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仰观苍穹知天文,俯察众生闹凡尘;细推物理须行乐,何用浮名绊此身!

 
 
 

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大爆炸之前:宇宙是否永恒存在  

2013-08-15 18:16:14|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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kingmagic 2012-12-26 17:00


大爆炸之前:宇宙是否永恒存在 - 常大天文社 - 常州大学天文社
我们的宇宙始于137亿年的大爆炸,在那之前呢?宇宙是有一个开端,还是永恒存在着?来源:WMAP

(文/Marcus Chown)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,应用于他能想到的最大引力质量——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。

不幸的是,爱因斯坦的静态宇宙仍然不稳定。就像英国物理学家阿瑟?爱丁顿(Arthur Eddington)后来指出的,这样的宇宙乃是平衡在无限膨胀和无限收缩间的刀锋之上。进一步的撼动来自于1929年,美国天文学家埃德温?哈勃(Edwin Hubble)观察到,星系如一个个宇宙飞镖般相互远离,结论是我们的宇宙正在膨胀。

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,最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。

然而,稳恒态宇宙理论受到两个观测结果的夹击。其一是20世纪60年代发现,深空宇宙图像反映出来的早期宇宙与今天的宇宙不同;其二是1964年发现的大爆炸火球的余烬——宇宙微波背景辐射。近些年,美国国家航空航天局(NASA)的威尔金森微波背景各向异性探测卫星(WMAP)又对宇宙背景辐射进行了细致的测量,表明大爆炸发生的时间是137亿年之前。

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,最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。”

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宇宙或许就像一片永恒沸腾的海洋,每一处都不断有气泡出现和扩张,而我们就处在一个137亿年前产生的大气泡中。来源:www.mystics.eu

在维连金参与创建的这个理论中,暴涨始于一个具有异常高能量的真空态,并且具有负压力。这两个特点赋予真空以排斥引力,使物质分离而非吸聚。这使得真空进一步膨胀,从而斥力更大,由此暴涨愈演愈烈。


但是暴涨的真空本质上是量子的,因此并不稳定。随处都有小块真空随机衰变成普通的真空。你可以将暴涨真空想象成一个正在沸腾的海洋,每一处都不断有气泡出现和扩张。暴涨真空的能量必须要有个去处,它们最终转变成物质,又将每个泡泡中的物质加热到地狱般的高温,由此制造出一个个大爆炸。我们的宇宙就处在这样一个由137亿年前的一场大爆炸产生的泡泡之中。


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。唯一的假设是,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。


第一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。

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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。来源:fc2.com

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。”


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。”


按照量子理论,宇宙不可能永远保持在最小尺寸,它有一定的概率会自发塌缩。“尽管这个概率非常非常小,但由于暴涨前的时间是无穷的,因此再小的概率也必然会发生,”维连金解释道,“换言之,如果我们生活在一个涌现宇宙中,它就不可能永恒存在过”。马尔滕斯认为,这种量子不稳定性“不无道理”,但是他认为这不一定就意味着宇宙必然有个开端。“这是一个很深刻的问题,需要一个成熟的量子引力理论才能解决,”马尔滕斯说,“不幸的是,我们还没有这样的理论。”


不过维连金和米萨尼断言,在现有物理学的框架内,无论从什么角度来看我们的宇宙,它都不可能永恒存在过,因此开端是必然的。但它是如何开始的?在维连金看来,量子理论中包含着一个答案,因为量子理论允许东西从虚空中产生,那为什么就不能产生一个很小的宇宙,然后再开始暴涨、循环,或者沉寂很长时间后再突然暴涨呢?


我们现在能确定无疑宇宙必然有一个开端了吗?还是说,这是一个信则有不信则无的理不清的循环?“有史以来,我们第一次拥有了能科学解答这个问题的各种工具”,维连金说,“所以我觉得我们正在逼近真相。”


不过观测到这个终极起源的希望,正变得越来越渺茫。就在维连金和米萨尼发表他们的结果之后不久,美国斯坦福大学的伦纳德?萨斯坎德(Leonard Susskind)用两篇文章进行了回应。在这两篇文章中,萨斯坎德认为,即便宇宙确实存在一个开端,离现在也是久远之极,以至于无论从任何实际角度来看,宇宙都像是永恒存在一般。


他给出的理由是,空间是指数暴涨的,随着时间的流逝,真空的体积会变得极其庞大。如果有更多其他宇宙泡泡存在,我们称之为宇宙的这个真空泡,就不太可能是早期形成的。因此真正的开端很可能远到天荒地老,远到不可能在我们这个宇宙中留下任何印记。萨斯坎德说:“我发现,宇宙必定有一个开端这种说法有些模棱两可,但可以肯定的是,就算有,其时间之早也无可估量。”


维连金也承认这一点。“这可真讽刺,”他说,“宇宙必定有个开端,但我们永远也无法弄清楚它究竟是如何开始的。”


尽管如此,宇宙学家还有很多其他的大问题可以围着团团转。如果宇宙的开端来自量子效应,那么量子理论必定在宇宙开始之前就业已存在,于是问题来了:那量子理论又从何而来呢?“我们不知道,”维连金承认,“我认为这是一个完全不同的问题。”即便找到宇宙萌生的那一刻,我们会发现,很多问题真的才刚刚开始。


编译自: 《新科学家》 Before the big bang: something or nothing


本文来自:http://www.guokr.com/article/417395/



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