宇宙會坍縮成奇點嗎?研究解釋了其中的原因

北京新浪網 10-16 09:38

新浪科技訊 日期:10月16日消息,據國外媒體報導,宇宙永遠存在嗎?若是如此,或許宇宙是在一個永無止境的大爆炸循環中來回跳動。在大爆炸中,所有物質從奇點膨脹而來,接著又是大坍縮。大坍縮的時候,一切的一切又被再次吞沒,形成密度無窮大的奇點。然後,萬物又始於奇點,一遍一遍如此循環往複。

但是,這些理論的數學計算卻從未可以真正告訴我們,宇宙到底是循環的還是有始有終的。不過最近,一組理論物理學家利用所謂的「弦理論」,來嘗試解決早期宇宙的一些基本謎團。他們的研究結果或許可以給我們帶來從零開始構建宇宙所需的理論動力,進而為循環宇宙假說提供支持。

宇宙大爆炸

如果你想構建自己的個人宇宙理論模型,不妨繼續往下閱讀。沒有人會阻止你做自己的宇宙學研究。但如果你想參與這場遊戲,那你就必須遵守宇宙的遊戲規則。也就是說,不管你的宇宙模型里有些什麼內容,你都必須面對一些冷酷且確鑿的觀察證據。

比方說,我們知道,我們生活在一個不斷膨脹的宇宙中。這裏面的星系和恆星正以越來越快的速度遠離我們。科學家可以用不同的技術辦法,來計算不同星系遠離我們的速度,從而告訴我們這一事實。我們也有「宇宙還是寶寶時」的照片。(雖然那時候宇宙也已經有38萬歲,但相比目前138億歲的年紀,當初的宇宙確實還是個「寶寶」。)

在宇宙「寶寶」照片里,我們可以看到一些有趣的圖案——微小的星星點點。這些星星點點,揭露了早期的宇宙中已經存在些許溫度差和壓力差。

我們可以用所謂的「宇宙大爆炸理論」和另外一個觀點——「宇宙暴脹」,來解釋所有的這些觀察結果。宇宙暴脹這個過程,我們認為可能發生於宇宙剛剛誕生還不到一秒的時候。在這個過程期間(其本身的持續時間也極其短暫,與之相比,一瞬間都似乎顯得很漫長),宇宙變得越來越大,吸收量子差異並使差異變大。最終,這些差異不斷放大。正如密度越大重力也越大那樣,隨著時間的推移,差異漸漸變得足夠大,從而可以以星星點點的形式出現在宇宙早期的照片中,(數十億年後,又變成恆星和星系等等,不過這些又是另一個故事了)。

火宇宙理論

厭倦了宇宙大爆炸理論,想發展自己的宇宙說?這個想法不錯。不過,你首先得解釋清楚宇宙膨脹,還有宇宙寶寶照片里那些星星點點等等。換句話說,你需要有比宇宙暴脹更具說服力的解釋。

看似容易,實則不然。早期宇宙中的壓力、密度和溫度差異已經困擾了一代又一代的宇宙哲學,包括最著名的比大爆炸理論更大胆的——「火宇宙理論」。火宇宙理論中的「Ekpyrotic」一詞,源自希臘語,意思是「燃燒」,指的是一個古老的哲學,即認為宇宙在不斷重複。

根據火宇宙理論,我們的宇宙在……不斷重複。在這種情況下,我們現在算是處於「爆炸」階段,然後這個階段最終(具體方法不詳)會放慢速度直至停止,再反過來坍縮回極高的溫度和壓力狀態。再接下來,宇宙又會(具體方法不詳)重複之前的過程,在新的大爆炸中捲土重來。

然而問題是,如果根據火宇宙理論的話,早期宇宙照片中的那些星星點點很難重現。當我們試圖用一些模糊的物理學來解釋坍縮—反彈—爆炸這個循環時,一切看起來實在太過……順暢。沒有碰撞,沒有擺動,沒有斑點,也沒有溫度、壓力或密度差異。

但這也並非意味著該理論與我們對早期宇宙的實際觀察不符。只是說,這些宇宙理論不會孕育出一個具有星系、恆星乃至人類的宇宙。

所以,還真有些遺憾吶。

救星S膜

過去幾年,火宇宙理論的主題是試圖像暴脹理論那樣,契合更多的實際觀察。為克服這一障礙並使得火宇宙理論至少有那麼點兒說服力,一組研究人員帶來了他們的最新解釋:S膜。

沒錯,S膜。弦理論大家應該都聽說過吧?那是基礎物理的宇宙,其中每一個粒子都是非常非常小的振動弦。但幾年前,理論物理學家意識到,弦並不一定得是一維的。於是,他們為多維度弦賦予了一個新名字:膜。

那「S」又代表了什麼呢?弦理論中的大多數膜都可以自由穿梭時間和空間。但是假設的S膜,只能在非常特殊的條件下,瞬間存在。

在這種新的火宇宙假說中,當宇宙處於最小且密度最大的那個時間點上時,S膜出現了,觸發充滿物質和輻射的宇宙再膨脹(大爆炸),並且溫度和壓力也有微小變化(這樣一來,宇宙早期照片中的那些有名的星星點點也就解釋得通了)。這些,是三位物理學家今年7月在線發佈到預印本文獻庫arXiv中的一篇新論文里的內容。需要注意的是,這篇論文尚未經過同行評議。

那話說回來,這個想法正確嗎?天知道。最近,弦理論本身也不太站得住腳,因為大型強子對撞機上進行的那些實驗未能發現任何可支持所謂「超對稱性」理論的線索,而超對稱性理論又是弦理論的一個重要基礎。再者,在弦理論圈子內部,S膜這個概念也有待商榷,因為我們尚不確切知道膜是否可以僅存在於某一瞬間。

還有一個事實是,我們的宇宙不僅正在膨脹,並且是在加速膨脹,而且更沒有任何跡象表明很快膨脹就會減速(更不用說坍縮)。弄清楚到底是什麼力量能夠促使宇宙踩下剎車再掉個頭回去,也很天方夜譚。

即便如此,火宇宙理論(以及其他種種理論)依舊值得探索,因為宇宙誕生的瞬間為現代物理學帶來了一些最令人不解且具有挑戰的問題。(勻琳)

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