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探寻宇宙膨胀的边界在哪里

2015-10-30  ldjsld

天文学家早就注意到我们的宇宙处在不断膨胀之中,最明显的证据是那些河外星系都在远离我们,这并不奇怪,因为宇宙的一切都来自于138亿年前的宇宙大爆炸。之后天文学家还意外地发现了宇宙不仅在膨胀,而且在加速膨胀,至于为什么加速膨胀,科学家还没有搞清楚。不过我们这里要探讨的是另一个问题:尽然宇宙在膨胀,那么在我们日常生活的尺度下能观测到这种膨胀现象吗?

供职于费米实验室和芝加哥大学的克雷格·霍根想了一个办法,他假想时空中存在两个微观粒子,随着这个时空的膨胀,这两个粒子之间的距离不断增加,其距离的增加可以通过红移效应来测量。红移效应是说,当一个发光的物体离你远去时,你接收到的那个物体发出的波长会变长,即呈现偏向红色的现象。但是霍根指出,根据量子力学的不确定性原理,粒子不会具有确定的位置。在比较小的尺度下,这个时空的膨胀现象会因粒子位置的不确定性淹没掉。直到更大的尺度,膨胀现象才显现出来。根据这个设想,霍根进行了计算,结果发现这个尺度的分界线大约是60米。在小于60米的尺度下,无论你怎么测量你都无法察觉宇宙是否在膨胀。大于60米,系统才“注意到”它们处在一个膨胀的宇宙中。而这个60米就是量子尺度与经典尺度(宇宙学尺度)的边界。

探寻宇宙膨胀的边界在哪里,UFO中文网


霍根认为,在小的尺度下,既然量子力学会“阻止”观测到宇宙是否在膨胀,那么反过来说,在大的尺度下,宇宙膨胀也会“阻止”某些量子现象发生。下面举个例子来说明。

量子力学中有一个最为奇特的现象,称为叠加态。叠加态指的是一个量子体系,例如一个电子,在未被测量前可以同时处在不同的状态下,例如电子的自旋方向可以同时处在两个方向。既然微观粒子有叠加态,为什么宏观物体没有呢?有一种观点认为,这是由于宏观物体的引力破坏了叠加态的形成,使得你不可能像微观粒子一样,同时既可以处于这个房间,又可以处于隔壁的房间。不过这个观点有一个遗留的问题,即它没有预测出量子尺度与经典尺度的边界是多少。而霍根所提出的观点认为,导致叠加态被破坏的原因并不是引力而是时空膨胀引起的,而且还具体给出了量子尺度与经典尺度的界线,即大约60米。

所以下一步就是去检测霍根的这些观点是否能被实验观测到。另外我们知道一些实验室成功地使两个处于量子纠缠的光子最远作用距离达到100千米以上,而根据霍根的观点,宇宙的膨胀也会使量子纠缠可维持的距离存在一个上限,当然肯定不是60米了,具体是多少,还需要物理学家们继续做研究。

【小资料】 量子纠缠

在量子力学中,两个粒子在经过短暂的彼此相互作用之后,单独干扰其中任意一个粒子,会不可避免地瞬时影响到另外一个粒子的性质,尽管两个粒子之间可能相隔很长一段距离。这种关联现象称为量子纠缠。

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