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宇宙是如何从一个极密实、极高温的奇点中爆发而出的呢?

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发表于 2019-10-26 17:11:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
按现今流行的宇宙大爆炸理论,在宇宙刚出生的10-35秒发生了暴胀,到10-32秒时,宇宙空间瞬间扩大了1025倍。
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理论家说,在暴胀结束时必将产生引力波,这是一种空间的波纹,也是爱因斯坦广义相对论的一个重要预言。光子碰到引力波时将产生偏振,而BICEP2望远镜探测到的,正是这一偏振的图谱。
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许多读者都为科技如此神速的进步而惊讶。宇宙诞生的瞬间都能被科学家找到,那么更进一步,我们是否可以探知宇宙从奇点中突然出现的那一幕呢?其实,早在10多年前,科学家就已经开始探索这一神秘的时刻了。

宇宙究竟是如何从一个极密实、极高温的奇点中爆发而出的呢?科学家把时间一直回溯到普朗克时期,即宇宙诞生后10-43秒(普朗克时间,在量子论中,这就是时间的最小单元,不能再做分割)的那个瞬间。此时,其物质密度约为5×1096千克/ 立方米,且存在着所谓的偶尔相互连接区(CC1),线度约为10-35米。因为普朗克时期在时间、空间和密度上都处在极限状态,所以CC1具有最大的普朗克密度,其质量约为10-8千克,即普朗克质量。
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尽管在普朗克时期多方面均处在极限,但物质的状态发生变化是不可避免的,原始粒子对湮灭,就此产生了大爆炸,物质和能量井喷而出。但是科学家还是无法推测这之前的情况,也无法知道空间和时间的本质特征。他们缺少一把钥匙,那就是量子引力理论。
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按目前建立在相对论基础上的大爆炸理论,时空是一个平滑的、连续的整体。爱因斯坦的理论对恒星、星系尺度上的引力做了很好的描述,但对宇宙初始时的情况,就很难解释得清了。

当我们把宇宙的时钟向回拨,将看到物质日益挤紧,引力变得越来越大。根据相对论,宇宙产生自一个无限密实的奇点,其空间和时间极限弯曲,以至于传统的物理学在这里完全失效。而物质处于如此微小的空间时,正是量子论的用武之地。因此,欲搞清万物之开始,必须把这两个理论结合起来,产生一个量子引力理论。

现在我们来看一下量子引力理论如何看待宇宙的初生。近年来,在这方面出现了几种理论,其中引人注目的,至少有三个完全独立的量子引力理论。它们都认为,宇宙进入存在时是很寂静的,这是一个完全孤立的瞬间,没有任何东西、任何地方是相互连接的。这意味着,没有东西(诸如声音、光或其他信息)能在它们之间通过。这一寂静时刻将告诉我们宇宙原初的奥秘。

加州大学的卡立泊收集了所有的量子引力理论版本,发现了它们的一个共同点:当宇宙回到高温、密实的原初时刻时,其空间维度是一维或二维。换言之,其几何形态跟现在完全不一样。
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寂静时刻表明,那时的空间和时间是分开的,很可能源于原始的量子起伏。按照卡立泊的计算,在宇宙的第一个10-43秒时,空间被分割成互不相连的块。在一个被称为因果动力学三角的

理论中也出现了类似的情景,它所给出的时间和空间的曲率,正是相对论所说的物质和能量引起的曲率。荷兰奈梅亨大学的鲁尔说:“我们希望,我们的模拟能给出宇宙在接近奇点时是如何运行的。”

按照因果动力学三角理论,宇宙将以某一种相(共有三种)出现。一种类似于我们这一种,即不同的区域相互连接,并通过信号或力的传递而相互作用。另一种宇宙是均匀的一块,所有的东西都是彼此的组成部分。第三种类型的空间完全断开,宇宙中的每一块空间都是孤立的。换言之,这是一个寂静的宇宙。

这些理论是否可信现在还无法判断。不过,宇宙可能处在这些相中的思想,预示着量子引力含有新的知识。瑞典斯德哥尔摩理论物理研究所的赫塞费特说:“早期宇宙是我们进入量子引力最可靠的大门,研究这些相在早期宇宙中的转变,将使我们了解新生的早期宇宙,进而知悉空间和时间的本质特性。”

圈量子引力理论认为,空间和时间都是由维和结组成的织物,这种互绕的条纹导致了粒子和力的产生。验证该理论的一个方法,就是通过量子引力宇宙可看到圈量子引力宇宙独有的历史。从中可以看出,在宇宙开始时的高能、高密条件下,维和结是如何运行的。

巴劳等人将量子引力宇宙的膨胀往回收缩时,看到光速也慢了下来;当他们把万物压缩到极热、极密态时,量子引力宇宙最终到达一点,光速也变为零。如果光无法运动,就无法通信了,没有力能够传递出去,每一个区域的时空之间都是断开的。这是另一种寂静时刻。我们看到,虽然有三种不同的理论,但它们都聚焦于寂静,说明寂静有助于我们了解原初宇宙结构间的关系。
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在目前的标准大爆炸模型中有一个暴胀期,在量子引力宇宙模型中,它的发生是一种被称为“反弹”的自然结果,而这一时刻先于宇宙进入存在。这似乎很难想象,量子引力宇宙模型并不认为我们宇宙的诞生是万物之始。2006年,路易斯安那州立大学的辛格等人说,如果把圈量子宇宙的时钟往回拨,你最终将碰到一个时刻,那里的维和结都处在能量超载的状态,能够产生一个斥力,迫使空间翻出并再次开始膨胀。而这一膨胀过程,就是人们所说的大爆炸。如果宇宙含有任何形式的“标量场”(这是一种雾状的东西),对空间的每一点施加力,可以导致一个自然的暴胀。在所有的宇宙学理论中加入“标量场”,可作为各种力(电磁、强、弱和引力)的种子。

这个模型会进一步告诉我们暴胀将延续多久。量子引力宇宙预言,暴胀期的宇宙,体积是我们现在可观测范围的2倍,甚至有科学家认为可能达到10万或100亿倍。量子引力宇宙模型有其

独特性,其方程允许时间并入空间,也就是说,这个模型中只有四维的空间,而没有时间。对大多数人来说这仅是一个概念,但对巴劳等人来说,这是一个研究方向,是受到肯定的信号。

不过,辛格等人对此并不看好。他们认为,寂静时刻仅是人们的一个猜想,那是“十分初始和猜测性的”,并认为“这个结论是十分不成熟的,多半是不真实的”。

量子引力学界的科学家说,在我们对真实宇宙做出确切的测试之前,还有一段相当长的路要走。最好的测试是观测宇宙微波背景中微妙的图像,而来自欧空局的普朗克卫星刻画出了全天最详细的微波图。即使如此,该卫星还不够灵敏,很难重现宇宙创生的量子引力宇宙模型。巴劳说:“我们正在等待后普朗克的测量。”

卡立泊认为,BICEP2望远镜绘出的最新的宇宙微波背景辐射图可能探测到有寂静时刻的区域,或者空间维正在消失。他说:“这是可信的,存在某种可观测的信号。”
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不同量子引力模型之间的协作提供了很好的线索,以开拓这个领域。辛格指出,在模拟时空从量子态转变到经典态的时刻,量子引力宇宙和因果动力学三角理论产生了共鸣,给出了一个完全经典的时空。辛格说:“这可能向我们显示,这个结果反映了关于时空量子特征的一个更深层次的真理。”赫塞费特十分重视这个共性,她说:“每种方法都有其优缺点,但是,都能从不同的道路把我们引向类似的结论。这是很值得注意的,看起来像是一个焦点,试图告诉我们某些事物。”

现在,量子引力理论已经进入了它的成熟阶段,我们将越来越多地看到早期宇宙之谜的解释。这不仅有益于宇宙学的进展,而且对人类思维领域的拓宽,也大有裨益。


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发表于 2019-10-26 17:12:37 | 显示全部楼层
那个极密实、极高温的奇点从何而来呢?!
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