宇宙會坍縮成奇點無限迴圈大爆炸嗎?物理學家給出新解釋

宇宙會坍縮成奇點無限迴圈大爆炸嗎?物理學家給出新解釋

宇宙會永遠存在嗎?如果是這樣的話,也許它一直在一個永無止境的大爆炸迴圈中來回彈跳,在這個迴圈中,所有的物質都從一個奇點中冒出來,接著是大爆炸。而在大爆炸中,所有的物質都被再次吞沒,形成那個稠密的點,宇宙從那裡再次誕生。如此迴圈往復。

然而,這些理論的數學從來沒有真正地解決我們宇宙是迴圈的,還是隻有一個開始和一個結束。但最近,一組理論家利用弦理論來解決早期宇宙的一些基本謎題。這個結果可能會給我們從零開始構建宇宙所需的理論推動力,從而為重複存在的宇宙提供支援。

想象一幅畫

如果你想建立自己的宇宙理論模型,請隨意,沒有人能阻止你創造自己的宇宙觀。但如果你想玩宇宙的遊戲,你就必須遵守它的規則。這意味著,無論你的宇宙模型包含什麼,你都必須面對一些冰冷的、難以觀測的證據。

例如,我們知道我們生活在一個不斷膨脹的宇宙中,其中的星系和恆星正以越來越快的速度飛離我們。科學家們可以透過使用不同型別的技術來計算離我們不同距離的星系移動的速度。我們也有宇宙嬰兒時期的照片,當它只有38萬歲(相對宇宙現在有138億歲,真的是 “嬰兒”)。

在這張嬰兒照片中,我們看到了有趣的模式——微小的斑點和斑塊,揭示了在年輕的宇宙中存在著輕微的溫度和壓力差異。

我們可以用所謂的大爆炸宇宙學來解釋所有這些觀測,再加上一個被稱為暴漲的理論,我們認為這個過程發生在宇宙誕生不到一秒鐘的時候。在這個過程中(這個過程本身只持續了極小的一剎那),宇宙變得大非常大,又在這個過程中,將量子差異變得更大。這些差異最終會擴大,因為密度稍高的斑塊引力略強,使它們變得更大。隨著時間的推移,這些差異變得足夠大,從而在宇宙的幼年影象中以斑點的形式印下了自己(數十億年後,又出現了恆星和星系之類的東西,但那是另一回事)。

早期宇宙之王

厭倦了大爆炸理論,想要自己的宇宙學版本?但你必須解釋一些事情,比如宇宙的膨脹和宇宙初期影象中的斑點。換句話說,你必須比大爆炸理論更好地解釋宇宙。

這看起來很簡單,但其實不然。宇宙早期的壓強、密度和溫度差異已經困擾了許多替代宇宙論,包括最流行的讓宇宙比大爆炸更大的理論之一,即高溫宇宙(Ekpyrotic Universe)。Ekpyrotic這個詞來自希臘語“火災”,指的是一個不斷重複宇宙的古老哲學思想。

在高溫的情況下,宇宙…不斷重複。從這個角度來看,我們目前正處於“爆炸”階段,最終(以某種方式)會慢下來,停止、逆轉,並壓縮回到難以置信的高溫和高壓。然後,宇宙將(以某種方式)反彈回來,並在一個新的大爆炸階段重新點燃。

問題是,很難在高溫宇宙中複製宇宙早期影象中的斑點和斑點。當我們試圖拼湊一些模糊的物理學來解釋“壓碎-彈跳-爆炸”迴圈時(這裡要強調“模糊”,因為這些過程涉及的能量和尺度,我們甚至用已知的物理學都無法接近理解),所有的東西都太……平滑了。沒有疙瘩,不擺動,沒有斑點,沒有溫度、壓強和密度的差別。

這不僅僅意味著這些理論與早期宇宙的觀測結果不符。這意味著這些宇宙論不會導致一個充滿星系、恆星甚至人類的宇宙。

這有點令人失望。

S-膜拯救了一切

在過去的幾年裡,高溫理論的名字就是試圖匹配暴漲理論所做的同樣的觀察結果。在最近的一次嘗試中,為了克服這一障礙,使高溫宇宙論至少在某種程度上得到尊重,一個研究團隊使用的正是S-膜宇宙(S-brane)。

我們聽說過弦理論,這是基礎物理的宇宙,每個粒子都是微小的,振動的弦。但幾年前,理論家們意識到弦不一定是一維的。他們給多維字串起的名字呢?一個膜(brane)。

至於“S”的部分?弦理論中的大多數膜都可以在時空中自由地漫遊,但是假設的S-膜只能在非常特殊的條件下在瞬間存在。

在這個新高溫理論場景中, 當宇宙處於最小最稠密的狀態時,S-膜出現了,觸發了一個充滿物質和輻射的宇宙重新膨脹(一個大爆炸),並伴隨著溫度和壓力的微小變化(引起宇宙嬰兒時期眾所周知的斑點片)。這是3位物理學家7月份在預印本伺服器arXiv網上發表的一篇新論文中提出的建議,意味著該論文還有待同行評審。

這個想法正確嗎?尚不清楚。最近,弦理論走在薄冰上,因為在大型強子對撞機上進行的實驗未能找到任何關於超對稱理論的線索,而超對稱理論是弦理論的關鍵基礎。而S-膜的概念本身在弦理論界是一個有爭議的觀點,因為它不確切地知道膜是否會被允許在一個時刻存在。

還有一個事實是,正如我們所知,宇宙不僅在膨脹,而且在加速膨脹,沒有任何跡象表明它在短期內會減速(更別說坍縮了)。要弄清楚是什麼導致它踩剎車並掉頭,非常棘手。

儘管如此,高溫理論(和其它)的觀點還是值得探索的,因為宇宙最早的時刻為現代物理學提供了一些最令人困惑和最具挑戰性的問題。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源:

https://www。livescience。com/cyclical-universe-explained-string-theory。html

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