新知
在我們視線之外，世界是什么樣的？這個問題似乎沒有答案。一些科學家的猜想是：我們的宇宙是一個膨脹的氣泡，并且宇宙之外，還有更多的泡沫宇宙。它們都存在于一個永恒膨脹、充滿能量的海洋中，這個海洋便是多重宇宙。
一些物理學家接受多重宇宙這一說法，認為它可以解釋為什么我們的宇宙與眾不同，而另一些人拒絕接受這一理論，因為它僅僅預測了可以想象的宇宙，根本無從檢驗。
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么。
隨機量子事件或導致了宇宙誕生
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發現，盡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，這被稱為永恒暴脹理論。
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，由于隨機的量子事件，微小的假真空會偶爾松弛成真真空，而這個真真空會像氣球一樣向外膨脹，吃掉假真空的剩余能量，這就是假真空的衰變，宇宙或許由此誕生。“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·佩里斯說道。
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么樣，取決于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。對于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。
模擬真空泡實驗輸給了量子糾纏
包括美國加州理工學院著名理論物理學家約翰·普雷斯基爾在內的研究團隊最近從簡單的模擬中誘導出了類似真空泡的行為，共同參與研究的阿什利·米爾斯泰德解釋說：設置一串約1000個箭頭，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，這個簡單的設定并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，沒有出現預期的復雜混響或粒子外流（表現為漣漪一樣的箭頭翻轉）。但隨著研究深入，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。
然而，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，它們狀態的復雜程度就呈指數級增加。
研究人員表示，因為量子計算機本身就是靠量子糾纏來完成計算，所以只有等到成熟的量子計算機出現，關于氣泡行為的研究才可能實現突破。
量子計算或者吹一個量子泡泡
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，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，“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，專門用于解決算法優化問題。這個過程與假真空衰變相差無幾。
阿貝爾和斯潘諾夫斯基利用商用量子退火機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，類似于假真空和真真空。然后他們觀察前者如何衰變成后者，最后導致真空泡的誕生。
這項實驗只是驗證了已知的量子效應，并沒有取得關于真空衰變的新發現。但研究人員希望最終能利用D-Wave超越當前的理論預測。
還有一種方法是干脆直接吹泡泡。
接近光速膨脹的量子泡泡沒那么容易得到，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制作這種泡泡的方法，即利用物質的一種奇特狀態——玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC）。一團稀薄的氣體冷卻到接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，那么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。
佩里斯帶領著一個物理學家團隊，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，她和同事們終于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。
這些信息將幫助宇宙學家計算出，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。而其他的細節，比如碰撞是否會產生引力波，還要取決于未知氣泡的具體情況。
（董婉瑜翻譯 據《環球科學》）
來源：科技日報
