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曝宇宙起源惊天内幕大爆炸才是真凶

发布时间:2019-06-13 14:16:33 编辑:笔名

曝宇宙起源惊天内幕 大爆炸才是真凶

正如所有的大问题一样,宇宙的起源问题很难回答。宇宙是一直存在的吗?近些年来,物理学中的一些大牛为此争论不休,有些认为无论我们回溯多久,宇宙都一直存在,还有一些人则持相反意见,认为一定有什么事件发生,导致了宇宙的创生。双方都声称,观测证据支持自己的看法,所以定论似乎一直都遥不可及。

但是2012年年初,宇宙学家亚历克斯维连金(Alex Vilenkin)和奥德丽米萨尼(Audrey Mithani)声称,他们结束了这场争论。他们发现了宇宙不可能一直存在的原因。不过大自然总是有予有夺,尽管宇宙必定存在一个开始,但其肇始的真相可能已经迷失在了时间的迷雾之中。

现代宇宙学始于1916年,当时爱因斯坦将他新建立的引力理论——广义相对论,应用于他能想到的引力质量——整个宇宙。像牛顿一样,爱因斯坦偏爱一个不变的宇宙,一个永恒存在从而无始无终的宇宙。要想得到这样的宇宙,爱因斯坦意识到,为了抵抗使宇宙万物相互吸引靠近的引力,空间本身必须存在一种怪异的排斥。

[1][2][3][4][5]下一页但是如果宇宙正在膨胀,一个自然而然的推论就是,它过去一定比现在小。如果我们如此一路反演下去,终在某个很早的时刻,所有物质挤压在一个极小的体积中——这就是大爆炸。

由此发展出的大爆炸理论,描述了宇宙自一个极热、致密的状态演化到今天的过程,但对于是什么导致了大爆炸,这个理论只字未提。这一直是一个悬而未决的问题,大爆炸之前究竟发生了什么?宇宙真的存在一个开端吗?

可以想见,在这种情况下,对永恒宇宙理论的呼声越来越高,主要就在于它能避免诸如起源之前这样的尴尬问题。1948年,弗雷德霍伊尔(Fred Hoyle)、赫尔曼庞蒂(Hermann Bondi)和汤米戈尔德(Tommy Gold)提出,随着宇宙的膨胀,星系间的空隙中不断喷涌出新的物质,进而形成新的星系。在这幅稳恒态宇宙图像中,今天的宇宙与过去并无二致,而且未来也是如此。宇宙无始无生,历永恒而存在。

前一页[1][2][3][4][5][6]下一页永恒的裂痕

对稳恒态宇宙的进一步质疑来自理论分析。上世纪60年代,罗杰彭罗斯(Roger Penrose)和史蒂芬霍金(Stephen Hawking)还是英国剑桥大学的两个搞理论的年轻小伙儿。他们的工作表明,如果你将宇宙的膨胀进行反演,终不可避免会达到一个点。这个点被称为奇点(singularity),因为诸如密度和温度这样的物理参数,在这一点会直逼无穷。更糟糕的是,物理学在此分崩离析,我们无法预言奇点背后有些什么。按照彭罗斯和霍金的理论,大爆炸是宇宙确确实实的开端。

那么,故事结束了吗?当然没有。后来的研究发现,彭罗斯和霍金的奇点理论中隐藏着一个缺陷。按照牛顿理论,物体的引力大小只取决于质量,爱因斯坦的洞见则昭示出,引力还依赖于物体的能量密度及其内部压力。后者至关重要,因为在推导他们的理论时,彭罗斯和霍金假设空间的压力一直很小,而且始终是正值。但要是这个假设不成立呢?“仅此一点就打开了通向各种现代宇宙学理论的大门,它们压根不把大爆炸视为宇宙开端,”维连金说,“首当其冲的就是暴涨(inflation)理论。”

前一页[1][2][3][4][5][6]下一页暴涨的一个迷人特征就在于,它是永恒的。高能真空产生的速度比衰减到普通真空所带来的蚕食要快得多,这就意味着,暴涨一旦开始,就永远不会停止,宇宙会一直沸腾下去。由于永恒暴涨避免了令人沮丧的奇点,因此宇宙有可能自无穷久远以来就一直维持着这样的沸腾状态。

暴涨与我们今天所有的观测都不矛盾,维连金相当确信,该理论的核心是正确的。不过永恒暴涨也面临一个问题。2003年,维连金与纽约南安普顿大学的阿尔温德博尔德(Arvind Borde)和暴涨理论先驱、麻省理工学院的阿兰古斯(Alan Guth)合作时,首先发现了这个问题。

在不对能量和引力做任何假设的前提下,他们计算了宇宙演化的过程。的假设是,平均而言宇宙是膨胀的。“令我们惊讶的是,在宇宙各种可能的过去当中,大多数时空都不会一直持续到永远,”维连金说,“暴涨必定有一个开端。”

不过暴涨也只是逐鹿群雄之一,其它的宇宙图景是不是也必定包含一个开端呢?2012年年初,维连金和他在塔夫斯大学的同事奥德丽米萨尼合作,对另外两种有代表性的宇宙学图景进行了检验。

宇宙爆炸画面

个图景是在弦论中发展起来的“循环宇宙”,由加拿大圆周理论物理研究所的尼尔图罗克(Neil Turok)和普林斯顿大学的保尔斯坦哈特(Paul Steinhardt)提出。

在这幅图景中,我们的宇宙是镶嵌在更高维空间中的一个四维岛屿,或者说四维的“膜”。它与第二张膜频繁碰撞。你可以将这两张膜想象成两片相互平行的面包片,在第五维相互靠近,然后穿过对方,分开一段距离,接着又互相靠近。每当这两片膜接触,它们沿着第五维的巨大动能就转化成物质,并随之将其加热到极高的温度。在生活在其中一张膜上的观测者看来,这与一场大爆炸无异,而且能形成与今天的宇宙一样的微波背景辐射和星系分布图案。不过这是没有开端的大爆炸,因为这两张膜永远都处于碰撞循环之中。

宇宙或许是高维空间中的两张四维膜,相互碰撞时就会产生我们所说的大爆炸。

然而,维连金和米萨尼已经发现,循环宇宙不可能永无止境地向未来和过去延伸,因为在该理论中,每循环一次,膜就会膨胀一些,这意味着博尔德-古斯-维连金的开端判定理论仍然适用。维连金说,“如果你像电影倒带一样反转这一过程,循环宇宙要么会碰到一个奇点,要么就会有一个类似暴涨的开端。”前一页[1][2][3][4][5][6]下一页维连金和米萨尼考察的另一个宇宙学图景,比循环宇宙和暴涨理论更为怪异,那就是南非开普敦大学的乔治埃利斯(George Ellis)和英国朴茨茅斯大学的罗伊马尔滕斯(Roy Maartens)设想出来的“涌现宇宙”(emergent universe)。它从一个很小的静态宇宙开始,这个宇宙已经存在了无限时间,直到某个时刻突然被触发而开始暴涨。弦论中的确会出现同样的情况,所以它并非完全是空穴来风,但用维连金的话说,“它多少有些剑走偏锋” 。

要用模型描述一个从永恒午睡中突然醒来的宇宙,可不那么简单。就像爱因斯坦的静态宇宙因为不稳定而要用宇宙排斥来调和一样,埃利斯和马尔滕斯必须用两味怪异的调料来稳定他们的涌现宇宙:具有负能量的真空,还有被称为畴壁(domain wall)的时空中的假想线。畴壁是粒子物理学中某些模型所具有的性质,能在宇宙微波背景辐射中留下印痕,目前还没有观察到这样的印痕,但这也可以解释成印痕被暴涨抹平了。

自发塌缩

维连金和米萨尼对埃利斯和马尔滕斯的做法不以为然。“表面上看起来,他们调节出了一个稳定的宇宙,”维连金批评道,“但是,我们发现它仅在忽略量子效应时才稳定。”

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