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betway必威官网手机版重力已经营救过宇宙二回了

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-09-07 05:15

betway必威官网手机版 1本文要讲的大爆炸,不是这个大爆炸…… 图片来源:维基百科

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betway必威官网手机版 3引力很可能在大爆炸之后的暴胀时期,就已经拯救过我们这个宇宙了。图片来源:huffpost.com

宇宙产生于一个无限密实的小点,之后逐渐膨胀,宇宙的膨胀会因引力作用逐渐慢下来,这就是大爆炸宇宙论。事实是否如此呢?答案似乎是否定的,因为宇宙中的物质太少,它们的引力无法将逃离的星系重新拉回来,宇宙将一直膨胀下去。

(文/ Stephen Battersby)对于我们的眼睛来说,星星即是宇宙。然而对于宇宙学家而言,它们不过是闪烁的尘埃,是宇宙真相中不起眼的点缀而已。有两样难以捉摸的东西,数量远远超过普通的星星和气体,分别被称为暗物质和暗能量。我们对它们一无所知,只知道它们似乎构成了宇宙中的几乎所有一切。

开宗明义,今天讲大爆炸,不是乐队大爆炸之思密达,也不是生活大爆炸之夏侯惇,今天我们讲热大爆炸宇宙学,之前传。

图片来源:Wokenmind

欧洲物理学家的一项新研究,或许可以解释宇宙在大爆炸之后为什么没有立即坍缩掉。

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这对孪生的幽灵足以让我们暂时停下脚步,思量在过去的一个世纪里,我们仔细建立的宇宙学模型是否正确。还不仅于此。我们的标准宇宙学模型还指出,在大爆炸之后的瞬间,空间就被一种未知的东西拉伸成形,这第三种“暗”成分被称为暴胀场。这可能意味着,在我们视线之外还隐藏着无数其他宇宙,其中的大多数另类得不可思议——而它们的存在,只是为了让我们的宇宙模型能够发挥作用。

热大爆炸宇宙学,讲的就是我们现在这个宇宙在膨胀。

宇宙大爆炸在科学界已经成为一个常识,但是,宇宙大爆炸之前的原初宇宙到底发生了什么,却一直没有定论。在两项研究中,物理学家发现,重粒子构成的原初标准时钟或许能帮助我们窥探原初宇宙的形态。

希格斯粒子是粒子物理标准模型所预言的粒子,给所有基本粒子赋予了质量,2012年在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)中被发现。对希格斯粒子的研究已经指出,在宇宙极早期的加速膨胀阶段(也就是暴胀时期),希格斯粒子的产生,应该会导致宇宙不稳定并直接坍缩掉。

1964年对天文学,尤其是对宇宙学来说,可谓标志性的一年。是年,“宇宙大爆炸”理论终于成为关于宇宙起源的主流学说。接着,美国贝尔实验室的两位工程师终于发现了宇宙微波背景辐射,那是理论家一直预言的大爆炸的余烬。

让我们的观测承载起这些幻影,负担是否太过于沉重?难道真如马克·吐温(Mark Twain)所言,投入一些微不足道的事实,就能收获一大堆猜测不成?

吃瓜群众不耐烦了:“我等着爆炸听响儿呢,你讲个球宇宙膨胀!”

2015年,陈新刚与王一等研究人员在对原初宇宙模型的研究中发现,宇宙大尺度的不均匀性与标准时钟有很密切的关系。在此基础上,最近,哈佛大学的鲜于中之等人提出,可以通过一种更易观测的方式,将标准时钟与宇宙不均匀性联系起来。相关论文在PRL上发表以后,得到了美国物理学会网站的亮点报导。为此,《环球科学》特别邀请到了鲜于中之博士,请他对这一问题撰写了详尽的科普文章,以飨读者。

科学家正想方设法要弄清楚,为什么这件事情没有发生。他们已经提出了许多理论,认为必定存在某种现在还没有被发现的物理学新规律,才能够解释我们宇宙的起源。不过,英国伦敦帝国学院、丹麦哥本哈根大学及芬兰赫尔辛基大学的物理学家认为,这个问题还有一个更加简单的解释。

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标准宇宙学的物理基础是爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦出发点是一个简单的观测事实:任意物体的引力质量完全等同于它的惯性质量,也就是它抵御加速度的能力(参见《牺牲爱因斯坦 颠覆相对论基石》一文)。由此,他推导出了一组方程,描述质量和运动如何弯曲空间,以及这种弯曲如何被我们视为引力。苹果落地正是因为地球的质量弯曲时空所致。

好,太形象了!我们现在就把宇宙膨胀想象成一个膨胀的球(嗯,这就一个形象的想象。我们的宇宙大概是平的,目前还没有证据说宇宙顶个球)。现在我们生活在一个大球上,越来越大。换句话说,在宇宙特别早期,这球特别小。早期宇宙中的各路物质和辐射挤在一起,所以这球特别致密,特别炎热。

撰文 | 鲜于中之

这些科学家在《物理学评论通讯》(Physical Review Letters)上介绍了这项新研究,描述了时空的弯曲(即引力)如何为宇宙提供了必须的稳定性,从而使它能够“存活”过最初那段疯狂膨胀的阶段。他们研究了希格斯粒子与引力之间的相互作用,考虑了这种相互作用如何随能量变化而改变。

第三个大发现,是天体物理学家早就预言的中子星。

在地球这种引力相对较弱的环境中,广义相对论的效果看起来跟原先牛顿引力理论的预言非常相似。牛顿理论把引力当成一个作用力,在物体之间瞬间传递。然而,在引力场较强的地方,两者的预言就会大相径庭。广义相对论多出了一个预言:加速运动的物体会在时空结构中产生微小涟漪,被称为引力波。虽然引力波尚未被直接观测,但1974年发现的一对致密脉冲星在相互旋转的过程中正在彼此靠近,就好像它们正在发射引力波,从而损失轨道能量一样。

那宇宙的特别特别早期呢?特别特别特别早期呢?约140亿年前,宇宙趋向于无穷炎热。都无穷了,没法再亲热了。我们把这个时候当成一个开始吧,就是宇宙的热大爆炸,简称大爆炸。(人艰不拆,不要老跟人家早期宇宙提热,正没处冒汗呢!)

编辑 | 张华

他们证明,就算相互作用微弱,也足以稳定宇宙防止它直接坍缩。

半个世纪过去了,宇宙学的进展又如何呢?

引力在宇宙尺度上是自然界的主导力量,因此广义相对论就成了我们把宇宙当成一个整体,描述其运动及演化的最佳工具。但是它的方程极其复杂,可调节的参数多到让人发悚。如果把一套复杂的参数代入方程,比如真实宇宙中质量和能量纷繁复杂的分布细节,整套方程就会变得无法求解。为了建立一个有效的宇宙学模型,我们做了一些简化假设。

betway必威官网手机版 6宇宙膨胀,就好像一个膨胀的球。图片来源:Phys.org

"大爆炸之前"的原初宇宙

英国伦敦帝国学院的物理系教授阿勒都·拉扬蒂耶(Arttu Rajantie)说:“粒子物理标准模型,被科学家用来解释基本粒子及其相互作用,但迄今仍然无法提供一个答案,回答宇宙为什么没有在大爆炸后直接坍缩掉这个问题。”

繁星闪烁的夜空给人一种深奥莫测的感觉。但对宇宙学家来说,远远超过它们的,是两个神秘的客体,即暗物质和暗能量。我们不知道它们是什么,它们似乎就是一切。

最主要的假设被称为哥白尼原理,即我们所处的位置并无任何特殊之处。宇宙在任何地方看起来都应该差不多是一样的——事实上,当我们在足够大的尺度上放眼望去,物质分布确实是相当均匀的。这意味着,爱因斯坦方程只需要代入一个参数就够了,那就是宇宙的物质密度。

吃瓜群众要问了:“人家核试验搞大爆炸还得准备一个,你宇宙大爆炸怎么说炸就炸出来了?”

物理学家告诉我们,宇宙在大约137亿年前发生过大爆炸。“宇宙大爆炸”的说法妇孺皆知,可是,大爆炸之前呢?

“我们的研究调查了标准模型最后的那个未知参数——希格斯粒子与引力的相互作用。这个参数无法在粒子加速器实验中进行测量,但它对暴胀时期希格斯的不稳定性有很大的影响。就算是一个相对较小的数值,也足以在不需要任何新物理学规律的情况下,解释宇宙何以‘存活’下来!”

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betway必威官网手机版 8对于我们的眼睛来说,星星即是宇宙。然而对于宇宙学家而言,它们不过是闪烁的尘埃,是宇宙真相中不起眼的点缀而已。图片来源:NASA

这问题问得太有水平了!这里我们不说超越视界的关联函数,不说宇宙的平坦性问题,就跟亲掏心窝直说,这宇宙大爆炸还真得准备一个。这宇宙大爆炸不仅要拍前传,而且剧本还有好几本。

这问题初看起来荒诞不经,但物理学家近年来已开始寻找回答它的线索。他们发现,下一代宇宙学观测或许就能为我们提供答案。

研究团队计划利用宇宙学观测继续他们的研究,更深入地研究这种相互作用,解释它在早期宇宙的演变过程中发挥了什么样的效果。确切地说,他们将利用欧洲空间局当前及未来的任务来测量宇宙微波背景辐射和引力波,并对那些数据作进一步的分析。

这一对幽灵使我们怀疑,科学界花了半个世纪小心翼翼建立起来的宇宙学模型是否正确。根据我们的标准宇宙学说,在大爆炸后一瞬间,宇宙中介入了一个暗的、未知的客体,学界称之为暴胀场(它具有斥力,类似暗能量,但远比后者强烈得多)。这就意味着存在无数宇宙,它们绝大多数跟我们的宇宙大不一样,隐没在我们的视线之外。

最大的错误

爱因斯坦在他自己建立的第一个简化宇宙模型里填满了均匀分布的无碰撞尘埃,结果这个宇宙会在自身引力作用下收缩。他把这种收缩视为一个问题,因此为了避开收缩,他在方程中添加了新的一项,使得真空本身获得了一个恒定的能量密度。它的作用是排斥,因此加入适量的这种“宇宙学常数”,就可以确保宇宙既不膨胀,也不收缩。到了20世纪20年代,当观测表明宇宙确实正在膨胀时,爱因斯坦将他的这个举动称为是他最大的错误。

把相对论方程应用于膨胀宇宙的是其他人。他们得到了一个模型:宇宙始于一个密度高到难以想象的小点,膨胀速度则在物质引力的作用下逐渐放缓。

这就是大爆炸宇宙学的由来。当时的主要问题在于,宇宙膨胀最终会不会停下来。答案似乎是否定的:宇宙中的物质太少,引力不足以束缚住四散逃逸的星系。宇宙应该会永远向外扩散下去。

接下来,宇宙幽灵便开始浮现。第一位黑暗使者早在20世纪30年代就已登门,但直到20世纪70年代末,当天文学家发现星系自转速度太快时,它才被人完全认清。可见物质的引力太弱,根据广义相对论,甚至直接依据古老的牛顿物理学,它们都应该无法维系住这些星系才对。天文学家得出结论,必定存在大量看不见的物质,提供了更多引力来维系星系。

暗物质的存在也得到了其他证据的支持,比如星系群的运动以及它们弯曲光线的方式。第一代星系在形成之初,也需要它们帮忙先把物质拉拢在一起。总而言之,暗物质的总质量似乎是可见气体和恒星的5倍左右。

但暗物质的成分仍然未知。它们似乎是粒子物理学标准模型之外的东西。尽管我们尽了最大的努力,还是没有在地球上观测到或者是创造出一个暗物质粒子。不过,它对宇宙学标准模型的改变并不大:在广义相对论中,暗物质的引力作用和普通物质完全相同,然而即便有这么多能够产生引力的物质,也不足以让宇宙膨胀停下脚步。

第二位黑暗使者引发了一场更深刻的变化。20世纪90年代,天文学家对Ia型超新星的爆发进行了观测,这种方法能够追踪宇宙膨胀的速度,精度远远超过以往。他们发现宇宙膨胀正在加速,似乎有某种斥力作用于整个宇宙,正在全面压制物质间的万有引力。

提到大爆炸以前,其实也没啥深奥的。就好比炸弹爆炸以前还有个还没爆炸的炸弹,宇宙大爆炸以前还是有宇宙、时间和空间的。我们问的只是那个热乎的宇宙是怎么爆炸出来的。怎么爆炸出来的呢?可能的理论还不少,咱们一一道来。

从上世纪初至今,观测与理论的积累使物理学家逐渐意识到,宇宙并非静态不变的固定舞台,而是在不断膨胀。飘然浮游于宇宙中的星系,因之而彼此远离。

“我们的目标是利用宇宙学数据测量引力与希格斯场之间的相互作用,”拉扬蒂耶教授说,“如果我们能够做到这一点,我们将填上粒子物理标准模型中最后一个未知数字,可以更靠谱地回答这个基本问题——‘我们如何会出现在这里’。”(编辑:Steed)

我们标准宇宙模型的物理基础是爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦出于一个简单的观察,发现所有客体的引力质量正好等于对其加速的反抗力,也即惯性质量。从这里,他推导出一些方程,说明空间如何被质量和运动所弯曲,以及我们如何把时空的弯曲看作引力。苹果掉到地上,按爱因斯坦的说法,是因地球的质量弯曲了时空。

精确的配方

这有可能是爱因斯坦宇宙学常数的再生,即真空中一种能够产生排斥的能量。然而,粒子物理学家仍在纠结,为什么空间本身隐含着这么小的能量密度。于是,富有​​想象力的理论学家提出了其他想法,比如由尚未发现的粒子产生的能量场,再比如源自可观测宇宙之外或者从其他维度“渗透”过来的作用力。

不管这种暗能量是什么,它看起来足够真实。大爆炸后仅37万年,第一代原子形成时释放的辐射,如今已成为宇宙微波背景辐射。微波背景中包含着某种图案,由温度稍高和稍低的斑点构成,分别代表着年轻宇宙中密度稍高和稍低的地方。这些斑点的典型尺度可以用来衡量,空间作为一个整体,被其中的物质及其运动弯曲到了何种程度。结果表明,空间看上去几乎是完全平直的,这意味着所有能够弯曲空间的效应必定都相互抵消掉了。这也意味着,必需要有某种额外的斥力,来平衡由于膨胀和物质引力产生的弯曲。星系在空间中的分布模式也给出了类似的结论。

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WMPA探测器发现,宇宙微波背景辐射中温度稍高和稍低的点构成了某种图案,这种图案告诉我们宇宙在整体上几乎是平直的。图片来源:mit.edu

所有这些观测证据,让我们得到了宇宙的一份精确配方。空间中普通物质的平均密度为每立方米0.426幺克(1幺克等于10-24克,0.426幺克大约相当于0.25个质子),占宇宙总能量密度的4.5%。暗物质占了22.5%,暗能量则占到了73%。基于广义相对论的大爆炸宇宙模型与我们的观测符合得极好——只要我们能够坦然接受“虚构”出来的那95.5%的宇宙。

不过,我们还必须“发明”更多东西才行。为了解释宇宙为什么在所有方向上看起来都均匀到如此极致,今天的主流宇宙学理论还包含第三种诡异的成分。在宇宙年龄只有10-36betway必威官网手机版重力已经营救过宇宙二回了,那大爆炸从前呢。秒时,一种压倒性的力量接管了整个宇宙。这种被称为暴胀场的东西,像暗能量一样表现为斥力,但要强大许多,导致宇宙爆发式膨胀了至少1025倍,拉平了空间,还抹去了所有的整体不规则性。

这段被称为暴胀的时期结束时,暴胀场转变成了物质和辐射。暴胀场中的量子涨落,变成了密度上的细微起伏,最终演变成宇宙微波背景中的斑点,以及今天的星系。这个梦幻一般的故事,看起来与观测事实也是相符的,但它也再次引入了许多“空想”出来的概念。对于广义相对论而言,暴胀并不麻烦——在数学上,它只需要再加上一个跟宇宙学常数完全相同的项即可。但是,这个暴胀场在某一时刻必须百分之百构成宇宙中的全部成分,而它的起源则与暗物质或暗能量一样,提出了一个大难题。更重要的是,暴胀一旦开始就很难停止:它会创造出众多与我们的宇宙风格迥异的宇宙。在一些宇宙学家看来,预言存在多重宇宙成了一个迫切的理由,逼着他们去重新审视标准宇宙学的基本假设。

标准宇宙学模型在观测上也遇到了一些小麻烦。大爆炸在理论上能够产生的锂7,要比宇宙中的实际含量高出许多。微波背景辐射中某些特征似乎能够排列成行,特定视线方向上的星系看起来似乎更倾向于左旋自转,这些都无法用标准模型来解释。新发现的一个长达40亿光年的超星系结构,也对宇宙在大尺度上平滑均匀的假设提出了质疑。

betway必威官网手机版 10宇宙大爆炸之前,是什么过程引发了大爆炸呢?图片来源:solarviews.com

从现今的观测事实出发,藉由物理定律的向导,我们得以沿着时间的长河逆流而上,获知宇宙演化的历史。通过多种宇宙学观测和理论的相互映证,我们能够将宇宙的“信史”追溯到百亿年前。那时的宇宙致密而炽热,有如一团燃烧的天火。时间越早,这团火焰的温度越高。

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黑暗三重奏

随着更多观测数据的出炉,或者计算方法的改进,这些小麻烦很可能会自行消失。但更大的问题仍然存在。美国哈佛大学的宇宙学家、率先发现暗能量的超新星观测组成员罗伯特·克什纳尔(Robert Kirshner)说:“这我们不知道暗能量是什么,也不知道暗物质是什么,这或多或少会让人有一点尴尬。”

自爱因斯坦那个满是尘埃的宇宙模型开始,宇宙学的数学基础就再也没有发生过变化,但不断添加的成分使得今天的宇宙模型更具活力,也体现了更多的细节。宇宙的年龄和构成已经被了解得相当精确。暗物质似乎已经创造出了星系和其他结构;暗能量暗示宇宙将加速膨胀,步入一个寒冷而孤寂的未来;暴胀则指出宇宙诞生于剧烈动荡之中。这三驾黑暗马车,每一驾都指向了全新的物理学。

betway必威官网手机版 12宇宙中的可见物质,只占宇宙总能量密度的4.5%,其余95.5%的成分仍然未知。图片来源:《新科学家》

克什纳尔将其视为一个挑战,“这并不意味着我们的观点有任何缺陷。它带来的不是绝望,而是灵感。”但是,只要我们还没有在实验室里找到暗物质的证据,或者证明暗能量的物理基础,我们就有可能仍然深陷于某种根本性的误解之中——或许,我们关于宇宙的数学模型出了某个非常基础的岔子,基础到了迄今为止还没有人想象得出这个错误会是哪一种形式,只是一个未知的未知。量子引力论能告诉我们前进的方向吗?抑或,一些新的观测能指引我们再次改写建立在广义相对论基础之上的宇宙学吗?

我们只有一些最含糊的线索,指引我们去寻找替代的宇宙学模型。但或许,我们只需要摈弃一个没有人注意到的关于现实的假设,帷幕就会升起,所有的黑暗随即烟消云散,繁星之夜将再现光芒。

 

编译自:《新科学家》,Physics crunch: The dark void at cosmology's heart

前传四大剧本:暴胀弦气火劫反弹

早期宇宙第一大剧本叫暴胀。暴胀宇宙学认为,宇宙早期加速膨胀。

吃瓜群众:“牛顿说了,引力是吸引的,所以宇宙不能加速膨胀。”

可是啊,这个宇宙的神奇早就超越了正常人能想象的下限。当前宇宙加速膨胀已经在1998年被发现了,早期宇宙凭啥不能?看到现代宇宙学居然长这样,爱因斯坦都得一脸懵文明用语。在早期宇宙言必称牛顿,小心让人当牛给炖了。

其实,如果宇宙的主要成分一直是本本分分的物质,不乱跑、不打滚,那么牛顿引力还是可以勉勉强强描述宇宙演化的。可惜,宇宙中曾经充满了乱跑的辐射(速度约光速的相对论性物质,压强很大,牛顿引力不能描述过大的压强)和打滚的场(比如电磁场就是一种场,这里我们主要考虑更简单的“标量”场,滚动的场可以造成负压强)。这些货,牛顿引力就hold不住了。特别是慢慢滚开着的场,破坏了引力要吸引的规章,引领早期宇宙加速膨胀,是为暴胀。目前我们还不知道暴胀期间宇宙的能量有多高。不过一般认为,暴胀期间宇宙的能量标度可达目前对撞机(比如大型强子对撞机)能量的10的10次方倍。暴胀末年,驱动暴胀的滚开场陨落,衰变成乱跑的辐射。从此大爆炸前传收场,热大爆炸开篇。

betway必威官网手机版 13暴胀宇宙学,关键在于宇宙加速膨胀。现在的宇宙,就正在加速膨胀。图片来源:Coldcreation

暴胀宇宙学获得了巨大的成功和大多数物理学家的青睐。不过,除了暴胀,也有几个其它候选剧本,在一定的设定下也能解释目前的观测。

比如弦气宇宙学。大家注意发音,跟我念,弦~气~宇宙学,不是嫌~弃~宇宙学。弦气宇宙学认为,“天地有正气,杂然赋流形”。要说正气,粒子组成的普通气体不够正。咱考虑用弦组成的全息气体。【啥叫粒子啥叫弦?参见嘎达汤对决面条;啥叫全息?你头脑里想啥(空间体积中的信息),都从脸上看出来(全然体现于其边界),这是一个看脸的世界。】弦组成的气体,杂七杂八地束缚在时空流形上,拖累得宇宙只能缓慢膨胀。直到最终,束缚解开,宇宙大爆炸正剧开场。至于怎么具体描述缓慢膨胀的弦气,还需进一步研究。

比如火劫宇宙学。古人说“凤凰身宇宙”,那宇宙能不能像凤凰一样涅槃一个?火劫认为,宇宙早期缓慢收缩,通过火劫,反弹成膨胀的宇宙。要问火劫宇宙有啥困难,看过修仙小说没?困难就是渡劫。一旦没渡好,把宇宙轰成渣了,还能不能接着好好膨胀,假装岁月静好?如何渡劫,是火劫进一步研究的关键。要是再有点追求,修仙小说的主角哪有只渡一个劫的?丘处机说,“任循环宇宙,不管东西”。宇宙循环着渡劫,就成了循环宇宙分剧本。

betway必威官网手机版 14宇宙早期有可能是另一个宇宙,缓慢收缩然后再反弹膨胀。图片来源:pbs.org

再比如非奇异反弹宇宙学。和火劫不同,非奇异反弹在收缩的时候麻利点,不磨磨蹭蹭,然后反弹的时候温柔点,不渡劫。这主意不错。不过收缩的时候太麻利,把宇宙整的太不均匀不各向同性了咋办?“不患寡而患不均”。要是宇宙不各向同性了,重新把宇宙熨平的麻烦可不是盖的。

当然,就算不幸的剧本各有各的不幸,存在替代剧本总是件好事。人们评价好坏,都是相对而言。没有垫背的,怎么知道暴胀剧本好?所以说,就算思想再正统,别埋怨人家“异端塞宇宙,不能别渭泾”。再说,就算替代剧本目前还不那么靠谱,但是万一哪天实现了呢?

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相对来说,在一个较小的引力环境中,广义相对论的效应类似于早先的牛顿理论:他把引力视为在一个瞬间通过两个个体之间的力。但在强引力场中,二者的结论就十分不同了。

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大爆炸前传,到底闹哪样?

说了半天,这么多剧本,到底演哪个?

作为一名理论工作者,我负责任地告诉各位,物理学是一门以观察和实验为基础的科学。剧本彼此不服?跑个分呗!(科学实验中跑的分,就是利用卡方统计及其推广,对比理论预测和观测数据,以此区分哪个理论更加符合观测。)

这分怎么跑?可不是装个app那么简单。因为我们生活在大爆炸140亿年以后,没办法回到大爆炸以前,把大爆炸之前的影像,一帧一帧地偷拍回来。虽然我们看得越远,时间越早,但是大爆炸以后宇宙要过38万年才变得透明。大爆炸之前的宇宙,不给人类看透。

好在,我们还有间接的办法。通过观察现在的宇宙,不同地点密度变化的关联函数,确实可以得到一些大爆炸以前的信息。但是,还是用电影来打比方,我们目前得到的信息好比电影预告片:看着精彩,但是不知道每个镜头之间的时间顺序。按不同剧本,宇宙可以加速膨胀(暴胀)、缓慢膨胀(弦气)、缓慢收缩(火劫)、迅速收缩(非奇异反弹),但是预告片上也没明说哪个镜头早,哪个镜头晚,相差多长时间。不同剧本的宇宙演化历史,预告片上看不出区别,咋整?

假如说一个电影预告片足够高清并且没有穿帮,那么应该会找到些时间的蛛丝马迹。比如眼尖的观众发现,有个演员戴的表上显示了日期,把预告片按这个表显示的日期顺序重排一下,问题解决,妥妥剧透。(演员:我去年……)

betway必威官网手机版 16原初宇宙中重粒子的振荡可以被用来作为标准时钟,以此揭示宇宙大爆炸的起源。图片来源:王一、陈新刚

2015年,陈新刚(美国哈佛大学)、Namjoo(美国麻省理工)和我把这招用在了宇宙学上,利用重粒子,提出了一个早期宇宙不同剧本的跑分方法。

重粒子和宇宙学有什么关系?这事说来话长。2009年,陈新刚和我开始研究早期宇宙中的一个配角,就是这重粒子。在早期宇宙中,重粒子戏份可能不是最多,但是足够出彩。这是因为,重粒子产生的宇宙密度关联函数,是关联函数界的一朵奇葩,和早期宇宙中的其它现象产生的关联函数相比,细看形容,与众各别:重粒子传(liu)播(da)的步伐稳定(量子力学中一个具有确定能量的状态,经过一定时间,波函数变化一个相位,这个相位使得关联函数随着形状不同而呈条纹状)。用我们2015年文章中的语言,重粒子溜达的步伐是一个标准时钟(详见《“原初标准时钟”有望揭示时空起源真相》一文)。也就是说,重粒子确实是戴表演员,可以给预告片中的片段标记时间顺序。

换句话说,把早期宇宙不同剧本中重粒子关联函数的理论预言,和未来对宇宙密度关联函数测量的实验数据相比较,其符合程度,就是区分早期宇宙不同剧本的跑分。

吃瓜群众:“没图没真相!”

好吧,你赢了,不同剧本理论上长这样betway必威官网手机版重力已经营救过宇宙二回了,那大爆炸从前呢。。

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理论终归是理论。这个跑分方法对未来实验技术提出了严峻的挑战。前面我们打比方的时候说,预告片要足够高清,以至于能看清个表。宇宙学中,为了给宇宙的密度拍出全高清预告片,还有待微波背景辐射、望远镜巡天、21厘米谱线等各种观测手段的发展。

直到距今大约137亿年前的某时刻,此番溯流而上的探险会遇到温度无穷高、密度无穷大的状态。现今的物理定律在此刻悉数失效,物理学家称之为“大爆炸奇点”。自然,如果将宇宙大爆炸理解为大爆炸奇点,那么谈论“大爆炸之前”是没有物理意义的。

在宇宙中,引力是统治者,因此,在模拟整个宇宙的运动和行为中,广义相对论是我们最佳的工具。然而,因为其方程极为复杂难懂,物理学家通常将其简化来求解。因为宇宙的物质分布相当均匀,只要将一个数据———宇宙的物质密度———带入爱因斯坦的方程即可。

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全程高能!早期宇宙对撞机

我们前文讨论的重粒子问题,也可以换个角度来看。为确定起见,我们按最流行的暴胀剧本来说。如果未来的观测看见了重粒子的奇葩关联函数,除了验证暴胀剧本,还告诉我们什么呢?

对,还告诉我们,发现了重粒子(就是说,要看见耍猴先得有个猴)。这是在什么情况下发现的重粒子呢?前面我们提到,暴胀宇宙全程高能,比人类可预见的将来制造的任何对撞机都要高能。所以说,啊,粒子物理对撞机上日夜盼望着的新粒子,啊!

吃瓜群众:“你一个搞宇宙学的,忽悠啥粒子物理?尼马!”

尼马:“喊我干啥?”

你心中的尼马可能是这样的:

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但物理学家心中的尼马可是这样的:

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此人全名尼马·阿尔卡尼-哈米德,乃美国普林斯顿高等研究院教授,同时还是中国高能物理前沿研究中心主任,江湖人称“头脑中的想法之多,装满了全息熵限”(于是脸上也仿佛露出了迷之微笑呢)。所以不要动辄一万头草莽的尼马呼啸而过,头脑中信息太多,小心形成黑洞毁灭地球。

尼马与皇马(全名:璜·马尔达西那,亦为普林斯顿高能研究院教授,曾创立AdS/CFT大法)在2015年撰文《宇宙对撞机物理》。此文析缕分条,进一步揭示了重粒子在早期宇宙中产生奇葩关联函数的物理机制。二马发现:重粒子的效应可以分为两类,量子涨落产生的虚粒子和时空几何热力学产生的实粒子。重粒子的奇葩关联函数正是由其中的实粒子部分产生的,条纹形的奇葩关联函数可以看成是重粒子在早期宇宙中的双缝干涉条纹。看到这样的条纹,重粒子,就是你,没跑了!仔细分析重粒子的干涉条纹,可以知道重粒子的质量是暴胀期间哈勃参数的几倍,以及重粒子的自旋,甚至对称性等信息。

那以后宇宙学观测中看到了重粒子咋办?是新物理学,还是粒子物理标准模型粒子穿了个马甲(德西特空间中的质量修正)?陈新刚,我,和鲜于中之(美国哈佛大学)在去年的一系列工作中,计算了粒子物理标准模型中的粒子在暴胀期间的表现。

要是发现的重粒子能和我们的计算对得上号,那么说明,粒子物理标准模型跨越了这么多能标还是没啥长进。这事听起来挺沮丧的。不过,“林间花自飞,物理不应悲”,也不是说人造对撞机实验上面就没新物理了。新物理可能藏在对暴胀不敏感的地方。这对于人造对撞机上去哪儿找新的粒子物理,具有参考价值。

betway必威官网手机版,要是发现的重粒子超出了我们的计算,那就出大事了。自从粒子物理标准模型创立,四五十年来,对撞机上发现的所有粒子还没有超出粒子物理标准模型。要是宇宙对撞机撞出一个(或者撞出一窝,多多益善),那就是在遥远的能标上,点亮了新物理学的星星之火。撞出的究竟是个啥?粒子物理中那么多超越标准模型的理论,穿上马甲秀一秀,总有一款适合你!

您看,大爆炸以前已经闹成这样了,还不赶快造台望远镜去看热闹走起~~(编辑:Steed)

不过物理学家当然知道,通过这样简单外推得到的结果并不完全正确。很可能,宇宙的演化在很早的某个时刻会偏离这种简化的外推。在此时刻之后,宇宙仍然按照标准的热膨胀图像演化。物理学家将称这一段或多或少得到观测验证的演化历史称为“热大爆炸”阶段,而在此刻之前,则需要新的理论来解释宇宙对热大爆炸的偏离。这段时间,物理学家称之为“原初宇宙”。因此,当我们提到“大爆炸之前”,就是指原初宇宙。

最初,爱因斯坦为了求解宇宙学方程,引入了一种不活泼的、分布密度均匀的尘粒。结果是,宇宙在其引力作用下开始收缩。爱因斯坦认为这是一个问题,因为当时科学界的观点是:宇宙应是恒稳态的。爱因斯坦对其方程略做修改,添加了一个新项,以保证真空空间中的能量密度处于不变,而其引力显现为排斥,也就是说宇宙是在膨胀。

暴涨或许并非唯一可能

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物理学家在过去几十年间提出了多种理论描绘原初宇宙的演化,其中一些还能解决大爆炸的若干理论疑难——比如可以解释为什么目前我们的宇宙极其平坦。

为此,他又引入了一个“宇宙学常数”,以使宇宙既不膨胀也不收缩。1929年,天文学家的观测表明,宇宙确实在膨胀。爱因斯坦称“宇宙学常数”为他的最大失误。

不过,对于今天的物理学家而言,原初宇宙理论最为迷人之处在于,它们对解释我们本身的存在至关重要。我们知道,物质在可见宇宙中的分布相当均匀、但又不完全均匀。在宇宙历史的早期,时空的不均匀性相当微弱。之后,在万有引力的作用下,不均匀性逐渐被放大,物质分布逐渐结团成块,渐渐出现了星系、恒星,最终才有了我们。

有些旋转速度极快的星系,其单个天体的惯性质量已经远超过维系整个星系存在的引力了,可它们还在这个星系里运转,完全没有逃脱的迹象。是什么在维系着星系的存在?

早期宇宙微小的不均匀性从何而来?这正是原初宇宙的理论需要回答的问题。在这些理论中,接受度最高的一种称为暴涨理论。该理论认为,宇宙在大爆炸之前,还曾经历过一段极为短暂而疯狂的快速膨胀,在这段也许只有千万亿亿亿亿分之一秒的时间内,宇宙以指数速度膨胀了大约百亿亿亿倍。由于驱动这段急速膨胀的能量极其巨大,时空自身也会感受到明显的量子涨落。这些量子涨落被飞速的膨胀迅速拉伸到很大的距离,最终成为宇宙在大尺度上不均匀性的种子。

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通过测量宇宙微波背景或者星系的分布,我们如今已了解了很多关于原初宇宙不均匀性的信息,并通过它们验证或证伪不同的暴涨理论。因此,讨论大爆炸之前的宇宙并不是虚妄之说,而是实实在在的物理问题。

此后,人们就应用这一相对论方程,来解释一个膨胀的宇宙。他们获得一个宇宙学模型:宇宙产生于一个无限密实的小点,之后逐渐膨胀,宇宙的膨胀会因引力作用逐渐慢下来,这就是大爆炸宇宙论。事实是否如此呢?答案似乎是否定的,因为宇宙中的物质太少,它们的引力无法将逃离的星系重新拉回来,宇宙将一直膨胀下去。

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随着观察技术的进步,宇宙“幽灵”开始出现。第一个关于暗物质的“噩耗”出现于20世纪30年代,不过那时只有个别天文学家承认它的存在。到了20世纪70年代,天文界观察到一些奇怪的现象,有些星系的旋转速度非常快,其相互之间的引力根本不足以把它们“拉住”,因此,科学家推断,在它们之间可能存在大量的看不见的物质提供着额外的引力,使星系得以维持,而不至于散架。星系群反射到地面的星光出现的弯曲和它们运行的状态,也反映着暗物质的存在。

图片来源:pixabay

总的来说,似乎需要5倍于可见物质的暗物质存在,才能解释上述现象。但至今人们还是难以摸清暗物质的特性,它似乎超越了粒子物理学的标准模型。虽然科学界付出了巨大的努力,但是我们还未在地球上看到或制造出暗物质。不过,它们只是稍稍改变了宇宙学的标准模型,在相对论中,认为其引力效应跟普通物质是一样的。这些暗物质引力太小,不足以阻止宇宙的膨胀。

不过,暴涨理论不是一种固定的理论,而是一群理论模型的总称:驱动宇宙指数膨胀的方式形形色色,各自都能预言一种特别的原初扰动不均匀性的样式。除此之外,物理学家也提出了各种非暴涨模型,解释宇宙在大爆炸之前的演化。在这些模型中,原初宇宙或收缩、或反弹,花样繁多,不一而足。这些模型有不少也能解释宇宙在大尺度上的不均匀与各向异性。尽管它们或许还有不少理论上的困难,但这些尝试提示我们,暴涨或许并非原初宇宙的唯一可能。

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原则上,通过细致测量宇宙大尺度的不均匀性,可以判定具体的暴涨模型。然而实际上,暴涨模型的构造相当灵活。似乎,无论物理学家观测到任何样式的不均匀性,理论家总能构造出一种暴涨模型来解释这种样式。于是有人怀疑,作为科学理论,暴涨究竟可以被证伪吗?说得更明确一些,原初宇宙的演化究竟是暴涨、还是大反弹、还是其他模型呢?有没有一种办法可以洞察宇宙大爆炸之前的演化呢?

理论上,在宇宙大爆炸发生之后,宇宙空间会因受到其中的物质和运动的影响而弯曲。可事实是,它几乎是完全扁平的,这意味着可能造成宇宙弯曲的力量被抵消了。是什么力量抵消了这些弯曲?

原初标准时钟:不同原初宇宙模型的判据

第二种看不见的东西,需要现有物理理论做出很深刻的改变才能解释。

膨胀还是收缩,这是一个问题。不过作为物理问题,我们不可用冥想来决断,而需以天文观测作答。本文题目中的“原初标准时钟”,正是通过天文观测解决这一问题的利器。

20世纪90年代,天文学家比以往任何时候都更精确地跟踪了宇宙的膨胀。他们测量了超新星Ia的爆炸,结果表明,宇宙在加速膨胀,似乎有一种斥力在起作用,它遍及整个宇宙。

“标准时钟”的工作原理,与一般的时钟无异。无论什么类型的钟表,都是以固定的节律运行的机器。所谓计时,就是记数节拍的数目。最初的钟表,节律的来源是单摆。伽利略年轻的时候,曾在教堂观察摆动的灯架,意识到单摆的固定节律,这是一个广为人知的故事。现在常见的石英钟,则利用了石英晶体将电流转化为周期振动的性质。无论如何,只要有固定的频率,就有可能用来计时。

而这可能是爱因斯坦“宇宙学常数”的复活,真空中存在的一种能量可以产生一种斥力。虽然粒子物理学家努力解释为何真空空间应具有很小的能量密度,但富有想象力的理论家却提出了多种看法。比如,宇宙中存在迄今未知的粒子,它能产生能量场;还有一种说法是这些能量来自可见宇宙外的力或者别的维度的能量。

量子世界的波粒二象性告诉我们,具有一定质量的粒子,对应于振动频率固定的物质波,从而可以被用作具有固定节律的时钟。在原初宇宙中,携带质量的粒子可以通过各种方式被制造出来,并以物质波的形式产生振动。这样的振动通过各种方式影响时空自身的涨落,从而在宇宙大尺度不均匀性上留下痕迹。原初宇宙中,携带质量的重粒子比比皆是。物理学家目前熟知的基本粒子,在原初宇宙中可能就很重,也许就可以用作原初标准时钟。参见鲜于中之:《宇宙学对撞机:两个极端尺度的交融》]

宇宙学家试图在宇宙微波背景辐射中寻求答案,因为它那里有早期宇宙的信息。宇宙微波背景辐射是大爆炸30万年后第一批原子发射的,构成了一幅昏暗的图形,揭示出幼年宇宙或密或疏的密度分布。通过一些典型的点,宇宙学家可以绘出其范围。理论上,宇宙空间会因受到其中物质和运动的影响而弯曲。可事实是,它几乎是完全扁平的,这意味着造成弯曲的力量被抵消了。是什么力量抵消了这些弯曲?

物理学家近来发现,重粒子作为标准时钟,将在今天宇宙的大尺度不均匀性中留下痕迹。在发表于2016年的一篇文章中,哈佛大学的陈新刚、Mohammad Hossein Namjoo,与香港科技大学的王一发现,原初宇宙中重粒子的量子涨落足以对时空自身的扰动产生影响。因此,现今宇宙大尺度不均匀性的三点关联函数有可能携带标准时钟的信息。

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在陈新刚、哈佛大学的Abraham Loeb与我最近的一篇文章中,我们发现,重粒子还将通过一种不同的方式影响大尺度不均匀性的两点关联函数。对于试图寻找标准时钟信号的实验家而言,这是个好消息。因为在实际观测中,测量功率谱远比非高斯性容易。

根据已有的数据,科学家列出了一张宇宙配方:宇宙中普通物质的平均密度为0.43×10-24克/立方米,占宇宙总能量密度的4.5%,暗能量为73%,暗物质为22.5%。

无论是功率谱还是非高斯性,标准时钟影响宇宙大尺度不均匀性的具体机制,都是相当技术性的问题。好在其物理本质,可以通过下面的类比来理解。

然而,我们必须建立一个精确的模型,以解释为何不论从哪个方向看,宇宙都显得十分均匀。今天被广为接受的宇宙大爆炸理论包含第三个奇怪的因素:在宇宙诞生后的一瞬间,出现了一个压倒性的力量———暴胀场。暴胀场引发了宇宙爆炸性的膨胀,使得宇宙的体积一下子扩大了1025倍。 暗物质似乎产生了星系和其他天体结构,暗能量意味着宇宙将加速离散,在遥远的未来,它将面临一个冰冷且孤寂的局面。而这一切,似乎意味着新的物理学的诞生。也许,我们一直生活在一个未知的、被深刻误解的世界之中。

原初宇宙中以固定频率振动的重粒子,仿佛以固定频率摆动的钟摆。我们在钟摆的下方放置一条纸带,使它沿垂直于钟摆摆动的方向运动,以此代表膨胀或收缩的宇宙。为了模拟重粒子与时空的相互作用,我们可以在摆锤中灌注墨水,从而能够在移动的纸带上划出痕迹。现在,如果你向一端拉动纸带,摆动的钟摆就会划出一条振荡的轨迹。不难理解,如果纸带向一方运动得越来越快,那么钟摆在纸带上划出的轨迹将越来越稀疏;反之,如果纸带减速移动,那么钟摆划出的痕迹将越来越密集。因此,通过纸带上轨迹的形状,我们就能推测出纸带运动的速度。

当暴胀期结束,暴胀场就转变为物质和辐射。场中的量子波动在密度上变化很小,它们最终成为宇宙微波背景辐射中的点,也即今日的星系。这个推断跟我们的观测事实相符,但它也给物理学概念带来了麻烦。暴胀场一度被视为宇宙的全部内涵,可宇宙的起始点仍含有许多谜,比如暗物质、暗能量,更有甚者,暴胀一旦开始就永不停止,它将创生许多宇宙区域,它们都将脱离我们的宇宙。这一多宇宙论,使得许多宇宙学家更坚决地要求修正标准宇宙学的基本假设。

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betway必威官网手机版 26同时,这个标准模型也面临着一些观测的质疑:大爆炸在理论上制造出的锂7,远多于它的实际存在;该模型未能解释微波背景辐射中的某些特征;为何沿着某个视线看过去,星系都偏向于左手自旋。而最近发现的一个超大星系结构,其尺度达40亿光年,使得之前的假设———宇宙在大尺度上是平滑的———遇到了挑战。" style="width:60%;margin:1rem auto">

这正是原初标准钟工作的原理:通过某种相互作用,重粒子将它频率固定的振荡印刻在时空自身的扰动中。如今,大爆炸前的重粒子已经衰变殆尽,但它在大爆炸之前振动的遗迹留在了时空背景的扰动中。通过寻找和辨认这些遗迹的形状,就能够推知原初宇宙究竟在膨胀还是收缩。前面已经提到过,这些扰动成为了我们现今宇宙大尺度上不均匀与各向异性的种子,最终决定了现今宇宙的物质分布。下一代星系巡天观测,如美国的LSST和SPHEREx卫星、以及欧洲的Euclid,将有机会大幅改善对大尺度不均匀性的测量,从而有机会捕捉到原初标准时钟的脉动在如今宇宙的物质分布中留下的蛛丝马迹。

{"type":1,"value":"也许这些问题会随着观测数据的增多自行消失,但有一个问题却难以解释。这个问题,就是哈佛大学的宇宙学家R.科什纳提出的———暗能量和暗物质究竟是什么?他曾参与20世纪90年代末那次揭示宇宙在加速膨胀的超新星观测。

暗物质似乎产生了星系和其他天体结构,暗能量意味着宇宙将加速离散。在遥远的未来,宇宙将面临一个冰冷且孤寂的局面。而这一切,似乎意味着新的物理学的诞生。也许,我们一直生活在一个未知的、被深刻误解的世界之中。

自从爱因斯坦的尘粒宇宙模型建立以来,其数学基础从未变动为基础建立的,只是填充了更多细节和动态。也许,真到了该修正的时候了。但是,如果我们不能在实验室里发现暗物质存在的证据,就难以建立关于暗能量的物理基础。

科什纳说,把这些问题视为挑战,“并不意味着我们的理论有缺陷。它给我们的是一种鼓舞,并非绝望”。在我们有关宇宙的数学模型中,存在着某种基本的差错,可是我们迄今仍未找出究竟错在哪里。

或许量子引力理论可以告诉我们应走向何方,又或许某个新的观察结果能够让我们重新构建相对论的宇宙学,这势必涉及相对论和量子论的结合。用相对论描述宏观世界,诸如星球、星系和宇宙,显得很可靠;而量子论在微观世界,诸如分子、原子和亚原子粒子上游刃有余。想要充分了解宇宙,我们必须知道它如何从一个微小的初生宇宙变成今日的状态。我们想回到大爆炸的起点,就必须把这两种理论结合起来。物理学家已为此花了近30年的时间,可是仍未有喜人的结果。为什么会如此艰难呢?

最关键的一点是,这两个理论仍处于不相容的状态。宇宙最本质的东西是时间和空间,可是这两个理论对它们的表述大不相同。相对论的时空是一个平滑的、四维的大片;而在量子论中,空间是由无数10-35米的小块组合而成的,并且从不将时间看成真实的、可观察的存在。

那么,这两个理论孰是孰非呢?大多数物理学家都认为量子论是“对”的。因为它的数学结构是如此成功,通过它可以看到世界。但另一方面,量子论的概念看上去是如此怪异而不合事实,是反直觉的,跟客观存在毫无相关性。就目前来看,科学家对这两种理论的结合并不看好。

也许,我们正处在新物理学诞生的前夜。

大多数物理学家都认为量子论是“对”的。因为它的数学结构是如此成功,通过它可以看到世界;可是,量子论的概念看上去是如此怪异而不合事实,是反直觉的,跟客观存在毫无相关性。

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