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宇宙大爆炸是一切的开始吗?或许并不是!

发布时间:2019-03-28 12:43:47  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:190

    宇宙大爆炸是一切的开始吗?或许并不是!
      虽然每个人都听说过宇宙大爆炸,但没有人能自信地说出它是什么样子的。毕竟,重述时间的开始不仅仅是要找到正确的词语,而是找到正确的物理--自从大爆炸进入流行词汇以来,物理就一直是个模糊的概念。
      功于在过去几年中出现的一种探索宇宙背景的不寻常的方式。在这种观点中,空间和时间的本质可以存在于宇宙的范围之外,但是在一种混乱的状态下我们无法识别。大爆炸不是一个艰难而快速的开始,而是一个深刻变革的时刻 - 与我们大多数人想象的完全不同。
      虽然经常被误认为是美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble),但大爆炸的基本思想可以追溯到比利时牧师和天文学家乔治·莱马特(Georges Lema?tre),他在20世纪20年代末观察到宇宙正在膨胀。莱马特想象出一个“原始原子”,会膨胀成我们今天所看到的一切。
      这个原始原子是什么,它来自哪里?如果没有一些惶恐,就不能提出这样的问题。斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出了一个著名的论点,:就是问大爆炸之前发生了什么,就像问北极以北是什么。他认为,既然时间本身是在那一刻创造的,因此先前起源的问题毫无意义。
      这并没有阻止物理学家们试图把它拆开。莱马特自己也提出了凤凰宇宙的可能性,它的膨胀减缓、逆转,最终崩溃为一个新的原始原子,然后再向外爆发,进入新的生命状态。
      在本世纪初,普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特(Paul Steinhardt),剑桥大学的尼尔·图洛克(Neil Turok),以及其他人提出了一个更为详尽的版本来解释这个周期性的故事。在他们的火劫假说中,我们宇宙的早期斑点漂浮在另一个维度,最终粉碎到另一个宇宙,释放出无数的能量,并引发爆炸性的增长。
    宇宙大爆炸是一切的开始吗?或许并不是!
      尽管这听起来很疯狂,但有些提议却变得更疯狂了。以宇宙膨胀为例,这是一种得到广泛支持的理论,据说它解释了原始原子是如何从无穷小的物体中爆炸出来的,然后以我们今天所看到的更为悠闲的速度膨胀。这种增长是由量子场中的随机涨落引起的,类似的事情可能在任何时间、任何地点发生。这不仅意味着其他宇宙可能在看不见的情况下从我们的宇宙中分离出来,而且也表明我们自己的宇宙可能是一个无限古老的多元宇宙的一个分支。
      然而,无论我们使用的是火劫还是无限膨胀,试图将宇宙大爆炸作为永恒重现的时刻来解释并不能让我们更准确地描述在那个关键时刻发生了什么。
      大爆炸诞生于我们最好的引力理论,广义相对论。在这里,空间和时间被统一为时空。恒星和行星会变形时空,这种扭曲会产生引力。我们从天文观测中得知时空正在膨胀,因此根据广义相对论,它一定曾经是一个无限微小,无限稠密的点,称为奇点。
      就目前而言,这是很好很整洁的。但它没有描述时空中的所有东西,这些东西是由量子理论支配的。这个最成功的理论处理的是小而有限的:粒子和能量块。“有限”是这里的关键词。退回到量子宇宙,你会看到星系崩塌,恒星诞生,原子分解成原子核和伴随的电子。当空间非常紧密的时候,你会看到所有的自然力量,除了引力,统一成一个整体的迹象。但这种力量仍然是成块状的,这就是量子理论所能带我们走的路。它可以做得非常小,但不像时空,它不能平滑地变为零。
      正是这种冲突使得理解大爆炸变得如此棘手。在过去的几十年里,发展量子引力理论是一个显而易见的前进方向。这就需要将固有的连续时空画布分解成离散的线--“空间的原子”,马里兰大学的理论家贝洛克·胡(BeiLok Hu)这样称呼它们。
      环量子引力,这些空间原子是由数学定义的虚无环。也有其他的理论,但大多数都专注于准确地描述空间原子,假设时空的连贯量子描述,包括大爆炸,将会落实到位。
    宇宙大爆炸是一切的开始吗?或许并不是!
      十多年来,胡一直支持弥合这一鸿沟的努力。正是在这一探索中,出现了一种对大爆炸的潜在的令人满意的描述。
      想象一下把一桶水倒在你的头上。水是由最终受量子理论支配的分子组成的,但是你不需要知道细节就知道你会被浸湿。你甚至可以用流体力学的科学精确地计算出水是如何级联的,这门科学早在量子理论之前就已经存在了。如果流体力学允许我们描述流体,而不必担心分子的细微细节,那就应该有可能从空间原子创造时空,而无需首先完善对这些原子的描述。
      胡的类比远不止于此。在过去的几年里,物理学家们利用流体建立了时空扭曲区域的模型,并发现两者惊人地相似。再加上数学基础上的相似之处,胡怀疑时空不只是像一种流体--它就是一种流体。
      要知道他的意思是什么,想想水的三个熟悉的阶段:冰,液态水和蒸汽。所有的水分子都是由水分子组成的,但水分子相互作用的方式各不相同。在蒸汽中,他们飞快地走来走去,做着自己的事。然而,如果它们撞到冰冷的窗玻璃上,它们就会开始挤在一起,从气体凝结成液体。胡认为时空也会经历类似的相变。如果没有像凝聚这样的东西,空间的原子就会像一些模糊的阴影一样存在,失去了时间和几何学。
      德国波茨坦的马克斯普朗克引力物理研究所的理论家丹尼勒·奥里蒂(Daniele Oriti)在年轻时偶然发现了这条推理路线。它提供了一种新的、诱人的方式来理解时空,包括他认为的宇宙大爆炸。但他无法立即理解如何将这一类比转化为一个可以用数学来表达的观点。
      在2006年,当时的理论家托马斯`科诺普卡(Tomasz Konopka)、福蒂尼`马科普卢(Fotini Markopoulou)和李斯莫林(Lee Smolin)都在加拿大滑铁卢的周界研究所工作,他们将时空描述为一个复杂的数学节点网络,每个节点都连接在其他节点上。虽然太抽象了,不适合胡的凝结类比,但节点仍然可以经历一个有序的相变,变成类似空间的东西,具有我们认为理所当然的基本特征,比如几何学。
    宇宙大爆炸是一切的开始吗?或许并不是!
      受到这个结果的启发,奥里蒂开始探索是否有可能使用对空间原子的更成熟的描述来实现类似的壮举。他首先对这些原子进行了循环量子引力的描述。但是,他随后使用了第二个数学框架,称为群场理论,这是量子理论的一个版本,用来描述正常原子,来展示它们是如何凝聚的。
      他花了七年时间整理自己的想法,2013年,与马克斯·普朗克研究所的洛伦佐·辛多尼(Lorenzo Sindoni)和汉诺威大学的斯特芬·吉伦(Steffen Gielen)一起,奥里蒂证明了群场理论可以凝聚他的空间原子。诚然,他们不知道出现的流体看上去是否很像我们的宇宙,但它似乎至少有一个大小和一个形状。
      这是个很大的突破。奥利提说,在将空间原子凝聚成时空方面,“我认为我们是第一个”。去年,他与辛多尼和他的同事爱德华·威尔逊·尤因进行了更详细的计算。这一次,出现的东西看上去就像我们宇宙中不断膨胀的时空。令人惊讶的是:时空流体不喜欢在大爆炸发生时被注入奇异点。相反,它想要向外反弹,就像凤凰宇宙。
      莱马特会很高兴的。但这并不是故事的结束,甚至不是故事的开始。到目前为止,这项工作依赖于某些近似值,奥里蒂认为,一旦对这些近似值进行更仔细的研究,宇宙开始时的大事件很有可能既不是爆炸,也不是反弹。
      他说,在这样的极端条件下,时空很可能已经从一个阶段转变为另一个阶段,这意味着它根本没有一个明确的开端。我们所认为的大爆炸只是凝结的时刻。
      那么,宇宙另一端的时空是什么样子的呢?在这里,语言是失败的,因为每一个问题,都以根本不存在的概念为前提。奥利提说:“必须考虑这些空间原子而不将它们存在于太空的某个地方,或者在某个时间进化。时间和空间的概念必须以它们为基础。”
      伦敦帝国学院的乔奥·马古悠(Joo Magueijo)也对这项工作表示赞赏,但他说奥利提和他的同事们需要让他们的想法具有可验证性。他说:“他应该勇敢地面对困难,并尝试对大规模的结构做出预测,这将排除其他理论。”
    宇宙大爆炸是一切的开始吗?或许并不是!
      奥利提还没有做到这一点,但更广泛的观点,即时空就像一种流体,可以接受考验。2014年,意大利里雅斯特国际高级研究学院的斯特凡诺·利伯拉蒂和德国慕尼黑路德维希·马西米兰大学的卢卡·麦克西奥尼研究了蟹状星云的高能光子,寻找它们穿越了液态空间的迹象。虽然结果并不是决定性的,但实验确实提出了一条测试的途径。
      要真正抓住创造的那一刻,奥利提必须找到一个一致的数学描述空间的自由原子,存在于我们所知的时空之前。这是一项令人费解的任务,因为时间、空间和几何学的概念都是固定在我们的大脑中的。奥利提说“从这个意义上说,这是你能想到的最激进的事情。”

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