物理学家认为多元宇宙也许存在，有稳固的理论基础
发布时间：2022-03-01 09:39:56 所属栏目：动态 来源：互联网
导读：据国外媒体报道，多元宇宙论是一个看起来很疯狂的假说，尚未经过直接且实际的检验。不过，尽管备受争议，但该假说其实有着很稳固的理论基
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据国外媒体报道，多元宇宙论是一个看起来很疯狂的假说，尚未经过直接且实际的检验。不过，尽管备受争议，但该假说其实有着很稳固的理论基础。 当我们观察今天的宇宙时，其实是在同时关注两个与宇宙自身有关的故事。第一个故事讲述了今天宇宙的面貌，包括其中所有的恒星和星系，它们如何聚集在一起，如何移动，以及由什么成分组成。这是一个相对简单的故事，是我们通过所能观察的宇宙了解到的。 另一个故事则讲述了宇宙如何形成今天的样子，其中包含了更多有待解开的谜题。当然，我们可以观察处于遥远距离的天体，从中了解宇宙在遥远的过去是什么样子：我们现在所接收到的光来自其最初发出的时候。但我们需要将这些观察与宇宙理论 —— 宇宙大爆炸框架内的物理定律 —— 结合起来，对过去发生的事情进行解释。在这一过程中，我们会看到一些令人惊奇的证据，表明大爆炸发生极短时间内还出现过一个阶段：宇宙暴胀。为了让暴胀理论符合我们所观察到的宇宙，有人给出了一个令人不安的附加条件：多元宇宙。接下来，就让我们来了解一下物理学家们为什么压倒性地认为多元宇宙很可能存在。 早在 20 世纪 20 年代，研究者就发现了压倒性的证据，表明天空中大量的螺旋状和椭圆形物体实际上就是星系本身，而且这些星系之间的距离正越来越远，其发出的光会被有序地转移到更长的波长。一开始，物理学家们提出了各种各样的解释，但都无法找到更有力的证据。最终被广泛接受的一个解释是：宇宙本身正在像一块发酵的葡萄干面包一样不断膨胀，而宇宙中包括星系在内的物体就如同葡萄干，随着宇宙（面团）膨胀而不断远离。 如果今天的宇宙仍在膨胀，其内部的辐射向更长的波长和更低的能量转移，那么过去宇宙一定更小、密度更大，同时也更均匀、更热。只要在这个膨胀的宇宙中存在任意数量的物质和辐射，从大爆炸理论就可以推导出三个明确而普遍的预言： （1）一个大型的宇宙网，其中的星系随着时间的推移而增长、演变和聚集； （2）一个低能量的黑体辐射背景，这是在炽热的早期宇宙中中性原子第一次形成时留下的； （3）最轻元素 —— 氢、氦、锂及其各种同位素 —— 的特定比例，这些元素甚至存在于尚未形成恒星的区域。 所有这三个预言都被观测证实了，大爆炸理论也因此成为最主流的宇宙起源理论，而其他理论都被抛弃了。然而，大爆炸只描述了宇宙在其早期阶段的样子，并不能解释为什么宇宙具有这些性质。在物理学中，如果知道某个系统的初始条件和它所遵守的规则，你就可以非常准确地预测它未来将如何演变 —— 直到达到计算能力和系统固有不确定性的极限。 那么，大爆炸在开始时需要什么样的初始条件，才能形成今天的宇宙呢？根据目前科学家的发现，答案可能有点让人意想不到： （1）必须存在一个显著低于（至少约 1000 倍）普朗克尺度的最高温度；在粒子物理和物理宇宙学中，普朗克尺度是指约 1.22×10^19GeV 量级的能量尺度，在这一尺度下，重力的强度变得与其他基本作用力相当，物理定律失效。 （2）宇宙诞生时，所有尺度的密度涨落幅度都大致相同。 （3）膨胀速率和物质能量总密度必须达到近乎完美的平衡：至少达到 30 位有效数字。 （4）所有位置 —— 甚至是不相关的位置 —— 的宇宙一定是在相同的初始条件下诞生的，包括相同的温度、密度和波动谱。 简单来说，与初始条件有关的问题基本上就是在问：这个系统为什么会以这样的方式开始？我们只有两个选项。一个是求助于不可知的事物，说它就是这样的，因为这是它可能存在的唯一方式，我们无法进一步了解。另一个则是尝试找到一种机制，来建立和创造系统开始所需的条件。物理学家将第二个选项称为“诉诸于动力学”；换言之，我们试图设计一种机制，用于实现三个重要的目标： （1）它必须重现它试图取代的模型（在这个例子中就是大爆炸理论）所获得的每一个成功。也就是说，大爆炸理论成功的每一块基石都必须被纳入这个新的机制中。 （2）它必须解释大爆炸无法解释的东西：宇宙开始时的初始条件。这些在大爆炸理论框架内仍未得到解释的问题必须用新的观点来解释。 （3）它必须做出与原始理论预言不同的新预言，而且这些预言必须导致某种可观察、可测试和 / 或可测量的结果。 唯一符合这三条标准的理论就是宇宙暴胀理论。在这三条“战线”上，该理论都取得了前所未有的成功。 暴胀理论的基本观点是，在宇宙变得炙热、稠密、到处充满物质和辐射之前，它处于一种由空间本身固有的大量能量主导的状态：某种场或真空能量。只是，与能量密度很小（相当于每立方米空间有一个质子）的暗能量不同，宇宙暴胀时期的能量密度是巨大的：大约是今天暗能量的 10^25 倍！ 宇宙暴胀时的膨胀方式与我们熟悉的宇宙膨胀不同。在一个物质和辐射不断膨胀的宇宙中，粒子的数量保持不变，体积却在增加，从而导致能量密度下降。由于膨胀速率与能量密度有关，因此随着时间的推移，宇宙膨胀会逐渐减慢。但如果能量是空间本身固有的，那么能量密度保持不变，膨胀速率也会保持不变。其结果就是所谓的指数膨胀，即在很短的一段时间后，宇宙的大小翻了一番；再过一段时间，它又翻了一番，以此类推。在很短的时间内 —— 一秒的一小部分 —— 一个最初比最小的亚原子粒子还小的区域可以被拉伸到比今天整个可见的宇宙还大。 在暴胀期间，宇宙被拉伸到巨大的尺寸。这个过程中也完成了很多事情，其中包括： （1）拉伸可观测的宇宙，无论其初始曲率如何，使其与平坦的宇宙难以区分； （2）取开始暴胀区域中存在的任何初始条件，并将它们延伸到整个可见的宇宙中； （3）创造出微小的量子涨落，并将其延伸到整个宇宙，从而使它们在所有的距离尺度上几乎是一样的，但在更小的尺度上（当暴胀即将结束时）则略小一些； （4）将所有“暴胀”场能量转化为物质和辐射，但只能达到远低于普朗克尺度（但与暴胀能量尺度相当）的最高温度； （5）创造出一个密度和温度波动的谱系，存在于比宇宙视界更大的尺度上，在任何地方都是绝热的（熵恒定），而不是等温的。 这就重现了“无暴胀”热大爆炸理论的成功，提供了一种解释大爆炸初始条件的机制，并做出了一系列不同于“无暴胀”宇宙开端的新颖预言。从 20 世纪 90 年代开始，一直到今天，暴胀理论的预言与观测结果一致，但与无暴胀的大爆炸场景截然不同。 （编辑：应用网_丽江站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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