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宇宙真的誕生自宇宙大爆炸嗎?可能更像冰塊融化

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發表於 2018-8-25 13:38:55 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
來源: 新浪科技

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宇宙微波背景顯示,早期宇宙的密度分布存在波動。
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宇宙真的誕生自宇宙大爆炸嗎?新研究稱宇宙誕生更像冰塊融化

  新浪科技訊 北京時間8月24日消息,據國外媒體報道,宇宙有兩大未解之謎,數十年來一直令宇宙學家困惑不已,一個與宇宙的終極命運有關,另一個則與宇宙的開端有關。天文學家一直將這兩大謎團視作相互獨立的問題,但事實果真如此嗎?
  第一個問題與所謂的“暗能量”有關。暗能量正在加速宇宙膨脹,並將決定宇宙的終極命運。理論學家指出,暗能量的效果可以通過向愛因斯坦的引力公式中加入一個宇宙常量來解釋。但這種解釋要想說得通,這個宇宙常量必須是一個非常小的特定數值才行,相當於10的123次方分之一。如何解釋這個數值,是當今理論物理學家面臨的最大挑戰之一。
  第二個問題與塑造宇宙的另一個關鍵數字有關,還牽涉到星系和星系群等結構的形成。我們知道,早期宇宙中密度的分布雖然較為平均,但也存在一些細微的波動,構成了如今我們見到的種種宇宙結構的雛形。這些波動必須有特定的強度和形狀,才能與如今的觀測結果相符。要弄清早期宇宙中的這些細微波動是如何形成的、並解釋它們的強度和形狀,無疑是宇宙學界的另一大未解之謎。
  在傳統宇宙學中,宇宙常數的數值、以及初始波動的強度被視作兩個無關的數字。畢竟一個涉及到宇宙的開端,另一個則關繫到宇宙的尾聲,兩者相差140億年。不僅如此,標准宇宙學並未從基本法則的角度解釋這兩個數字。傳統宇宙模型完全沒有提到宇宙常數的數值,即使做了預測,結果也完全不合理。至於初始波動的強度,最流行的做法是通過一類描述宇宙早期快速膨脹的模型進行解釋。但這些模型的問題在於,人們可以按自己的意思來設計模型、從而取得任何想要的結果,因此完全無法進行准確預測。
  理論物理學家、宇宙學家薩努·帕德馬納班(Thanu Padmanabhan)近日與女兒漢莎·帕德馬納班(Hamsa Padmanabhan)、以及蘇黎世聯邦理工學院的托馬拉·費羅(Tomalla Fellow)一起,將這兩個數字與“宇宙發生說”(cosmogenesis)聯繫到了一起,並對它們的具體數值做了解釋。他們在論文中解釋道,宇宙常數的存在、以及它極其微小的數值,可以被視作宇宙時空所含信息內容的直接結果。另外,他們的分析還得出了早期宇宙中微弱波動強度和形狀的正確數值。
  宇宙大爆炸大概算是標准宇宙學最著名的元素之一,但並不討科學家的歡心。因為愛因斯坦公式中描述的宇宙標准模型在大爆炸所提供的條件下無法成立。宇宙大爆炸認為,宇宙的密度和溫度曾達到過無限高,即物理學家所說的“奇點”狀態。
  但如果根本沒有奇點呢?從上世紀60年代起,物理學家就一直試圖在描述宇宙時繞開宇宙大爆炸,想要將引力理論和量子理論統一起來、建立所謂的量子引力理論。物理學家約翰·惠勒(John Wheeler)和布萊斯·德維特(Bryce deWitt)率先對這種想法加以應用,提出了宇宙“預幾何相”假說(pre-geometric phase),認為從某種暫時還未知的結構中、尚未演變出時間和空間的概念。在此之後,物理學家對量子宇宙學展開了進一步研究,試圖用量子的語言描述一個簡單的宇宙模型。近幾十年來,科學家們提出了幾種有所不同、但又相互聯系的宇宙“預幾何相”概念。這些模型的共同點是,都認為經典宇宙不曾經歷“奇點”,而是從預幾何相直接過渡到了愛因斯坦公式所描述的時空狀態。構建這樣一種模型的困難之處在於,我們目前的量子引力理論還不夠完整,因此無法詳細描述宇宙的預幾何相模型。
  為解決這個技術難關,帕德馬納班等人引入了“宇宙信息”(cosmic information)的概念。近年來,越來越多的科學家認為,信息應當在物理學的描述中扮演了重要角色。這一概念是在科學家試圖將量子理論與引力理論相結合的過程中逐漸興起的。在一部分這樣的模型中,還出現了“全息”的概念,即某塊區域內部的信息內容可能與邊緣處的信息內容有關。但不幸的是,對這些信息的數學描述在不同情境下也有所不同,且科學家尚未找到適用於所有情況的統一理論。因此,為把信息的概念應用到整個宇宙,我們首先要為它找到一個在物理上合情合理的解釋。

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愛因斯坦稱自己向公式中加入宇宙常量可謂大錯特錯。但如今物理學家認為,這一修改是有積極價值的。


  我們對宇宙信息的定義可以通過打比方來說明。當一塊冰融化成水時,會經歷從固態到液態的過渡。這個過渡的實際過程可能非常復雜,但這塊冰里的原子總數和水中的原子總數完全相同。這個數字就代表着該系統的自由度,在過渡過程中始終保持不變。宇宙誕生所經歷的過渡也可能類似於這個過程,也可以由一個特殊數字來描述。這個特殊數字能夠將預幾何相宇宙的自由度與經典時空的自由度聯系起來。科學家把這個數字命名為“CosmIn”。利用CosmIn,我們就可以把宇宙的兩種相聯系起來了,同時還能避開完整的量子引力模型帶來的種種復雜問題。
  作為一個物理上可觀察的數字,CosmIn必須是有限數。事實上,如果不考慮奇點,所有物理量都應該是有限的。此外,帕德馬納班等人還證明,只有當宇宙在較晚期才開始加速擴張時,CosmIn才會是有限數。而這恰恰是我們如今觀測到的情況。這種聯系不僅說明宇宙常數的存在有着重要原因,還提供了一種計算其數值的方法——前提是我們知道CosmIn的值是多少。
  CosmIn在宇宙預幾何相或量子引力相的值可以由幾種量子引力模型反復得出的結果確定。結果發現,從量子引力相轉移到經典相的總信息量必須與一個簡單的數字相等:4π,僅相當於一個半徑為一單位的球體表面積。這等同於一個半徑為一單位的球體的每單位表面積上都分布有一單位信息。利用這一事實,我們就可以把宇宙常數的數值與宇宙從量子引力相過渡到經典相的能量標度聯系起來。
  而這一過渡能量標度又能與宇宙的第二大謎團聯系起來,即後來演變為現代星系和星系團的早期宇宙微弱波動的強度。為計算這些波動的規模,最普遍的做法是利用宇宙的暴漲模型。該模型認為,早期宇宙曾經歷過一段規模巨大、速度極快的膨脹期。但此類暴漲模型有許多,且形狀和規模都不盡相同,可以通過刻意設計、計算出任何想要的值。值得注意的是,這種原始波動的形狀最初由愛德華·羅伯特·哈里森(Edward Robert Harrison)和雅科夫·澤爾多維奇(Yakov B。 Zeldovich)於1970年分別獨立計算得出,故得名“哈里森-澤爾多維奇譜”(Harrison-Zeldovich spectrum)。但很多人並未意識到,哈里森早在後人提出暴漲模型的十幾年前就得出了這一結果!
  帕德馬納班等人的模型可以將宇宙常數的數值和原始波動的規模這兩個重要數字與預幾何相宇宙過渡為如今的經典宇宙的能量標度聯系起來。選對了合適的能量標度後,帕德馬納班等人就可以算出與這兩個物理量觀測值相符的值。這樣一來,宇宙常數、原始波動的強度、以及CosmIn的值之間就建立起了代數聯系。這個關系也可以倒過來看,可以利用兩個宇宙參數的觀測值驗證CosmIn是否真的為4π。事實證明,這套理論非常經得起考驗。從觀測結果推出的CosmIn的確等於4π,誤差僅為1千分之一。
  兩個看似無關的宇宙參數結合起來,竟能得到如此簡單的一個數值,實在令人訝異不已。傳統宇宙學肯定會認為這不過是數字上的巧合而已。但帕德馬納班等人認為,這揭示了宇宙的一個深藏不露、又格外美麗的真相。
  這應該是科學家首次嘗試將宇宙常數與早期宇宙波動的強度聯系在一起,也是首次通過參數不可調整的模型推斷出這兩個數字,並將二者與經典宇宙誕生時的能量標度聯系起來。
  此外,這些理論都與量子引力的大框架相契合。盡管科學家對量子引力的研究已將近50年之久,但仍未建立起完整理論。而帕德馬納班模型的優勢在於,不需要詳細的量子引力理論也可以說得通。但該模型也提供了兩條有關量子引力和時空結構的重要線索:首先,時空應被視作由顯微級別的自由度構成,就像物質由原子構成一樣;其次,正確的宇宙起源理論應當包括宇宙從預幾何相向經典相的過渡。
  這些線索還可以解答一個關鍵問題:為何理論學家歷經數十年的研究、仍無法將引力理論與量子理論合並起來。要解釋這一點,可以再打一個比方:我們知道流體力學是一套自洽的物理理論,可以用一系列公式來表達。如果以這些公式為基礎,把量子理論法則套用到上面,我們就會發現一些有趣的新現象,如聲子(用來描述晶格振動的一種能量量子)和它們之間的相互作用等等。但利用這種方法,我們將永遠也弄不清楚物質的量子結構。
  有證據顯示,從這個角度來看,描述引力的公式與描述流體力學的公式頗為相似。換句話說,用量子理論重新闡釋引力公式就類似於用量子理論闡釋流體力學公式。但我們尚未從這一角度弄清時空的量子本質,而帕德馬納班等人相信,這也許就是科學家們試圖統一引力理論與量子理論、然而數十年來屢屢失敗的原因。
  相反,我們需要重新審視引力的本質,透過它來分析時空的微觀結構。物理學家路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)正是藉助這一方法,發現物質需由離散自由度(即原子)構成,才能滿足各種熱現象的要求。玻爾茲曼的意思是,只要某物能發熱,就必須由微觀自由度構成。
  而時空也可以擁有溫度,因此對特定觀察者而言,也可以是“熱的”。這一理論最初由雅各布·貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)和霍金針對黑洞這一特殊情境提出。不久之後,到了上世紀70年代中期,比爾·昂魯(Bill Unruh)和保羅·戴維斯(Paul Davies)的研究顯示,這其實是時空的普遍特徵。如果把玻爾茲曼的理論與這一事實相結合,就能得出結論:時空一定具有內部自由度,就像物質內部由原子構成一樣。近年來,有越來越多的理論證據為這一結論提供支持。這一現象將成為我們弄清時空微觀結構的關鍵,很快便幫助科學家得出了三個重要結論。
  首先,一片時空區域的演變過程可以用區域內部和邊緣處的自由度(或信息內容)來描述;其次,當能量等級為零時,引力不會發生任何變化。在愛因斯坦的理論體系中,引力會對絕對能量做出反應,導致宇宙常數完全不可能被計算出來。但如果以信息內容為基礎,就不會遇到這個問題了;第三,這種從信息出發的思考方式說明,我們不應該用愛因斯坦等式的某個特定解法來描述宇宙的演變。相反,有另外一套公式可以更精準地描述時空的量子自由度,愛因斯坦的這些公式還不夠精確,只是處在一個合適的限度內。
  這套理論已經通過CosmIn模型得到了驗證,並讓我們對宇宙有了另一種全新的、生動的認識。宇宙就像一大塊冰,其中有一小點熱源。熱源周圍的冰會逐漸融化,在冰塊中生成一塊由水構成的區域。而這塊區域還會不斷擴大,直到達到局部熱力學均衡狀態。放在大尺度上來看,由於這塊冰是從內到外加熱的,靠近其邊緣處的分子尚未達到均衡狀態。真正的宇宙與這個比喻極為相似。充滿水的區域可類比為愛因斯坦理論中描述的可觀測宇宙,周圍環繞着由目前尚不了解的量子引力理論描述的預幾何相宇宙(可類比為冰)。宇宙大爆炸的概念完全被抹去了,取而代之的是在邊界處從一種相向另一種相的過渡。這樣一來,宇宙早期的“暴漲期”也沒有了存在的必要。
  這個框架簡單而雅緻,因為它可以用一個簡單的參數來描述:即早期宇宙從預幾何相向愛因斯坦幾何相過渡的能量標度。這不同於標准暴漲模型,不包含任何未經檢驗的物理原理。帕德馬納班等人唯一所做的推斷是,宇宙的信息內容應當等於4π,即一個單位球體的表面積。
  這項研究為未來的研究工作提供了三個方向:首先,它鼓勵我們用不同的量子引力模型進一步探索預幾何相宇宙的物理規律;其次,我們可以對這項研究中“宇宙信息”的概念展開探索,並試圖將其與其它情境中類似的信息理論聯系起來;最後,它進一步鞏固了“時空由基礎自由度構成”這一理論,並激勵我們對不同的時空相加以研究。




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