宇宙或许只是冰化成的一洼水

星空天文 2018-07-02 14:09:32 阅读:

我们是中的鱼。

宇宙或许只是冰化成的一洼水

R. Classen

宇宙或许只是冰化成的一洼水

宇宙微波背景辐射中的变化显示了早期宇宙的密度差(波动)。NASA

在我们的宇宙中,有两个谜十分令人不解。一个与其最终命运有关,另一个与其起源有关,它们困扰了宇宙学家至少几十年。这是两个互不相干的问题,但是谁又能保证呢?

第一个问题和“暗能量”有关。暗能量导致了现代宇宙的加速膨胀,且将决定其最终命运。暗能量效应反应在爱因斯坦的引力方程中,就是所谓的宇宙常量。宇宙常量有一个极其微小但却是确凿无疑的值。该如何解释这个看上去微不足道的数值,成了当今理论物理学家面临的最大挑战之一。

第二个问题也与一个数值有关。当今宇宙中的大尺度结构,如星系和星系群的形成,与之有关。早期宇宙内部的各个地方是几乎无差别的,是极为光滑统一的。但在光滑之中,也存在一些微小的密度差异。这些微小的不完美,最终导致今天的宇宙内,出现了形形色色的天体结构。这些密度差异究竟有多大?具有什么样的形态?为什么会存在这样的差异?差异的程度和形态是由什么决定的?都是宇宙学中的不解之谜。

宇宙常量的数值和宇宙初始阶段的密度差异程度,看起来是毫不相干的。它们一个与宇宙的最早期有关,另一个其实出现得很晚(宇宙常量),时间上相隔近140亿年。标准的宇宙学理论并没有在基本原理层面上,为这两个数值提供合理解释。传统的宇宙模型,通常会对宇宙常量的数值视而不见。而针对宇宙初始阶段的密度差异,大部分流行的理论都是从暴涨模型延伸出来的。暴涨说其实问题不少。它们能够为提供任何我们想要的虚拟答案,但在预测能力方面相当薄弱。

宇宙大爆炸是标准宇宙学最负盛名的特色,却也是最令人不爽的特色。宇宙大爆炸让基于爱因斯坦方程的经典宇宙模型一个个崩溃。因为它引入了一个非常不可思议的概念,也就是那个密度无穷大、温度无限高的奇点。

但是奇点真的存在吗?20世纪60年代以后,有一些物理学家开始想要寻求一个替代方案,想要通过将引力论和量子论结合起来,建立所谓的量子引力论,剔除大爆炸说,来描述我们的宇宙。John Wheeler和Bryce deWitt是首批这样的科学家。量子宇宙学继而兴起。人们试图通过量子宇宙学,用量子的语言解释简洁的经典宇宙现象。但是直到今天,也没有出现一个完备的量子引力论。宇宙拥有今天的形态之前是什么样子?人们依然一无所知。

近年,又有科学家试图将pk彩票网站信息论引入到对宇宙的认识中来。印度校际天文和天体物理中心特聘教授Thanu Padmanabhan等人认为,就像冰融为水,是从固态转变成液态,虽然转换过程本身十分复杂,但冰和水的原子数量并没有发生变化。原子数量的不变,表明这个体系的自由度是不变的。而宇宙从之前的相态转化为包含时空的现今相态,在这个过程中,可能也存在这样一个能够反映不变的自由度的数值。由此,我们或许就能绕过量子引力论,把两个不同相态的宇宙联系起来。

能够反应宇宙自由度的,并非是一个无穷大的数值。宇宙在演化的较后期加速膨胀,也证明了这一点。宇宙常量其来有自。而利用已有的一些量子引力模型,我们还可以对这个数值加以推算,并把宇宙常量与宇宙相态转化时的能量级联系起来。而相态转化的能量级,又与早期宇宙密度差异(波动)有关。

所有这些想法都来自量子引力论的框架,它们的独特之处在于它们其实无须量子引力论细节的介入,便为我们提供了与量子引力本质和时空结构有关的两大启示。第一个启示是,时空可以被看作是由存在于微观尺度上的自由度组成的。第二个启示是,宇宙的起源可能只是一种相态的转化。我们今天的宇宙可能是从一种未知的相态转化而来的。

Padmanabhan认为,我们需要重新审视引力的本质。热力学现象本质上就是一种(原子)自由度的消散过程。时空也是有温度的。这个观点首现于Jacob Bekenstein和Stephen Hawking的黑洞著述。而上世纪70年代中期,一些科学家发现,温度也是时空的一般特性。

因此时空也和物质原子一样,拥有内在的自由度。近年来,越来越多的理论研究成果支持这一结论。而时空的内在自由度,或是了解时空微观结构的关键。从中,我们可引申出三个方面。

首先,时空区域的演化,可以被解释为是时空内部的自由度发生了变化。其次,引力在能量的零级状态下不会发生变化。最后,我们不应将宇宙的演化,视为爱因斯坦方程的一种解决方案。爱因斯坦的方程,实际上只是一系列描述时空量子自由度的方程中的一部分。

Padmanabhan的观点,为我们提供了一个全新的视角。我们的宇宙或许就像一大块内部包含一定热量的冰。热量使冰从内部开始融化,使之变成一摊水,一摊膨胀的水,它试图使自身达到热力学平衡。但在更大尺度上,在相态的边界处,并没有达到平衡。水就像是我们的可观测宇宙(或更大一点),在此之外,就是那种转化之前的宇宙相态,它们就好比是从外部包裹着水的冰。

Padmanabhan的理论框架是简洁而优雅的。因为它只用了一个参数,即早期宇宙相态转化过程中的能量级。Padmanabhan理论中的唯一假设是宇宙的pk彩票网站信息量(他认为等于4π,单位球体的表面积)。

所以我们的宇宙可能并不是通过大爆炸诞生的,也许它只是从一种相态转化成了另一种,就像冰变成了水。而我们只不过是水中的鱼。

这种说法好象在哪里听到过呢。

宇宙或许只是冰化成的一洼水

爱因斯坦曾认为把宇宙常量加入方程是犯了个错。但今天几乎所有物理学家都相信它的存在。Sanford Roth

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