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普朗克常数揭宇宙膨胀理论 早期扩张速度超光速

http://www.kexue.com 2014-01-26 09:53:28 凤凰科技  发表评论


虽然听上去不可思议,但膨胀理论表示宇宙最初膨胀的速度比光速还快,从一个亚原子大小几乎瞬间变成高尔夫球大小

  最初太空里一无所有——完全的绝对的空无,零能量零物质。忽然凭空出现了宇宙,微小但极度密集充满能量。然后,在几分之一秒的时间内,宇宙体积迅速膨胀——从10个数量级立即骤升到25个数量级。这个理论名为膨胀理论,是目前解释宇宙大爆炸后发生的情形以及宇宙是如何发展到现在的状况的主导理论。尽管很多科学家相信膨胀的确发生了,但他们仍然不知道它是何时以及如何发生的,或者如何停止的。到目前为止,仍然没有确凿性的实验证据解释宇宙这种加速的膨胀。

  科学家们希望在未来几个月能够解开这个谜题,到时他们将开始检测普朗克卫星获得的下一批数据。自2009年起,这台欧洲航天局的无线电天文望远镜就已经开始描绘宇宙最古老的光。

  这个名为宇宙微波背景(CMB)的最原始的光被称为宇宙大爆炸的余光。它被认为发生在膨胀阶段之后,大约是宇宙出生后38万年,当时中性原子开始形成,太空变得透明。2013年3月,当第一批普朗克的数据被发布时,膨胀论者和反膨胀论者都感觉自己的观点被证明了。

  支持这一理论的学者认为普朗克的结果完美的暗示了膨胀是如何发生的。然而批评家则辩论称膨胀模型只是扭曲以和数据匹配,而非真正的解释了这个问题。所有普朗克的数据都表明宇宙是“令人惊讶的简单”,美国哈佛大学的天体物理学家安娜-伊尧什(Anna Ijjas)这样说道。然而同一数据只支持高度复杂的膨胀模型和“只在受限制的初始环境才起作用。”

  小原因,大效应?

  科学家们希望下一批普朗克数据能够揭示膨胀理论是否是塑造现在宇宙的可行解释。宇宙膨胀理论的支持者表示它可能证明了当今宇宙的种子来自于量子力学。

  利用普朗克和早期观测,科学家们已经知道了CMB展示了微小的密度波动,随后在接下来的137亿年内,宇宙膨胀的异常巨大。这些经典的密度波动可能起源于宇宙大爆炸之后时空织布里较小的、自发的量子波动,英国剑桥大学的理论物理学家丹尼尔-鲍曼(Daniel Baumann)这样说道。“我们相信膨胀拉伸了这些微小的量子波动,形成了当今宇宙可以观测到的经典密度波动。”

  由于这些经典波动出现在宇宙膨胀之后,这意味着CMB创造时它们已经存在。正是这些密度波动形成了随后恒星和星系的种子。

  同步


欧洲航天局普朗克宇宙飞船的艺术家印象图。普朗克的主要目标是研究宇宙微波背景

  CMB里的振动提供了膨胀理论的另一个指针。当CMB开始“发光”,量子波动已经变成经典的密度波。第一批普朗克宇宙飞船的结果不仅证实了这些波动,还展示了它们在遥远距离仍相互关联:所有相同波长的波似乎都彼此同步振动。“利用膨胀理论,这种连贯性很好解释。” 鲍曼说道。“这是我们目前为止获得的最震撼的观测,真是非常吸引人。”

  然而,所有CMB测量里最令人震惊的结果之一便是原始光温度的均匀性,平均差别只有0.0003摄氏度。宇宙获得如此均匀的温度只有两种可能的方式,鲍曼解释道。

  在非膨胀模型里,宇宙不同部分的温度存在巨大的差异,随着时间的推移,它们将达到均衡,就像一个房间里的不同物体最终都会达到“室温”。然而,由于宇宙太年轻,因此无法解释如此大的宇宙空间达到均衡。换句话说:宇宙比光或者宇宙大爆炸里原始等离子体能够影响彼此的最远距离(也被称为视界)还要大。因此这似乎是个悖论,宇宙遥远的不同部分具有相同的密度和温度,虽然它们彼此无法“相互接触”。

  而膨胀理论则提供了一个更好的解释:所有的物质最初都具有相同的温度,忽然被加速的膨胀撕裂分崩离析。因此现在不同物体之间只有微小的温度差异,因为它们最初都从相同的地方以相同的温度开始的。

  “这就像发现两杯彼此相距很远的咖啡竟然具有相同的温度,”鲍曼说道。“如果它们从未进距离接触彼此交换热量,那么根本没有理由它们会具有相同温度。”在这个膨胀理论的比喻里,两杯咖啡“都是由同一咖啡机同时泡出来的,随后膨胀发生了并以超过光速的速度将两者分离。”

  引力波

  研究CMB极度昏暗的光非常棘手,但却具有科研潜力。这是因为宇宙开始时的量子波动引发了引力波,一种爱因斯坦预测的难以捉摸的目前仍是理论上存在的时空涟漪。

  如果科学家们发现了引力波,并将其与CMB的波动相匹配,那么它或将提供强烈地证据支持膨胀理论。“发现引力波将是膨胀模型的确凿证据,”鲍曼说道。这个证明非常复杂,且取决于来自CMB的光波偏振的细微变化。目前有两种偏振变量,分别名为E模式和B模式。后者描述了偏振的扭曲和旋转,科学家们希望利用这种变量提供膨胀理论的确凿证据。

  根据爱因斯坦广义相对论,因为考虑到膨胀过程中时空拉伸所涉及的巨大能量,CMB应该会展现出B模式,伊尧什说道。如果CMB的光的确是那样扭曲的,那么膨胀将会提供一个绝佳的解释,因为“这样高能量的机制将会剧烈的摇动时空,因此我们可以通过测量它产生的引力波的振幅而确定它的强度。” 伊尧什说道。

  鲍曼表示引力波可能让那些研究膨胀理论替代理论的科学家们接受膨胀模型。“观察到B模式将为我们提供膨胀的确发生过以及我们的确来自于量子波动的巨大信心。” 伊尧什对此表示同意。“目前主要的倾向性是设计复杂的具有多个参数的膨胀模型以匹配普朗克的数据,” 伊尧什说道。“是否能够检测到引力波是一个能够改善或者恶化膨胀理论的关键测试。”

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