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从大爆炸到大反弹

2012-07-08  tjhx0526
我们的宇宙有可能是在前一个宇宙崩塌之后出现的这一观念,自2003年以来一直令物理学家们非常着迷。现在这一理论已经能够提供我们可以加以实验验证的预言了。如果真的得到验证的话,大爆炸将被大反弹取代,而我们将终于能够理解时空的量子结构。宇宙源自一个有无穷密度的点的观念,将被反复循环的宇宙观所取代,宇宙有可能经历无穷无尽的扩展与收缩,无始无终。

如果我们的宇宙不是从无而生,而是一个以前存在的宇宙的再生版本的话,会怎么样呢?请看 Anil Ananthaswamy的调查:

ABHAY ASHTEKAR一直记得他第一次看到宇宙反弹时的反应。“我大吃一惊。”他如此描述道。当时他正注视着一个宇宙反向运行到大爆炸的模拟。基本上,模拟宇宙表现出预期的行为,随着星系的会聚宇宙变得越来越小,密度越来越大。但是,这个宇宙没有到达大爆炸的“奇点”,而是发生了反弹并重新开始扩展。这究竟是什么回事?

Ashtekar希望确认他看到的东西,于是他邀请他的同事们共同讨论这个结果足有六个月,最后在2006年发表了这个结果。循环宇宙基于一个叫做圈量子宇宙学(LQC)的理论,那能够阐明宇宙诞生时的情形——那些东西甚至连爱因斯坦的广义相对论也无能为力。

我们的宇宙有可能是在前一个宇宙崩塌之后出现的这一观念,自2003年以来一直令物理学家们非常着迷。现在这一理论已经能够提供我们可以加以实验验证的预言了。如果真的得到验证的话,大爆炸将被大反弹取代,而我们将终于能够理解时空的量子结构。宇宙源自一个有无穷密度的点的观念,将被反复循环的宇宙观所取代,宇宙有可能经历无穷无尽的扩展与收缩,无始无终。

LQC实际上是另一个叫做圈量子引力的理论的第一个实际应用,圈量子引力理论巧妙地结合了爱因斯坦的引力理论和量子力学。我们需要这样的理论来解答当微小体积经历极端重力时会怎么样的问题,例如,接近大爆炸时的情形。在20世纪80年代中期Ashtekar在量子力学框架下重写了广义相对论方程式。和理论物理学家Lee Smolin与Carlo Rovelli一起,Ashtekar展示了由重力场线的回路编织成的空间-时间结构。在缩小足够多倍数以后空间看上去是平滑而连续的,而凑近观察的话会发现空间表现为一个个独立的块,或者说是量子,大概是10-35平方米大小。

2000年,当时在宾夕法尼亚州立大学柏克校园跟Ashtekar做博士后的Martin Bojowald采用圈量子重力理论建立了宇宙的一个简化模型。LQC从此诞生了。

Bojowald的重要成就在于:不同于广义相对论,LQC对物理过程的描述不会在大爆炸那一点失效。

“爱因斯坦的相对论没能成功阐明宇宙诞生之时的情形。”

宇宙学者们畏惧奇点是因为那一点中存在无穷的引力,还有无穷的温度和密度。而广义相对论的方程并不能处理这些无穷大的量,因而无法对大爆炸中发生了什么加以阐释。Bojowald最初的工作展示了如何避免那个讨厌的奇点,虽然仅仅是数学技巧上的避免。“当时那项工作给我印象很深,”Ashtekar说,“现在仍然印象深刻。”

波兰华沙大学的Jerzy Lewandowski,还有Bojowald,和Ashtekar及他的两个博士后:Parampreet Singh和Tomasz Pawlowski,共同发展了这个思想。Singh和Pawlowski开发了基于LQC的宇宙模拟程序,正是在那个模拟中他们看到了宇宙反弹。当他们逆着时间模拟时,无穷密度的大爆炸奇点没有出现,宇宙停止了崩塌,逆转了方向(开始膨胀)。大爆炸奇点确实不见了(《物理评论通讯》,96卷,141301页)。

但是胜利的庆典没能持续多久。研究小组使用LQC研究我们的宇宙在膨胀开始之后的长期行为时,他们遭到了打击——模拟的宇宙开始崩塌,这简直是在挑战我们所知的关于宇宙的一切。“那完全违背广义相对论,”现供职于加拿大渥太华Perimeter理论物理研究所的Singh说:“明显是个错误。”

Ashtekar也很难受,他说:“我相当失望,这对LQC可不是个好兆头。”然后,在进一步地改进数学方法之后,Ashtekar, Singh和Pawlowski解决了这个问题。理论的早期版本通过面积的量子项描述宇宙的演化,但仔细的研究发现了微妙的错误。Ashtekar, Singh和Pawlowski改正了错误,改进后的计算能够对微小的空间体积进行有效处理。

根本性的不同就此出现。现在基于LQC的宇宙模型能够在充分膨胀的情况下与广义相对论极好地符合,同时仍然消除了大爆炸的奇点问题。法国马赛地中海大学(Mediterranean)的Rovelli对此印象深刻。他说:“这可真是桩大事,每个人都期望某一天我们能学会正确地处理量子宇宙的问题,不再受大爆炸奇点的困扰。但以前我们从来没有能够达到这一程度。”

德国科隆大学的物理学家Claus Kiefer也同意这一观点,他在这个领域中著述颇丰。他说:“这的确是一个认识早期宇宙的新观念,现在,你有了一个能够自然地解释无奇点宇宙的理论。”他还指出:与量子宇宙论相竞争的理论还有一些,比如弦论等理论都提供了独特的宇宙学认识,但这些理论中还没有一个能完全与量子力学相融合。

如果最终证明LQC正确的话,我们的宇宙就来自一个此前存在的宇宙,那个先在宇宙也曾经扩展,然后在引力的作用下收缩。随着所有的物质挤压到微小的体积中,那个宇宙达到了普朗克密度,5.1×1096千克每立方米。在这个阶段,那个宇宙停止收缩,开始反弹,产生了我们的宇宙。

Singh说:“只能接近普朗克密度,理论显示达到那个密度是不可能的。”Bojowald指出,这是因为当万亿颗恒星的物质被压缩到一个质子大小的体积中时,那样的密度下时空结构会产生出超强的排斥力。在这一时刻,时空量子不可能被进一步压实了。压实的时空在强于引力的外向力的作用下发生变化。这个瞬时的排斥行为引起了宇宙的反弹。从那一刻开始,因为大反弹的惯性宇宙将持续膨胀。除了引力,没有什么东西能让这个膨胀减速。

LQC还阐明了我们的宇宙的另一个神秘阶段。在经典宇宙学中,大爆炸后的最初的若干分之一秒之内有一个叫做暴涨的现象,这一阶段宇宙以难以置信的速度扩展。这个暴涨阶段需要解释为什么在热还没有足够的时间传播那么远时,宇宙中相距遥远的区域的温度就几乎是相同的——即“水平问题”(horizon problem)。LQC也解释了为什么宇宙能在永远扩展和最终因引力而收缩之间拥有如此微妙的平衡——即“平稳问题”(flatness problem)。经典学说中宇宙学家们引入“暴涨子”(inflaton)来令暴涨现象发生,不过我们所知道的有关这种粒子的信息可是非常的少(译者注:少到我们没有太多理由相信这种粒子存在)。

宇宙的回忆

更重要的,知道的也更少的是暴涨之前的宇宙。宇宙学家们一直假设在暴涨开始时,可以将时空视为平滑的而忽略量子效应,这样就能应用广义相对论来研究了。这一直被视为一个科学的猜想–直到现在。LQC显示:在暴涨开始的时候,时空的确可以被视为平滑的。Singh说“这不再是一个猜想了,这是圈量子宇宙学的一个预言。”

Ashtekar, Singh, Bojoald和Pawlowski 共同发展的模型展现了巨大的进步。这是第一次有一个理论在有效地预言暴涨之前的宇宙情况的同时,能够正确地预言暴涨之后的宇宙情况。Ashtekar说:“同时做到这些事情一直是很困难的。”

如果我们居住的这个宇宙来自于一个先在宇宙的话,我们能知道那个在我们之前存在的宇宙的什么东西吗?LQC模拟显示那个宇宙也应该拥有星球和星系。但是有关大反弹前后的量子阶段的认识存在分歧,就是那个因为量子波动而无法约束住宇宙体积的那个阶段。Bojowald的计算显示有关前一个宇宙的所有信息在经历大反弹后都被彻底抹去了。换句话说,“宇宙的回忆”是不存在的(《自然物理》,卷3,523页)。与此相对, Singh和墨西哥国立自治大学的Alejandro Corichi的详细分析提出了相反的意见。(《物理评论通讯》,卷100,161302页)

“现在宇宙被压缩到了一个用显微镜才能看见的体积。”

Ashtekar把他从前的博士后以及学生们之间的这个争论比作小孩们的争吵。他说“这个争论现在没有太大意义,尽管宇宙是否可能存在‘宇宙的回忆’这一问题引发了哲学上的兴趣,但现在讨论这个问题还为时太早。我们应该操心的是如何将理论与现在的实验相对照。”

与实验对照来验证理论的日子可能很近了。研究者们的第一个目标是宇宙微波辐射背景(CMB),这一辐射是在宇宙的量子阶段结束很久后才放射出来的。尽管CMB开始于大爆炸后370,000年,但其源起可能会更早,Bojowald说:“那有可能处于量子引力效应仍然扮演一个重要角色的时期。”

Bojowald发现按照LQC理论,量力引力效应的影响可能在宇宙暴涨开始之前的一个很短的加速扩张时期处于控制地位。那个被称为“超级暴涨”的时期,由高密度量子宇宙的极大的排斥力引起,而无需借助”暴涨子”来解释。这个阶段对CMB的细节具体有何影响尚不清楚,但是已经能够肯定:LQC的预言和经典宇宙学的预言有所不同。Singh说:“这正是我们接下来两年将要做的事。我们将努力得出一些经得住考验的预言。”

同时,英国诺丁汉大学的Ed Copeland和他的同事们展示了他们的研究:超级暴涨阶段在时空结构中引起量子波动,这最终可能成为了星系和星系团形成的种子。这意味着仅由超级暴涨就可以解释我们的宇宙,而不必认为暴涨阶段存在,而这个不必要的暴涨阶段一直只是硬加在标准宇宙理论上的一个附件而已。不过现在,超级暴涨的理论还很不成熟,它还不能解决暴涨理论很好地解决了的“水平问题”和“平稳问题”。

Copeland说将来的实验可以揭示我们的宇宙是经历了“暴涨”还是“超级暴涨”阶段,只有经过暴涨阶段才可能形成一种特别的引力波型,可以尝试寻找这种引力波型来验证理论。这些暴涨阶段形成的时空结构中的波纹可能极化了CMB,不过这些影响对现有的探测仪器来说还太微弱了。但情况在明年就将有所改善,欧洲航天局的“普朗克”卫星那时将提供微波背景的最细致的观测结果。Copeland的工作显示:超级暴涨将抑制宇宙尺度的引力波的形成,在CMB中应该没有暴涨理论所预言的极化现象。他说:“如果真的探测到了那样的极化现象,那很可能是反对LQC的有力实验证据。”

Kiefer提醒说:所有的LQC都有一个相同的大问题。经典宇宙学的预言来自对广义相对论方程的求解,尽管对宇宙作了一些简化假定。理想的LQC也应该来自于圈量子理论,即它的所有方程都应当由圈量子引力理论推得。但是,Bojowald和其它研究者都采用广义相对论的理想化宇宙,将其用圈量子引力方法量子化后就得到LQC。Kiefer说:“从一个物理学家的观点来看,这是完全正当的,但数学家们可能不会喜欢这种做法。”

Rovelli同意这一观点。为了给LQC更坚实的理论基础,他和他的同事Francesca Vidotto一直努力在圈量子引力的基础上重建LQC。(www.arxiv.org/abs/0805.4585v1)Rovelli说:“结论是十分乐观的。从远比广义相对论更接近圈量子引力理论的一些基础出发,我们可以重新推得现在LQC的方程。”

理所当然地,Rovelli正在期待可能证明这个理论的实验。他说:“我希望在我死掉以前知道圈量子引力理论是正确的还是错误的。”对一个现在刚过五十的人来说,他可能太过悲观了。一系列的实验将观测CMB和探测引力波,普朗克号卫星只是一个开始。我们的宇宙是如何诞生的?有关于此的观念革命可能将来得比他想象的更早。

我们的宇宙会反弹吗?

依据理论物理学家Abhay Ashtekar等描述大反弹物理图像的公式,我们的宇宙在前一个宇宙崩塌后成长起来。同样的命运在等待着我们吗?

这得看情况。我们过去通常认为宇宙的星球和其它物质的引力起着决定作用。要么宇宙的密度足够大,引力能够让大爆炸以来的膨胀停止并把所有的东西拉回一点,要么宇宙的密度不足,永远地膨胀下去。但是过去10年里对遥远的超新星的观测结果对这种观点形成了挑战。我们的宇宙不仅在膨胀,而且还因为某种神秘的排斥力在加速膨胀。宇宙学家们把这种排斥力归因于“暗能量”。那么如果我们的宇宙将不再收缩,它是否已经进行了它的最后一次反弹呢?

大概不是。宇宙学家们对暗能量仍然所知甚少。一些理论模型推测暗能量的属性可能随时间变化,可以从排斥力变成类似重力这样的吸引力。如果那样的情况发生的话,宇宙将停止膨胀,星系将开始聚集到一起。我们这个宇宙的物质和能量的密度到底是多少也还顶着一个问号,我们还没能对此进行足够准确的测量,也就不能由此确认我们的宇宙最终是否将停止膨胀。如果真正的密度比我们现在观测到的稍大一点点,可能就正巧足够宇宙由膨胀转为收缩。

而按照大反弹理论,在这两种情况下宇宙都将崩塌直到其密度达到理论允许的最高密度,然后发生反弹。在这一点上,宇宙将反弹然后再次膨胀——最终形成了循环的宇宙。

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