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引力波证据引发科学界"大扫除" 理论物理遭颠覆

http://www.kexue.com 2014-03-27 09:54:32 中国科学报  发表评论


最前方为引力波发现者Andrei Linde

  3月17日,哈佛-史密森天体物理中心的天文学家John Kovac展示了人们期待已久的引力波存在证据,即空间结构波动。引力波起源于宇宙急速扩张的膨胀时期所发生的大爆炸。

  当天在美国马萨诸塞州剑桥市的日落之前,加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的宇宙学家David Marsh和同事已经将第一篇描述该发现结果的一些细节的论文,张贴在网上。

  作者写道,Kovac的团队使用南极BICEP2望远镜所作的测量,差不多排除了试图基于一个被称为轴的假设基本粒子解释宇宙膨胀和另一个宇宙谜题(即暗物质的本质)的一类模型。不过,研究人员并未排除所有的轴模型,只排除了“那些特别的、构成暗物质一小部分的轴类型”。Marsh说道。

  马里兰州约翰-霍普金斯大学宇宙学家Marc Kamionkowski赞同停止一些轴模型的使用,“因为与BICEP2相比,它们要求宇宙膨胀发生在较低能源规模的环境下”。

  Kamionkowski称,BICEP2的发现还会一举排除大量的其他理论,包括一些关于导致宇宙膨胀的能量场属性的想法。“那些模型都因此惊人地坍塌了。”他说。

  “一个伟大的春季大扫除开始了,几乎所有的东西都被排除了。”麻省理工学院(MIT)宇宙学家Max Tegmark说道,“它不仅动摇了实验领域,还动摇了理论世界。”

  在BICEP2被公布的第二天,斯坦福大学宇宙学家Andrei Linde在MIT一个拥挤的礼堂演讲时称,BICEP2数据将排除约90%的膨胀模型。这些模型中的许多在可探测水平下并不能产生引力波。Linde是膨胀理论的创始人之一。

  不过,他表示,新发现将会与“混乱的膨胀”理论很好地吻合。Linde在30年前发展出该理论。在Linde的模型中,膨胀从未完全停止,只是在有限的空间中停止,但在其他地方会继续发生指数级的扩张。混乱的膨胀不仅能产生我们所存在的宇宙,还会产生包含许多口袋宇宙的多元宇宙,每个口袋宇宙都会有自己的物理规律。一些批评者认为该理论无法被验证。

  Linde还称,引力波似乎排除了另一种被称为循环宇宙的膨胀模型。在该模型中,两个“膜世界”相互碰撞产生了宇宙大爆炸,所谓“膜世界”是指三维空间宇宙在一个更高维度的空间内漂浮。该理论不会产生引力辐射。

  新泽西州普林斯顿大学的理论物理学家Paul Steinhardt是循环宇宙理论的一个发起者,他认同若BICEP2的发现被证实,那么他的理论就是错误的。不过他称自己仍抱有希望,其模型的一个变化形式可能会产生辐射。

  MIT理论物理学家、诺贝尔奖得主Frank Wilczek称,BICEP2的结果会使一些弦理论发生倒退。弦理论认为,基本粒子是由微小的振动能量组成的。科学家通过结合弦理论和宇宙学,形成了膨胀模型:可使用比BICEP2检测到的能量低很多的能量来产生引力波。

  斯坦福大学理论物理学家Eva Silverstein称,她不认为以弦理论为基础的膨胀模型遇到了麻烦。“一切都重新开始是没有意义的。”她补充道,事实上,同时涉及轴和弦的一类理论现在看起来很有前景。

  Linde同意她的看法。“我们并不需要丢弃弦理论,这只是一个了解哪种理论更好的正常过程。”他说,“我们所有人,而不只是弦理论家,应该回到最初的工作中,但不是因为我们失败了,而是因为我们了解到非常重要的信息,并应该使用这些信息取得进展。”

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