平行宇宙 的概念是如何被提出的?有哪些疑似存在的發現?

時間 2021-05-05 22:06:35

1樓:天窗上的狐狸

平行宇宙最早是指通過黑洞進行時空穿越看到的映象宇宙。映象宇宙就是我們(生存的)宇宙的平行宇宙。

映象宇宙的來由:

黑洞的相對論描述源自於史瓦西的工作。2023年,僅在愛因斯坦寫下他著名的方程數月之後,史瓦西便能精確求解愛因斯坦的方程,計算乙個大質量的靜態恆星的引力場。

史瓦西解有幾個特點。

一、黑洞被一圈「無歸點」環繞著,任何物體只要走進這個半徑之內就會毫無例外地吸進黑洞,不可能逃脫。(史瓦西半徑或視界)

二、任何掉到史瓦西半徑以內的人都會在時空的「另一邊」看到乙個映象宇宙(如圖1)。映象宇宙在數學上有其必要性,它使得史瓦西解有意義,但在物理上是觀察不到的,任何進人黑洞的物體都會被撕碎。

圖1 愛因斯坦-羅森橋聯結兩個不同的宇宙

紐西蘭數學家克爾在2023年找到了愛因斯坦方程的另有乙個精確解。克爾假設,所有塌縮著的恆星都會轉動。於是,描述黑洞的靜態史瓦西解,不是愛因斯坦方程物理上最切題的解。

一句話,克爾解讓穿越黑洞成為可能,蛀洞出現了。

(略去解釋索恩蛀洞,導致此處上下文銜接有跳躍性)

霍金對索恩的蛀洞持保留看法,但霍金自己卻提出了更加異想天開的新的蛀洞理論。霍金不是把現在與過去連線起來,而是建議用新的蛀洞把我們宇宙與無數個平行宇宙連線起來。

圖2 無數個平行宇宙

無數個平行宇宙怎麼來的?

霍金等人創立了量子宇宙學。量子本是微觀概念,宇宙學意味著幾乎無限寬廣,把二者放在一起看上去是矛盾的。但霍金等人認為,宇宙學的最終問題只能用量子理論來解決。

霍金把量子宇宙學用於解決這個最終問題的結論是:允許存在無窮多個平行宇宙。

量子理論的出發點是波函式,它描述粒子所有可能的狀態。霍金的新思想是,把整個宇宙看成乙個量子粒子,也因此就有了令人頭痛不已的宇宙波函式。

這裡再說下物理學家埃弗里特(Hugh Everett)的多世界詮釋。

埃弗里特提出的多世界(多宇宙),是為解決薛丁格貓佯謬而提出。先簡單講一下,就是活貓乙個宇宙,死貓乙個宇宙,二者都存在,但互相看不到彼此。(有時間會在後續補上「薛丁格貓佯謬」詳細一點的資訊)

也因此,埃弗里特的宇宙是互不相通的,這個就有別於霍金的平行宇宙,霍金的平行宇宙有蛀洞相連線。

圖3 埃弗里特的多宇宙(乙個氣泡代表乙個宇宙):宇宙間互不連通

埃弗里特的多宇宙理論,讓平行宇宙的概念正式走上檯面。

2樓:

向 @知識庫 自薦一下。標籤裡有「量子物理」,這裡介紹一下量子理論裡的平行宇宙,即」多世界詮釋「。

先兩幅圖簡單對比哥本哈根詮釋和多世界理論:

看圖各位可能有疑惑,量子力學不是波函式嗎,怎麼畫座標系和向量了?下面聽我一一道來。

向量概念的推廣:從三維空間到希爾伯特空間與平行宇宙

——高中生也能看懂的量子力學

中學階段向量是「有大小也有方向的量」,平面(二維)直角座標系中乙個起點在原點終點在(x,y)的向量可以用陣列(x,y)表示,或寫成 ,空間(三維)直角座標系乙個起點在原點終點在(x,y,z)的向量可以用陣列(x,y,z)表示,或寫成 ,我們很容易把這種表示方法推廣到n維空間直角座標系,乙個起點在原點終點在 的向量用陣列 表示。

這是有限維的情況,也很容易推廣到無限維空間直角座標系,這裡面向量表示為 ,維度和正整數一樣多。

這種推廣的合理性基於向量空間的定義,這是大學線性代數的內容了:

我們只要規定 (加法)以及 (數乘),即和二維與三維的情況一樣,就能讓我們的推廣滿足向量空間的要求。

我們發現數列 也有類似加法和數乘性質,把 放到 的位置,乙個無窮數列就是乙個無窮維空間的向量。

我們注意到數量其實是定義域為正整數集的函式 f(n),因此可以再擴充套件一步,認為乙個定義在實數集上的函式f(x)也是乙個向量

量子態都可以用波函式ψ(x)表示,所以量子態可以用乙個向量表示。量子力學第一條假設就是量子態用希爾伯特空間中的向量表示。

希爾伯特空間還要定義向量長度,需要定義內積。內積是向量點乘的推廣。 和 的內積為 ,加上復共軛是為了讓值為複數的情況內積仍然是實數。

函式也類似,兩函式的內積是把它們在每乙個點的值的乘積加起來,就是積分:

這樣就構建了乙個希爾伯特空間了,量子態可以用這個空間裡的向量描述,一般用符號|ψ>表示這個向量,稱為態向量。

這樣我們就能模擬向量的性質來研究量子態(波函式),以薛丁格的貓為例,就是前面的兩幅圖。

在觀測前,貓的量子態處於疊加態|貓》=a|活》+b|死》,觀測貓的死活後,貓的態變成|死》態或者|活》態,態向量變成沿|活》軸或者沿著|死》軸的向量,這個過程稱為波函式坍縮。看到活貓是因為觀測時貓的波函式坍縮到了|活》態上,看到死貓則是因為貓的波函式坍縮到了|死》態上。

這個過程中,觀測前貓處於死活疊加態很難以理解。

哥本哈根詮釋認為,觀測前的系統並不真實存在,態向量|貓》=a|活》+b|死》不是實在,而是反映人們對態的了解。因為這種疊加不是實在的,我們自然觀測不到,所以「又死又活」不構成矛盾。當觀測後看到的處於|死》態或者處於|活》態的貓才是真實的。

而多世界理論認為,態向量|貓》=a|活》+b|死》是實在的,看到活貓是因為觀測者所處的這個世界看到了|貓》態在|活》軸的投影;而在另乙個世界觀測者看到的是|貓》態在|死》軸的投影,即死貓。我們觀測不到「又死又活」的貓是因為我們所處的世界只能看到貓的態向量的乙個投影。就像二維從不同方向看圓柱體可以看到方形或圓形,這種「又方又圓」的疊加態在二維是不可思議的,但在三維空間裡就很正常。

有心的讀者可能會提問,為什麼軸必須是|死》和|活》,a|活》+b|死》不能作為軸呢?這個稱為「偏好基」問題,也是乙個難題。

推薦乙個答主 @賈明子,他寫了乙個系列的關於量子力學詮釋的文章,有更深入準確的描述:

賈明子:18、哥本哈根詮釋,成功與缺陷

賈明子:24、命運多舛的的多世界理論

賈明子:25、多世界並不奇怪

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都說世界有平行宇宙,如果平行宇宙的你死了,他的能量會導在自己或者其它的平行宇宙的自己中嗎?

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