宇宙會坍縮成奇點無限循環大爆炸嗎？物理學家給出新解釋

2020-09-03 前瞻網

宇宙會永遠存在嗎？如果是這樣的話，也許它一直在一個永無止境的大爆炸循環中來回彈跳，在這個循環中，所有的物質都從一個奇點中冒出來，接著是大爆炸。而在大爆炸中，所有的物質都被再次吞沒，形成那個稠密的點，宇宙從那裡再次誕生。如此循環往復。

然而，這些理論的數學從來沒有真正地解決我們宇宙是循環的，還是只有一個開始和一個結束。但最近，一組理論家利用弦理論來解決早期宇宙的一些基本謎題。這個結果可能會給我們從零開始構建宇宙所需的理論推動力，從而為重複存在的宇宙提供支持。

想像一幅畫

如果你想建立自己的宇宙理論模型，請隨意，沒有人能阻止你創造自己的宇宙觀。但如果你想玩宇宙的遊戲，你就必須遵守它的規則。這意味著，無論你的宇宙模型包含什麼，你都必須面對一些冰冷的、難以觀測的證據。

例如，我們知道我們生活在一個不斷膨脹的宇宙中，其中的星系和恆星正以越來越快的速度飛離我們。科學家們可以通過使用不同類型的技術來計算離我們不同距離的星系移動的速度。我們也有宇宙嬰兒時期的照片，當它只有38萬歲（相對宇宙現在有138億歲，真的是 「嬰兒」）。

在這張嬰兒照片中，我們看到了有趣的模式——微小的斑點和斑塊，揭示了在年輕的宇宙中存在著輕微的溫度和壓力差異。

我們可以用所謂的大爆炸宇宙學來解釋所有這些觀測，再加上一個被稱為暴漲的理論，我們認為這個過程發生在宇宙誕生不到一秒鐘的時候。在這個過程中(這個過程本身只持續了極小的一剎那)，宇宙變得大非常大，又在這個過程中，將量子差異變得更大。這些差異最終會擴大，因為密度稍高的斑塊引力略強，使它們變得更大。隨著時間的推移，這些差異變得足夠大，從而在宇宙的幼年圖像中以斑點的形式印下了自己(數十億年後，又出現了恆星和星系之類的東西，但那是另一回事)。

早期宇宙之王

厭倦了大爆炸理論，想要自己的宇宙學版本？但你必須解釋一些事情，比如宇宙的膨脹和宇宙初期圖像中的斑點。換句話說，你必須比大爆炸理論更好地解釋宇宙。

這看起來很簡單，但其實不然。宇宙早期的壓強、密度和溫度差異已經困擾了許多替代宇宙論，包括最流行的讓宇宙比大爆炸更大的理論之一，即高溫宇宙（Ekpyrotic Universe）。Ekpyrotic這個詞來自希臘語「火災」，指的是一個不斷重複宇宙的古老哲學思想。

在高溫的情況下，宇宙…不斷重複。從這個角度來看，我們目前正處於「爆炸」階段，最終(以某種方式)會慢下來，停止、逆轉，並壓縮回到難以置信的高溫和高壓。然後，宇宙將(以某種方式)反彈回來，並在一個新的大爆炸階段重新點燃。

問題是，很難在高溫宇宙中複製宇宙早期圖像中的斑點和斑點。當我們試圖拼湊一些模糊的物理學來解釋「壓碎-彈跳-爆炸」循環時(這裡要強調「模糊」，因為這些過程涉及的能量和尺度，我們甚至用已知的物理學都無法接近理解)，所有的東西都太……平滑了。沒有疙瘩，不擺動，沒有斑點，沒有溫度、壓強和密度的差別。

這不僅僅意味著這些理論與早期宇宙的觀測結果不符。這意味著這些宇宙論不會導致一個充滿星系、恆星甚至人類的宇宙。

這有點令人失望。

S-膜拯救了一切

在過去的幾年裡，高溫理論的名字就是試圖匹配暴漲理論所做的同樣的觀察結果。在最近的一次嘗試中，為了克服這一障礙，使高溫宇宙論至少在某種程度上得到尊重，一個研究團隊使用的正是S-膜宇宙（S-brane）。

我們聽說過弦理論，這是基礎物理的宇宙，每個粒子都是微小的，振動的弦。但幾年前，理論家們意識到弦不一定是一維的。他們給多維字符串起的名字呢？一個膜（brane）。

至於「S」的部分?弦理論中的大多數膜都可以在時空中自由地漫遊，但是假設的S-膜只能在非常特殊的條件下在瞬間存在。

在這個新高溫理論場景中, 當宇宙處於最小最稠密的狀態時，S-膜出現了，觸發了一個充滿物質和輻射的宇宙重新膨脹(一個大爆炸)，並伴隨著溫度和壓力的微小變化(引起宇宙嬰兒時期眾所周知的斑點片)。這是3位物理學家7月份在預印本伺服器arXiv網上發表的一篇新論文中提出的建議，意味著該論文還有待同行評審。

這個想法正確嗎？尚不清楚。最近，弦理論走在薄冰上，因為在大型強子對撞機上進行的實驗未能找到任何關於超對稱理論的線索，而超對稱理論是弦理論的關鍵基礎。而S-膜的概念本身在弦理論界是一個有爭議的觀點，因為它不確切地知道膜是否會被允許在一個時刻存在。

還有一個事實是，正如我們所知，宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹，沒有任何跡象表明它在短期內會減速(更別說坍縮了)。要弄清楚是什麼導致它踩剎車並掉頭，非常棘手。

儘管如此，高溫理論(和其它)的觀點還是值得探索的，因為宇宙最早的時刻為現代物理學提供了一些最令人困惑和最具挑戰性的問題。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源：

https://www.livescience.com/cyclical-universe-explained-string-theory.html

相關焦點

  • 宇宙會坍縮成奇點無限循環大爆炸嗎?物理學家給出新解釋
    宇宙會永遠存在嗎？如果是這樣的話，也許它一直在一個永無止境的大爆炸循環中來回彈跳，在這個循環中，所有的物質都從一個奇點中冒出來，接著是大爆炸。而在大爆炸中，所有的物質都被再次吞沒，形成那個稠密的點，宇宙從那裡再次誕生。如此循環往復。 然而，這些理論的數學從來沒有真正地解決我們宇宙是循環的，還是只有一個開始和一個結束。但最近，一組理論家利用弦理論來解決早期宇宙的一些基本謎題。
  • 宇宙會坍縮成奇點嗎?研究解釋了其中的原因
    大爆炸與宇宙膨脹插圖新浪科技訊 北京時間10月16日消息，據國外媒體報導，宇宙永遠存在嗎？若是如此，或許宇宙是在一個永無止境的大爆炸循環中來回跳動。在大爆炸中，所有物質從奇點膨脹而來，接著又是大坍縮。大坍縮的時候，一切的一切又被再次吞沒，形成密度無窮大的奇點。然後，萬物又始於奇點，一遍一遍如此循環往復。但是，這些理論的數學計算卻從未可以真正告訴我們，宇宙到底是循環的還是有始有終的。不過最近，一組理論物理學家利用所謂的「弦理論」，來嘗試解決早期宇宙的一些基本謎團。
  • 宇宙或許是在一個永無止境的大爆炸循環中來回跳動
    若是如此，或許宇宙是在一個永無止境的大爆炸循環中來回跳動。在大爆炸中，所有物質從奇點膨脹而來，接著又是大坍縮。大坍縮的時候，一切的一切又被再次吞沒，形成密度無窮大的奇點。然後，萬物又始於奇點，一遍一遍如此循環往復。
  • 宇宙大爆炸始於奇點,最後會不會重新坍縮回奇點?
    在理想情況下，在超球面宇宙裡向某個方向發射一束光，它最終會從背後飛回來。當然，這是在理想情況下，實際上超球面宇宙的情況會複雜得多，由於物質分布的不均勻，光在超球面宇宙裡的行進路徑會不斷被各種質量天體彎曲，最終都不知道被彎到哪裡去了。
  • 宇宙大爆炸中的奇點和黑洞中的奇點是一樣的嗎?
    因此，黑洞奇點如果發生爆炸，也與宇宙大爆炸截然不同，因為宇宙大爆炸是各向同性的，而黑洞奇點大爆炸無法做到這一點，因為它是處在四維時空裡面，它的爆炸是有中心的，而它周圍的時空完全程度本來就存在差異，也就是一開始，離奇點越近彎曲越嚴重，這樣即使奇點不爆炸，也不存在各向同性，而在爆炸以後，能量密度也是以中心往外輻射，同樣不存在各向同性。
  • 黑洞已經讓光都無法逃離了，為何宇宙「奇點」可以發生大爆炸？
    黑洞中的「奇點」與宇宙起源的那個「奇點」有相似之處，也有不同之處。黑洞吞噬周圍的物質，將物質全部壓縮在奇點上，造成了那個點體積很小，密度很大，但並非是「無限」，應是有限，宇宙起源的那個奇點，並非是一個點，它是一個既存在但又無法用物理定律描述的一個時空曲率無限大的「點」，這個點包含著純能量，擾動打破了平衡，於是引發了大爆炸。
  • 如果宇宙由奇點大爆炸而來,那麼奇點又是如何來的?
    所謂的穩態理論就是科學家認為宇宙是一個靜止穩定的環境，可是隨著科技的不斷發展，科學家發現很多有關宇宙的謎團，用穩態理論很難做出解釋。反而是大爆炸理論能夠解釋很多的宇宙謎團，所以最後奇點大爆炸成為了科學界對宇宙起源主流的理論。
  • 解讀宇宙大爆炸無限小的「奇點」,在那裡傳統物理定律完全失效!
    不少人並不支持宇宙大爆炸理論，這很正常，就是因為它的不完美，同時這個理論也並非能解釋所有的宇宙之謎。但不管怎麼說，這個理論是最為大眾所接受的理論。很多人對宇宙大爆炸理論有誤解，只是表面的理解。事實上，宇宙大爆炸絕非字面上的意思，並非我們現實生活中見到的那種爆炸，說白了就是一種時空的膨脹，從一個奇點開始迅速膨脹。最開始的奇點體積無限小，密度和溫度無限大。
  • 宇宙大爆炸理論是糊弄人的嗎?來看看諾貝爾獎都頒給誰了
    引言：人類在宇宙面前渺小得不能再渺小，導致人類在探索宇宙方面的能力十分有限。但一部分領軍人類科學的人物又想對宇宙進行深入研究，於是各種關於宇宙演化、現象的理論被提了出來。你還認為宇宙大爆炸理論是糊弄人的嗎？來看看諾爾爾獎都頒給誰了。
  • 宇宙大爆炸理論被衝擊!科學家:我們的宇宙正在「循環」
    如果沒有宇宙，人類也就不會出現，那宇宙又是怎麼出現的？可能你會說，宇宙的前身是一個「奇點」，它的主要特點是體積無限小、溫度無限大、密度無限大和時空曲率無限大，奇點在一次大爆炸之後，逐漸膨脹成了如今的宇宙，物質也從稀疏變得稠密。這就是宇宙大爆炸理論，是科學界非常有影響力的一種宇宙起源假說。
  • 如果宇宙最初是一個奇點，那麼奇點之前是什麼？
    宇宙誕生於138億年前的一次大爆炸，這已經成為現代宇宙誕生論的標準答案，儘管也有很多的不同意見，但通過現代天文觀測，大爆炸論能被證實的證據是比較充分的，當然我們今天不糾結大爆炸論的來歷，而是大爆炸的奇點，都說宇宙誕生於大爆炸，那麼請問奇點之前又是怎麼樣的世界呢？
  • 諾貝爾物理學獎獲得者：大爆炸之前還有其它宇宙
    ，大約在137億年前的某一時刻，所有物質和能量都被擠在一個密度無限大的奇點中。科學家認為，這個起點是宇宙時間和空間的起點，在此之前，談論時空是沒有用的。就像一個嬰兒剛出生，你無法說他十年前長啥樣。但是，這個奇點在某種複雜的物理機制下，產生了「大爆炸」，宇宙空間開始膨脹。​經過了137億年的時間，宇宙演化成了我們現在所看到的樣子。
  • 黑洞中有個奇點,宇宙起源也是奇點,那麼黑洞是宇宙的起源嗎?
    現代量子力學認為，宇宙起源於虛無中的量子漲落，起源於真空中爆發的奇點。奇點是什麼，就是一個體積無限小，曲率無限高，溫度無限高，密度無限大的存在。宇宙奇點和黑洞奇點都是這樣表述的，看起來差不多，但產生的原因和根源卻有很大區別。
  • 宇宙大爆炸前奇點與黑洞奇點都是由物質組成的嗎?
    無限小又不能完全等同於沒有，這個理解起來也有一定難度，反正就是人類無法了解有多小。現在的奇點理論有兩個，一個是黑洞奇點，一個是宇宙大爆炸之前的奇點。其實這兩個奇點除了質量不同，其他的主要性質都差不多。既然這個奇點無窮小，卻包含著整個宇宙，當然也包含著你我他。
  • 宇宙是奇點發生大爆炸而產生的,這個神奇的奇點又是從哪來的呢?
    宇宙大爆炸理論是目前公認度最高的一種宇宙誕生模型，宇宙大爆炸理論認為：在137億年前，奇點發生了一場大爆炸，時間與空間由此誕生，然後宇宙開始快速膨脹，由膨脹勢能衰變而成的基本粒子在冷卻的過程中逐漸合成了各種物質，於是誕生了我們如今的宇宙，如果宇宙大爆炸理論來說，宇宙的年齡已經有137
  • 宇宙大爆炸之前到底發生了什麼?
    過去幾十年來，物理學家告訴我們，一開始宇宙處於密度和溫度都無限高的狀態，可以想像成一個無限稠密的小球體；然後
  • 宇宙大爆炸才出現的空間,那宇宙大爆炸之前有沒有空間?
    廣闊的草原，蔚藍的天空，深邃的宇宙，我們可以真真切切地感受到空間的存在。如果現在有人說，在宇宙誕生之前不存在時間與空間，你會相信嗎？如果宇宙誕生之前不存在時間與空間，那麼這一切又從哪裡來？最為關鍵的是，宇宙誕生之前的狀態是什麼？誰來盛放這海量的物質？ 如果說之前是模糊宇宙學，那麼現在就一定是精確宇宙學了，不僅需要理論，也更需要實際觀測的支持。
  • 宇宙起源於宇宙大爆炸,無窮小的奇點為何會爆炸出如此浩瀚的宇宙?
    在萬有引力定律的基礎上，牛頓認為宇宙中的任何萬物都在萬有引力的作用下向中心聚攏，最後聚攏成一個點，但是這些天體被誰推動的，他卻無法解釋。按照宇宙大爆炸理論，宇宙應該是誕生於138億年前的一次大爆炸，在宇宙最初的時候只是一個能量奇點，一般理論認為這個奇點沒有空間，宇宙半徑尺寸趨近於零，但它卻被科學家們認為集合了宇宙中所有的物質和能量，被看作是一個密度無限大，熱量無限大，溫度無限高，壓力無限大，時空曲率無限大，體積無限小的一個「點」。
  • 沒有大爆炸?量子方程式預言宇宙沒有開端
    該模型還可以解釋暗物質和暗能量，從而一次解決多個問題。 根據廣義相對論的估計，宇宙被廣泛接受的年齡是138億年。一開始，所有物質都被認為處於一個無限密集的點，或稱奇點。直到這一點在「大爆炸」中開始膨脹，宇宙才正式開始。
  • 奇點為啥有四個無限
    奇點是一個假設，在奇點處一切理論都失效。    現代物理學認為，宇宙大爆炸起源於一個無限小的奇點，既然無限小，就是無法度量的小，它當然比一個電子還要小，比量子力學認為人類可以認知最小的極限，普朗克尺度還要小。