最新宇宙大爆炸理论 宇宙或许没有起点和终点

2021年2月26日08:35:33 评论 36

宇宙大爆炸理论

根据现有的理论,我们的宇宙诞生于大约137亿年前。那个时候,宇宙所有的能量集中于一个没有体积的奇点内。然后,这个奇点突然爆炸,迅速膨胀,形成了今天的宇宙。

最新宇宙大爆炸理论 宇宙或许没有起点和终点

(图片说明:宇宙大爆炸历程示意图)

这个理论听起来有些难以接受,但它的确有着大量的理论支撑。大约一百年前,科学家们发现了宇宙是在膨胀的。随后有人反推后得出结论,那就是宇宙曾经聚集在一个点内,然后通过大爆炸形成,并且将膨胀的状态延续到今天。

奇点,是通过爱因斯坦的广义相对论推导出来的一个概念,由于没有体积,奇点的密度无限大,温度无限高,时空曲率也无限大。

另外,作为描述相邻物质运动模式的雷乔杜里方程能够预测物质的轨迹是收敛还是发散,它也是大爆炸理论的佐证之一。

最新宇宙大爆炸理论 宇宙或许没有起点和终点

(图片说明:直到今天,我们的宇宙仍然在不断膨胀)

正是在这些理论向前的推导下,科学家们也更加相信了宇宙大爆炸理论。

大爆炸宇宙论的问题

但是,这里也有一个问题。根据爱因斯坦的理论,在奇点里或者接近奇点的状态下,我们已知的所有物理定律就会失效。然而,科学家们在继续推测时,又似乎发现物理定律不会瓦解,这就出现了矛盾。

正因如此,位于蒙特利尔的麦吉尔大学理论宇宙学家Robert Brandenberger才指出:“所以说,在讨论宇宙从大爆炸中诞生时,我们还真的无权说得如此肯定。”

同时,在讨论黑洞的奇点时,科学家们还会面临另一个巨大的矛盾,那就是广义相对论和量子力学之间的矛盾。这个矛盾我们已经并不陌生了,这也是爱因斯坦和玻尔之间辩论的焦点。

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广义相对论是一种确定的理论,也就是说当我们知道某个天体在某时刻的相关参数,那么它在下一秒会如何运行就已经明确了。而量子力学则大不相同,在微观世界,即使我们知道足够多的参数,也无法判断一个粒子下一秒会出现在什么位置上,而只是知道它可能出现在哪些位置上,以及出现在某个位置的概率有多大,绝对无法保证它一定在哪里。

这就是广义相对论和量子力学之间的矛盾之一,而且在讨论奇点时,二者的矛盾也尤为明显。那么,科学家们是否有好的办法呢?

量子修正

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来自于加拿大阿尔伯塔省莱斯布里奇大学的理论物理学家Saurya Das和他的同事们对这个问题非常感兴趣,为了找寻这个问题的答案,他们找到了一个比哥本哈根学派更早的理论,那就是玻姆力学(Bohmian mechanics)。

在这个理论中,还有一个隐藏的变量可以影响微观粒子的诡异行为。和量子力学所提出的不确定性相反,该理论认为这个隐变量可以使得量子同时具有确定的位置和动量,也就是说可以用明确的轨迹线来进行描述。

正是利用了这个理论的形式,Das等人计算出了一个修正项,而这个修正项又可以包含在爱因斯坦的广义相对论中。

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于是,惊人的结果出现了:当他们将时间延续到极长的尺度下后,竟然发现宇宙并不会被追溯到一个奇点,而是拥有着无限的过去。也就是说,这个理论的结果暗示我们:宇宙没有起点,它的历史没有尽头,是无限古老的!

Das表明:“我们的理论指出:宇宙的年龄或许是无限大的。”

理论验证

尽管这个理论结果令人震惊,但确确实实是他们推导出来的。而且,Das还发现,他们这个方程中的量子修正项还可以解释宇宙中的暗物质。

我们知道,宇宙中有一种暗物质,占宇宙总质量的85%左右。它们可以提供引力,但是不与可见物质发生其他相互作用,因此极难被我们观测到。而且不论是相对论还是量子力学,都没有阐释暗物质的本质是什么,而Das等人的研究在暗物质方面也有所贡献。

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他指出,如果他们的理论是正确的,那么宇宙中可能就充满了由一种假设的粒子所组成的超流体,这种粒子可能是所谓的引力子,也就是可以形成引力的一种粒子;也可能是传说中的轴子,同样是一种存在于理论上但仍然没有被发现的神秘粒子

研究团队认为,通过这个推论,我们就可以利用暗物质在宇宙中的分布情况,看它是否符合他们修正的量子理论所描述的超流体特性,来判断这个理论的正确性。“如果我们的结果与此相匹配,甚至仅仅是大致匹配,那就是一个足够好的消息了。”他说。

宇宙的起点

当然,这也不是唯一能够调和相对论与量子力学的理论。众所周知,目前最有希望统一它们的,就是弦理论了。

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弦理论中有一个弦气宇宙学的分支,它也对宇宙的演化历程有过描述,认为宇宙曾经在相当长的一段时间里处于一个相对静止的状态。这一点非常特别,因为其他理论几乎都是认为宇宙曾经不止静止,甚至还有一段收缩的状态,在收缩到非常小的时候重新开始膨胀。

不论是哪种理论,不论奇点是否真的存在过,但这些理论都达成了一个共识,那就是我们的宇宙的确经历过空间非常小、物质非常密集、温度非常高的时期。

那么,当我们再往前追溯,宇宙到底有没有过那一次大爆炸呢?如果没有经历,那么宇宙在进入到这个收缩到极限的时期之前,又经历过什么呢?难道它真的拥有一个无限远的过去吗?

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这些问题恐怕都将在相当长的一段时间里悬而未决了,也许我们需要从更高的维度才能理解这个宇宙的诞生和时空的概念,那这个答案的浮现恐怕真的要等到很远之后了。

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