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量子宇宙论

2018-07-02  浦东流水

折叠 编辑本段 背景

20世纪的天文观测表明,宇宙正处于膨胀的演化过程中。在时间上往过去反推,人们估计在100多亿年前宇宙是处于极其紧致极其炽热的所谓大爆炸奇性的状态。宇宙的演化必须服从爱因斯坦引力场方程。但是不同的初始状态会导致不同的演化。大爆炸奇性从何而来,或者宇宙从何而来的所谓"第一推动"问题就摆到了宇宙学家的面前。

粒子及各物质元素形成过程

宇宙最开始,没有物质只有能量,大爆炸后物质由能量转换而来(质能转换E=mc²),当代粒子物理学告诉我们,在足够高的温度下(称为"阈温"),物质粒子可以由光子的碰撞产生出来。下面是宇宙物质进化的详细过程:

1、宇宙诞生第1/10000秒(时标),温度达几十万亿开,大于强子和轻子的阈温,光子碰撞产生正反强子和正反轻子,同时其中也有湮灭成光子。在达到平衡状态时,粒子总数大致于光子总数相等,未经湮灭的强子破碎为"夸克",此时夸克处于没有任何相护作用的"渐进自由状态"。宇宙中的粒子品种有:正反夸克,正反电子,正反中微子。最后,有十亿分之一的正粒子存留下来;

2、时标0.01秒温度1000亿开,小于强子阈温大于轻子阈温。光子产生强子的反应已经停止,强子不再破碎为夸克,质子中子各占一半,但由于正反质子正反中子不断湮灭,强子数量减少。中子与质子不断相护转化,到1.09秒时,温度100亿开,质子:中子=76:24;

3、时标13.82秒,温度小于30亿开,物质被创造的任务完成。中子衰变现象出现,衰变成质子加电子加反中微子。这时质子:中子=83:17时标3分46秒,温度9亿开,反粒子全部湮灭,光子:物质粒子=10亿:1,中子不在衰变,质子:中子=87:13(一直到现在);这时出现了一个非常重要的演化:由2个质子和2个中子生成1个氦原子核,中子因受核力约束而保存下来。宇宙进入核合成时代。(如果没有氦核产生,中子将全部衰变,也没有以后其它的原子核);

4、时标30万-70万年,温度4000-3000开,能量和物质处于热平衡状态。开始出现稳定的氢氦原子核,宇宙进入复合时代。在后期宇宙逐步转变为以物质为主的时代。(光子随着温度的降低而可以自由穿行,即今天的3开宇宙背景辐射!);

5、时标4亿-5亿年,温度100开。物质粒子开始凝聚,引力逐渐增大,度过"黑暗时代"后,第一批恒星星系形成。

随着第一批恒星的形成,原子在恒星的内部发生了核聚变反应,进而出现了氦,炭、氧、镁,铁等元素原子核核聚变是指由质量小的原子,主要是指氘或氚,在一定条件下(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。

(值得注意的是,不同质量的恒星能引发的核聚变程度不同,太阳主要为氢-氦聚变,重一点的会引发炭-氧-镁聚变,再重的会引发下一轮聚变。总的顺序简略依次为:氢-氦-炭-氧-镁-硅-铁。但无论恒星多重,最终的聚变结果只能是铁,恒星内部不能产生比铁更重的原子核!)。

凡是元素周期表上有的(除人造元素外),都是在恒星大炼炉里形成的,铁以后的原子核,只能在超爆中产生。

折叠 编辑本段 基本假设

大爆炸理论的建立基于了两个基本假设:物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。

这些观点起初是作为先验的公理被引入的,但现今已有相关研究工作试图对它们进行验证。例如对第一个假设而言,已有实验证实在宇宙诞生以来的绝大多数时间内,精细结构常数的相对误差值不会超过10^-5。此外,通过对太阳系和双星系统的观测,广义相对论已经得到了非常精确的实验验证;而在更广阔的宇宙学尺度上,大爆炸理论在多个方面经验性取得的成功也是对广义相对论的有力支持。

假设从地球上看大尺度宇宙是各向同性的,宇宙学原理可以从一个更简单的哥白尼原理中导出。哥白尼原理是指不存在一个受偏好的(或者说特别的)观测者或观测位置。根据对微波背景辐射的观测,宇宙学原理已经被证实在10^-5的量级上成立,而宇宙在大尺度上观测到的均匀性则在10%的量级。

折叠 编辑本段 暴涨宇宙模型

上个世纪80年代初,科学家们提出了所谓的暴涨宇宙模型。在大统一破缺之后,宇宙有一个以指数形式膨胀的阶段。由于这种暴涨,相当任意选取的初始条件都会导致和今天观察到的宇宙大致相等的结果:宇宙是非常平坦的,均匀的,各向同性的,以及宇宙中物质分布的模式,如星系团、星系、恒星和生命形成等等。

但人们必须为暴涨理论本身选取一些合适的参数。这样宇宙初始条件的选取被转变为这些参数。人们仍然没有解决第一推动的问题,只不过减弱了这个问题的尖锐性而已。

折叠 编辑本段 封闭的宇宙模型

在大统一破缺以后,宇宙有一个按指数形式膨胀的阶段,由于这种"暴胀"和大爆炸导致了和今天观察到的宇宙大致相同的结果:宇宙是非常平坦、均匀、各向同性的,以及宇宙中物质分布的模式,如星系团、星系、恒星和生命形式等。但这仍然没有解决宇宙是如何开始的。在对黑洞问题的研究中,霍金证明了黑洞的面积定理,即随着时间的增加黑洞的面积不减。但在考虑黑洞附近的量子效应后,霍金又指出,黑洞会像黑体一样发出辐射,其辐射的温度和黑洞质量成反比,这样黑洞就会因辐射而慢慢变小,而温度越变越高,并以最后一刻的爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有极其基本的意义,它将引力、量子力学和统计力学统一在一起。20世纪70年代霍金和彭罗斯证明了一个奇点的定理,如果广义相对论是正确的,在很一般的条件下,时空一定存在奇点,最著名的奇点即是黑洞的奇点以及宇宙大爆炸处的奇点。在奇点处所有科学定律以及可预见性都失效。为了预言宇宙是如何开始的,人们需要在时间开端处有效的科学定律。霍金认为经典理论已经不能很好地描述宇宙,必须把量子引力论引入到研究宇宙的极早期阶段[1]

量子论认为:从原则上说不可能精确地测知任何一个物体在时空中的运动轨迹,否则将与海森伯测不准原理相矛盾,这样,原则上就否定了进行精确时间、长度测量的可能性。定量而言,时间、长度的测量不可能超越普朗克时间(tp=5.3908×10-44s)、普朗克长度(1p=1.6161×10-33cm)。人们是不可能观测到从体积为零、密度为无限大的奇点所产生的宇宙创生大爆炸景象的。霍金认为在量子力学中,通常的科学定律有可能在任何地方都有效,包括时间开端在内。不必针对奇点提出新的定律,因为在量子理论中不需有任何奇点。

霍金将量子力学和引力结合在一起的这一统一理论的特征是用费因曼的历史求和方法处理爱因斯坦的引力观,为了避免求和的技术困难,这些弯曲的时空必须采用欧几里德型。也就是,时间是虚的,并和空间的方向不可区分。因为在欧几里德时空中,时间方向和空间方向是同等的,所以时空只有有限的尺度,而没有奇点作为它的边界或边缘。时空就像是地球的表面,只不过多了两维、四维而已,它有限、无界,没有边缘。宇宙是完全自足的,而不被任何外在于它的东西所影响,这样它也就无须宇宙外的造物主来所为的第一推动了。它既不被创生,也不被消灭。它就是存在。天文观测的结果是建立宇宙模型的基本依据,是检验宇宙模型真伪的最终标准,也是发展宇宙模型理论的动力。虽然霍金的宇宙有限无界的思想仅仅是一个设想,但是宇宙无边界条件和量子力学中的不确定性原理可以解释我们在宇宙中看到的复杂的结构。无边界假设导致一个预言,即宇宙现在在每一方向的膨胀率几乎是相同的。这与微波背景辐射的观测相一致,它指出在任何方向具有几乎完全相同的强度,这是大爆炸的余辉。利用无边界条件,宇宙应该是从仅仅由不确定性原理所允许的最小可能的非一致性开始的,在宇宙经历快速膨胀后,初始的非均匀性被放大足以解释在我们周围观察到的结构的起源。

1992年宇宙背景探险者卫星(COBE)首次检测到微波背景辐射随方向的非常微小的变化。这种非一致性随方向的变化方式是不是早期稠密的宇宙中随机的量子波动留下了这些特点呢?这似乎和暴胀模型以及无边界设想的预言相符合。宇宙无边界设想是霍金量子宇宙论的一块基石,这个理论是一个自足的理论,即在原则上,按照科学定律我们便可以将宇宙中的一切都预言出来,这个无边界条件的量子宇宙论真正解决了第一推动问题。按照霍金的理论,宇宙的诞生是从一个欧氏空间向洛氏空间的量子转变,这就实现了无中生有的思想,宇宙是由无创生出来的:不仅仅是从真空中出来,而根本是从绝对的无中出来,因为在宇宙之外没有任何东西。这个欧氏空间是一个四维球,在四维球变成洛氏时空的最初阶段,时空是可由德西特度规来近似描述的暴胀阶段,然后由大爆炸模型来描写。这个被称作是封闭的宇宙模型[1]

折叠 编辑本段 开放的宇宙模型

宇宙空间究竟是有限无界的封闭型,还是无限无界的开放型,这要取决于当今宇宙物质密度产生的引力是否足以使宇宙的现有膨胀减缓,以至于使宇宙停止膨胀,最后再收缩回去。可是现今的天文观测,包括可见的物质以及由星系动力学推断的不可见物质(中微子,neutralino和axions)其密度总和仍不及使宇宙停止膨胀的1/10,如果再加上有可能的暗能量也不足1/3,可见无限膨胀下去的开放宇宙的可能性仍然会呈现在人们面前。许多人曾尝试将霍金的封闭宇宙的量子论推广到开放的情况,但始终未能成功,1998年2月5日,霍金及图鲁克在他们的论文《没有假真空的开放暴胀》中将以前封闭宇宙的量子论推广到开放的情形。非常确定地提出宇宙不会收缩,这样的演化是一个有始无终的过程。

折叠 编辑本段 理论发展

从霍金1982年提出这个理论之后,几乎所有的量子宇宙学研究都是围绕着这个模型展开。这是因为它的理论框架只对封闭宇宙有效。

如果人们不特意对空间引入人为的拓扑结构,则宇宙空间究竟是有限无界的封闭型,还是无限无界的开放型,取决于当今宇宙中的物质密度产生的引力是否足以使宇宙的现有膨胀减缓,以至于使宇宙停止膨胀,最后再收缩回去。这是关系到宇宙是否会重新坍缩或者无限膨胀下去的生死攸关的问题。

可惜迄今的天文观测,包括可见的物质以及由星系动力学推断的不可见物质,其密度总和仍然不及使宇宙停止膨胀的1/10。不管将来进一步的努力是否能观测到更多的物质,无限膨胀下去的开放宇宙的可能性仍然呈现在人们面前。

可以想象,许多人曾尝试将霍金的封闭宇宙的量子论推广到开放的情形,但始终未能成功。今年2月5日,霍金及图鲁克在他们的新论文"没有假真空的开放暴涨"中才部分实现了这个愿望。他仍然利用四维球的欧氏空间,由于四维球具有最高的对称性,在进行解析开拓时,也可以得到以开放的三维双曲面为空间截面的宇宙。这个三维双曲面空间遵循爱因斯坦方程继续演化下去,宇宙就不会重新收缩,这样的演化是一种有始无终的过程。

霍金发表了这论文之后立即得到了国际学术界的反响。

封闭宇宙的重新坍缩会把世上的一切再次带回到极高温的大挤压状态。而开放宇宙的无限膨胀的前景也不甚美妙,宇宙将无限冷却下去。尽我所知,迄今没有人设想过如何避免这两种世界末日的来临,因为它将发生于极其遥远的将来。

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