宇宙是如何发生泡沫和碰撞的

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W帽子在我们所能看到的范围之外？这个问题似乎无法回答。然而，一些宇宙学家有一个回应：我们的宇宙是一个膨胀的气泡。在它之外，存在着更多的泡沫宇宙，它们都沉浸在多元宇宙中一个不断膨胀和充满活力的海洋中。

这个想法两极分化。一些物理学家拥抱多元宇宙来解释我们的泡泡看起来很特别（只有某些泡泡可以承载生命），而其他泡泡则拒绝接受该理论，因为它没有做出可测试的预测（因为它预测了所有可想象的宇宙）。但一些研究人员预计，他们只是不够聪明，无法计算出该理论的确切结果。

现在，不同的团队正在开发新的方法来准确推断多元宇宙气泡是如何形成的，以及当这些气泡宇宙碰撞时会发生什么。

“这是一个很长的尝试，”多伦多大学的宇宙学家Jonathan Braden说，他参与了这项工作，但他说，这是一个“你认为你永远无法测试的东西”的证据搜索。

物理学家竭尽全力去预测真空气泡的行为。

多元宇宙假说源于对我们自己的宇宙诞生的理解。在宇宙的大尺度结构中，理论家看到了宇宙婴儿期爆炸性增长的迹象。在20世纪80年代早期，当物理学家研究宇宙是如何开始膨胀和停止膨胀时，一幅令人不安的画面出现了。研究人员意识到，虽然空间可能在这里(我们的泡泡宇宙)和那里(其他泡泡)停止膨胀，但量子效应应该继续膨胀大部分空间，这一想法被称为永恒膨胀。

气泡宇宙与其周围环境之间的差异可以归结为空间本身的能量。当空间尽可能的空并且不可能失去更多的能量时，它就存在于物理学家所谓的“真实”真空状态中。想象一个球躺在地板上，它不会再掉下去了。但系统也可能有“假”真空状态。想象一下桌子上碗里的球。当球或多或少地保持在原地时，它可以稍微旋转一圈。但是一个足够大的震动会把它落在真正真空的地板上。

在宇宙学的背景下，空间也会同样陷入假真空状态。一个假真空的微粒偶尔会放松到真正的真空(很可能通过一个随机的量子事件)，这个真正的真空会像一个膨胀的气泡一样向外膨胀，享受假真空的过剩能量，这个过程称为假真空衰变。正是这个过程让我们的宇宙开始了一场大爆炸。“真空气泡可能是我们宇宙历史上的第一个事件，”伦敦大学学院的宇宙学家Hiranya Peiris说。

但是物理学家很难预测真空气泡的行为。泡沫的未来取决于无数的微小细节的累积。气泡变化也很快——它们向外飞行时，其壁的速度接近光速——并具有量子力学的随机性和波浪性。关于这些过程的不同假设给出了相互矛盾的预测，无法判断哪些可能与现实相似。这就好像“你把许多物理学家很难处理的东西混在一起，然后说，‘继续，弄清楚发生了什么，’”布雷登说。

由于它们不能在多元宇宙中制造出真实的真空气泡，物理学家们一直在寻找它们的数字和物理模拟。

一个小组最近通过一个简单的模拟哄骗出了类似真空气泡的行为。包括加州理工学院著名理论物理学家约翰·普雷斯基尔（John Preskill）在内的研究人员，作为合著者，从“你能想到的这个问题的[最]婴儿版”开始阿什利Milsted这样写:一条由大约1000个可以向上或向下的数字箭头组成的线。一串主要向上的箭头和一串主要向下的箭头交汇的地方就是气泡墙，通过翻转箭头，研究人员可以使气泡墙移动和碰撞。在某些情况下，这个模型是完美的模仿的行为自然界中更复杂的系统研究人员希望用它来模拟假真空衰变和气泡碰撞。

起初，简单的设置并不现实。当气泡壁碰撞在一起时，它们会完美反弹，没有预期的复杂混响或粒子流出（以翻转箭头的形式沿直线涟漪）但是在添加了一些数学上的精妙之处之后，研究小组看到了碰撞壁喷出的高能粒子，随着碰撞变得更加猛烈，出现了更多的粒子。

但是结果，出现在预印本在2020年12月，预示了传统计算在这个问题上的死胡同。研究人员发现，当产生的粒子混合时，它们会“纠缠”，进入一个共享的量子态。每增加一个粒子，它们的状态就会以指数形式变得更加复杂，即使是最强大的超级计算机也无法进行模拟。

因此，研究人员说，关于气泡行为的进一步发现可能需要等待成熟的量子计算机设备，这些设备的计算元素（量子位）可以处理量子纠缠，因为它们是第一手体验的。

同时，其他研究人员希望让大自然为他们做数学计算。

英国杜伦大学(Durham University)的物理学家迈克尔•斯班诺斯基(Michael Spannowsky)和史蒂文•阿贝尔(Steven Abel)认为，他们可以通过使用一种遵循与真空相同的量子规则的设备，避开棘手的计算。Spannowsky说:“如果你可以在一个自然实现的设备上对你的系统进行编码，你就不需要计算它了。”“这更像是一个实验，而不是理论预测。”

这个装置被称为量子退火器。它是一台有限的量子计算机，专门通过让量子位寻找最低能量的可用配置来解决优化问题——这一过程与假真空衰变类似。

Abel和Spannowsky使用一种名为D-Wave的商用量子退火器，编写了一串约200个量子位元的程序，来模拟一个高能量态和低能量态的量子场，类似于假真空和真真空。然后，他们放任系统，观察前者是如何衰变为后者的——导致了真空泡沫的诞生。

这项实验在一篇文章中描述预印本在2020年6月，仅仅验证了已知的量子效应，没有揭示任何关于真空衰变的新东西。但研究人员希望最终使用D-Wave来避开当前的理论预测。

第三种方法是将电脑抛在脑后，直接吹泡泡。

以接近光速膨胀的量子气泡并不容易找到，但在2014年，澳大利亚和新西兰的物理学家们提出一种在实验室中利用一种称为玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）的奇特物质状态制造一些的方法。当冷却到接近绝对零度时，稀薄的气体云可以凝结成BEC，其不同寻常的量子力学特性包括能够干扰另一个BEC，就像两个激光器可以干扰一样。该小组预测，如果两种凝聚体以正确的方式相互作用，实验学家应该能够直接捕捉到凝聚体中形成的气泡的图像，这些气泡的作用类似于多元宇宙中假定的气泡。

佩里斯说：“因为这是一个实验，它包含了自然界想要加入的所有物理概念，包括量子效应和经典效应。”。

佩里斯带领一组物理学家研究如何做到这一点稳步的凝析油混合，以防止不相关的影响而坍塌。经过多年的工作，她和她的同事们终于准备建立一个原型实验，他们希望在未来几年内吹出冷凝气泡。

如果一切顺利，他们将回答两个问题:泡沫形成的速率，以及一个泡沫的膨胀如何改变附近另一个泡沫膨胀的几率。布雷登说，这些问题甚至无法用当前的数学公式来表述，他为这项实验的理论基础做出了贡献。

这些信息将帮助布拉登和佩里斯等宇宙学家准确计算出远古时期邻近的泡泡宇宙的撞击是如何使我们的宇宙颤动的。这样的遭遇可能会给我们留下一道伤疤，那就是天空中的一个圆形冷点，佩里斯和其他人发现了这一点寻找但其他细节，如碰撞是否也产生引力波，则取决于未知的气泡细节。

如果多元宇宙只是一个海市蜃楼，物理学仍然可以受益于正在开发的大量工具来揭示它。理解多元宇宙就是理解无处不在的空间物理学。

假真空衰变“似乎是物理学的普遍特征，”佩里斯说，“我个人不相信纸笔理论的计算能让我们做到这一点。”

查理·伍德是一名记者，报道地球上和地球外的物理科学发展。他的作品已出版科学美国人，基督教科学箴言报以及《生活科学》等出版物。此前，他曾在莫桑比克和日本教授物理和英语，并获得布朗大学物理学学士学位。