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我们能创造一个新的宇宙吗?

有些人的梦想是创造婴儿,有些人的梦想则更加宏大,那就是创造崭新的宇宙。他们是认真的吗?是的,而且很认真。那么,这真的有可能吗?怎样才能创造一个新的宇宙?如果他们真的创造出了一个新宇宙,对于地球和人类又意味着什么?

乍一看,创造一个新宇宙似乎根本就不可能,因为我们必须考虑物质从哪里来的问题。组成新宇宙物质如果不是来自旧宇宙,又能来自哪里呢?然而,按照阿尔伯特·爱因斯坦的理论,创造一个新宇宙其实并不需要很多东西。没错,提到宇宙,我们总是绕不开这个人。

在德国法兰克福高级研究院的理论物理学家萨宾·霍森菲尔德看来,理论上在实验室中创造出一个新宇宙是可能的,关键在于如何创造出“伪真空”状态

在德国法兰克福高级研究院的理论物理学家萨宾·霍森菲尔德看来,理论上在实验室中创造出一个新宇宙是可能的,关键在于如何创造出“伪真空”状态

首先,爱因斯坦给出了一个著名的等式,E=mc^2,指出质量实际上可以用来度量物质本身的能量。但更重要的是,爱因斯坦还告诉我们,空间是动态的:它可以弯曲,也可以膨胀,而且会随时间而变化。如果空间随时间变化,那么能量就不守恒。

能量不守恒最简单的例子便是宇宙常数。宇宙常数正是宇宙加速膨胀的原因,与能量密度即单位体积的能量有关。顾名思义,宇宙常数是一个常数,但如果单位体积的能量是恒定的,那随着体积增加,总能量也会随之增加。这意味着,一个不断膨胀的宇宙可以从虚无中获得大量的能量——如果你有办法使空间膨胀的速度足够快的话。这听起来很疯狂,但确实是爱因斯坦广义相对论的原理。能量就是不守恒的。

那么,即使不需要很多物质,我们又如何创造出一个膨胀的微小宇宙呢?让我们先来了解一下我们所处的宇宙诞生时的条件。

这里有一个小问题,那就是没有人真正知道宇宙最初是如何诞生的。关于宇宙的最初时刻有很多不同的理论,但没有一个得到了观察结果的支持。不过,有一个理论在天体物理学家中十分流行,那就是所谓的“永恒暴胀”(eternal inflation)。当然,我们并不知道这个理论是否正确,但可能性是很大的。

在永恒暴胀中,宇宙是由“伪真空”衰变而产生的。在量子场论中,伪真空假说认为当前宇宙的真空并不处于最低能量的状态,可能还存在能量更低的状态。如果确实如此,那么现在的宇宙迟早会衰变至真真空状态,即能量最小的状态。你不能从真真空中获得能量,它是稳定的,一直就在那里。而且,由于真真空的能量最小,它也就不能用来做任何事情。

伪真空是暂时看起来像真真空的状态,但最终它会衰变成为真真空,释放出剩余的能量,而且这些额外的能量会进入其他东西。例如,如果你往墙上扔一块果冻,它会在上面停留一会儿,然后再掉下来。当果冻粘在墙上的时候,就像一个伪真空状态,是不稳定的;伪真空衰变为真真空的过程就好比果冻掉到地上,会溅得到处都是。

那么,这和宇宙的形成有什么关系?想象一下,当存在大量伪真空时,如果其中有一小块区域衰变成真真空,会发生什么?真真空的能量更低,但压力更高。如果压力更高,那它就会膨胀。我们的宇宙就是这样开始的。理论上,我们可以在实验室中重现这种情况。你“只需要”创造出这种伪真空状态,其中一部分会衰变为真真空。如果条件合适的话,真真空会迅速膨胀。当真真空膨胀时,它就创造了自己的空间;它会不会扩展到我们的宇宙中,并制造出一个“泡泡”。

只有当原始的伪真空具有足够的能量或质量时,宇宙才有可能产生。那么,多少才是足够的呢?这取决于物理学家尚不确定的某些模型参数,但在最乐观的情况下,可能大约是10千克。也就是说,创造一个新宇宙所需要的伪真空可能只有10千克。

但是,如何创造10千克的伪真空呢?没有人知道。如果你是一个火箭科学家,10千克听起来可能不算多;但对粒子物理学家来说,这是一个可怕的数字。即使是目前最大的粒子对撞机——大型强子对撞机(LHC)——所能产生的质量当量只有10的负20次方克。如果碰撞的是较大的原子核,而非质子,这个质量还可以提高几个数量级。对高能物理学家而言,10千克绝对不是在有生之年能研究出来的质量规模。所以,可以肯定地说,在短期内没有人可以创造一个新的宇宙。

不过,如果你相信伪真空理论,也认为原理上确实可以创造出一个新宇宙的话,我们应该怎么处理这些宇宙呢?

情况很可能是,这些小宇宙和它们的母宇宙之间并不会长久保持联系。这种联系就像虫洞的“喉咙”部位,十分不稳定,可能会在几分之一秒内崩断。因此,在你创造出这些宇宙并触发其成长之后,它们可能会在一瞬间就突然消失。此时从外部看,它们很像是微小的黑洞。

顺便说一下,这种情况可能一直在发生,即使没有粒子物理学家的参与。由于我们并没有真正理解空间的量子性质,因此,有些人认为空间确实产生了很多量子涨落。这些涨落发生在距离极短,以至于我们无法看见的地方,它们可能时不时就会创造出一个这样的微小宇宙。

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