宇宙诞生大揭秘:从沉默中诞生?

[2015-07-17] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 分享到_微信朋友圈:

  从沉默中诞生

  每个人都知道,人在太空中的叫喊是不能被直接听到的,但并不是所有的人真正体会到了宇宙是有多么安静。宇宙的诞生虽然被称为宇宙大爆炸,但是事实上这个诞生的瞬间是极为安静的,因为在那个瞬间,空间中任何两点之间没有任何联系,它们都处于绝对的隔离之中。如果你在那时去叫喊,声音是不可能从你的嘴唇里发出来。

  我们过去所认为的时空是连续光滑的,而上面这种情况却违背了我们过去的认知。这种时空观,是把广义相对论和量子力学结合起来产生的怪异结果。

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  我们知道,广义相对论是目前描述引力最佳的理论,在分析恒星、星系等这样的物理对象时,它可以完全胜任。但是要是研究宇宙的大爆炸,广义相对论就不灵了。因为根据广义相对论,你就会发现宇宙是从一个很小、密度却是无穷大的奇点中诞生出来的,而广义相对论是无法处理无穷大问题的,所以只靠广义相对论是无法完整诉说宇宙诞生的故事。

  处理极小时空的问题,量子理论可以大显身手,不过目前的量子理论是不包含引力的,所以我们需要一种理论把广义相对论和量子力学结合起来,也就是一种可以描述量子引力的理论。

  现在物理学家已经提出了很多种能来把广义相对论和量子力学结合起来的理论。例如,弦理论就是其中最广为人知的一种理论。根据弦理论,所有的基本粒子都被描述成一维能量弦的振动。不过弦理论并不能告诉我们时间和空间的本质究竟是什么,所以近几年有许多其他的理论被提出来。

  尽管这些理论还都比较粗糙,我们也不能确定这些理论可以把每一个细节问题阐述清楚,但是根据这些理论,我们已经得到了一些的结果。其中最为惊人的是,至少有三个完全独立的量子引力理论都得到同样的推理,也就是说宇宙是从沉默中诞生的。具体地说,如果逆着时间直到宇宙创生的时期,我们就会遇到这样的瞬间,空间中的每一点都与其他的点无任何关联。这就意味着任何东西,不管是声音、信息还是光,都无法在它们之间传递。

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  三个理论殊途同归

  来自美国加州大学戴维斯分校的物理学家史蒂夫・卡利普,是尝试把各种量子引力理论汇集起来进行比较分析的人之一。卡利普和他的同事利用了一种弦理论的分支理论来进行计算,发现在宇宙创生之后的10-43秒内,空间分裂为离散的块状,而每一块里所发生的任何事件都与外面无关。

  其他的科学家还发现,利用因果动力三角论――另一种独立的量子引力理论――也会得到类似的结论。因果动力三角论认为,宇宙是由许多类似金字塔形状的时空单元构成。这些金字塔的组合方式决定了时空是如何弯曲的,如同广义相对论里质量和能量决定了时空是如何弯曲的。

  在因果动力三角论中,时空的每一块可以都不一样。此理论的创始人之一,荷兰内梅亨大学的物理学家雷娜特・洛尔与她的同事,通过电脑的模拟,得到数亿种时空块的组合方式,然后他们对这些进行分析,来找到现实中最有可能发生的组合方式。他们发现,有许多种组合出的宇宙与我们的宇宙类似。

  洛尔等人还发现,所有的因果动力三角论的宇宙可以处在三种完全不同的“相”中的一种。一种是与我们现在的宇宙类似,时空中不同区域可以通过信息或作用力等方式来建立相关的联系;另一种是整个宇宙是性质处处相同的一大块,里面每一部分都是另一部分的重要组成部分;最后一种是每一个时空单元之间都是彼此毫无联系的,每一块都是独立的,而这时就是宇宙的沉默时刻。

  如果研究人员能分析出宇宙如何在这三种相之间互相转化的话,这会对于加深量子引力的理解有很大的帮助,而且也可加深我们对于时间和空间本质的理解。所以这里还需更深入的研究。

  最近的研究发现,圈量子引力论也证实,宇宙可能是诞生于沉默之中。在圈量子引力论中,时空如同无数扭结所构成的织物,而这个时空的纤维丝的编结方式决定了粒子和作用力。

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  来自法国约瑟夫・傅立叶大学的物理学家奥雷利安・巴洛和他的同事,利用了圈量子引力论来分析宇宙早期时的状态。他们发现逆着时间去分析,发现随着宇宙越来越热,越来越密,光的穿行速度会越来越慢。直到某一时刻,宇宙中所有物质都到致热致密的时候,宇宙里的光完全无法穿行。如果光都无法穿行,信息就不会传递,没有任何作用力可以传递,时空的每个区域与其他区域之间就毫无联系了。这就是宇宙的沉默时刻。

  消失的时间

  圈量子引力论还有一个奇怪的推论。如果你要使劲地继续挤压沉默时刻的宇宙,时间就会消失。此时,宇宙将不会再保持沉默状态,光线反而可以再次移动,不过光速会变为虚数,而虚数就是平方为负数的数。通过相关的方程组可以看出,之所以会产生这种奇怪的现象,是因为时间变成了空间的一个维度。也就是说,我们得到了4维的空间,而没有时间。

  尽管这个对于大部分人来说很难理解,不过巴洛等人兴奋地发现,这种结果与美国物理学家詹姆斯・哈妥和英国物理学家斯蒂芬・霍金共同提出的理论结果类似。哈妥和霍金提出的了一种无边界假设,认为宇宙并没有真正的奇点,而宇宙大爆炸之前是没有时间的,只有4个维度的空间。

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  质疑与验证

  不过上面的研究成果并没有得到所有科学家的认同。事实上,上面所有的理论都是比较初级的,所以现在不能完全断言宇宙的确经过了沉默时期。除了不断完善各自的理论之外,最重要的是能找到相关的证据,当然要找到这样的证据得需要很长的时间。

  最有可能先找到证据的地方就是宇宙微波背景辐射。目前,普朗克卫星所获得宇宙微波背景辐射的数据是现在最精确的数据,但是巴洛表示,普朗克卫星精确度还没有达到检测圈量子引力论的要求,所以还需要更高精度的探测。另外,卡利普认为,最近通过南极的望远镜观测到的宇宙微波背景辐射的数据图中,可能存在沉默时刻的线索,尽管他并不知道这样的线索是什么样的。

  另外寻找线索不一定都在天空之中,一些其他的线索可能在实验室中就能找到。

  尽管这些是十分概念性的东西,不过不同的量子引力理论模型之间都可得到相似的结论,所以有必要继续研究下去。可以肯定的是,宇宙这种沉默的时刻对理解宇宙的创生,能带来一系列全新思考。

    
    

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