。

如果實驗順利，他們就可以解答兩個問題：氣泡形成的速度，以及一個氣泡的膨脹如何改變附近另一個氣泡膨脹的概率。這些疑問甚至無法用現有的數學方式來表達，佈雷登説。他為實驗的理論基礎做出了貢獻。

這些信息將幫助像佈雷登和佩里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，如何導致我們這個宇宙的顫抖。這種碰撞留下的疤痕，可能是宇宙中一個圓形的冷斑。佩里斯和其他人試圖尋找過這個冷斑，但沒有找到。而其他的細節，比如碰撞是否會產生引力波，還要取決於未知氣泡的具體情況。

就算多重宇宙只是海市蜃樓，物理學家依舊會受益於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徵，”佩里斯説，“我個人不相信紙上談兵的純理論計算能解決問題。”

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