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作者:易互动热点资讯 时间:2018-11-30 22:32 来源:www.yihudong.net
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首页 > 专栏 > 苗千:科学闲话 >正文 宇宙生的另一个版本 2012-12-28 15:28作者:苗千来源:三联生活周刊

“恋爱到底是怎么一回事——他来的时候我还不曾出世。”与诗人对恋爱的追问一样,宇宙学家们也在追问,宇宙到底是怎么一回事?早在宇宙学出世之前,这个问题就已经成为人类最大的疑惑。

文在广义相对论出现之后诞生了宇宙学,人类第一次能够通过科学手段来研究宇宙诞生和发展的过程。随着人类对宇宙观测的深入,一个动态的宇宙模型取代了传统的静态宇宙模型——近年来宇宙学研究最紧张也最令人惊讶的一个发现,就是宇宙正在加速膨胀,对这个发现做出主要贡献的科学家萨尔·波尔马特(SaulPerlmutter)、布莱恩·施密特(BrianP.Schmidt)和亚当·里斯因此获得了2011年诺贝尔物理学奖。但是一个膨胀的宇宙带给了人们更多困惑,军事热点,这意味着宇宙会有一个开端,也意味着宇宙有年龄。

现代宇宙学理论认为,宇宙诞生于大约137亿年前的一次宇宙大爆炸,在宇宙诞生的10-36秒之后,婴儿时期的宇宙经历了一次急剧膨胀,在10-33秒的时间里,宇宙的体积膨胀了1078倍,这次急剧膨胀也形成了我们现在居住的宇宙的基本架构,这个过程被称为宇宙暴涨。

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2011年诺贝尔物理学奖获得者萨尔·波尔马特

尽管宇宙暴涨理论最初并不被人信服,但是在20世纪80年代,这个理论解决了宇宙学两个庞大疑问:为什么我们的宇宙空间几乎是平直的(曲率非常小)?为什么宇宙空间中遥远的遍地看上去彼此关联?这使宇宙暴涨理论获得了许多支持者。随后,个人热点,支持这个理论最有力的证据——宇宙配景辐射被发现,这是在137亿年前宇宙暴涨时留在空间内的回响,这个证据使得暴涨理论成为被宇宙学家们遍及接受的科学理论。

疑问与矛盾依然存在。假如初生宇宙经历过一次从极小到极大的暴涨,那么,宇宙在诞生之后、暴涨之前,又发生了什么?假如把宇宙正在加速膨胀的过程回溯,时间反演,我们就会看到宇宙逐渐收缩,末了回到了一个极小的原点,也就是宇宙诞生的那一刻。在宇宙暴涨之前,还在婴儿时期的宇宙处于一种密度和温度都极高的状况,这是一种极为不凡的状况,物理定律在这种状况下也不再成立,因此,人们现在无法了解在宇宙诞生之后、暴涨之前这段时间所发生的一切。

宇宙从刚刚诞生到一普朗克秒(10-43秒被称为1普朗克秒,这个时间被认为是宇宙中最小的时间单位)之间的这个不凡时期,被称之为&lduo;普朗克时代&rduo;。宇宙学家们希望可以了解宇宙在诞生之后的每一个细节,他们对于在普朗克时代宇宙状况的模糊不清无法满足。宇宙为什么会突然发生暴涨?在暴涨之前必然还有其他的过程,但是宇宙学家们至今仍旧没有充足有力的理论兵器来解决这个问题。

按照宇宙大爆炸理论,宇宙诞生于一个奇点,而诞生初期的宇宙也只存在于一个极小的范围内,它的整个长度甚至小于普朗克长度(普朗克长度大约只有1.6×10-35米,远远小于现在的基本粒子,按照现代物理学理论,普朗克标准是宇宙中最小的长度单位),如何处理比普朗克长度更小的标准上的问题,现代物理学无能为力。

在极小的范围内,人类现实生活中经常被忽略的引力会变得与其他三种彼此作用的强度相类似。因此,研究在普朗克长度的标准之下的物理学,科学家们不光需要利用描述物质在微观状况下行为的量子力学,也需要通过几何语言来描述引力的广义相对论——要想深入理解宇宙的诞生过程,终极需要量子力学和广义相对论的结合。

对于量子力学与广义相对论结合的研究,正是现代物理学研究的最前沿。目前,在这个领域有两个紧张的分支:弦理论和圈量子引力理论。目抢n为流行的是弦理论,弦理论学家们一直致力于发展出一个物理学的大统一理论,用来注释一切物理学现象。相对而言,在20世纪80年代才逐渐发展起来的圈量子引力理论还不够完善,研究者也比较少(做一个粗略的数字比较,有452人参加2007国际弦理论会议,156人参加2007国际圈量子引力会议)。

弦理论的蓝图更加广阔,目前的发展也更为迅速,但是弦理论自己是建立在一个假设之上,即我们生活的宇宙是由11个维度的时空所组成,除了时间维度和三个空间维度之外,其他的维度都微小而卷曲,通常不被察觉。目前没有任何实验可以验证(也无法否定)这个令人惊讶的假设,因此弦理论至今也只能作为一个优美的数学模型而不是被物理学家们遍及接受的物理理论。圈量子引力理论相对现实,它希望可以结合量子力学和广义相对论,银行汇票,首先统一这两个基础物理学的支柱理论。圈量子引力理论得出的结论同样令人惊讶:它描述了引力的量子化特性,同时,就像是物质和能量的量子化一样,时空自己也是量子化的,时空是一种在极小标准下的&lduo;编织物&rduo;,被称为&lduo;自旋泡沫&rduo;。

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2011年诺贝尔物理学奖获得者布莱恩·施密特

弦理论与圈量子引力这两种理论仍旧在发展中,&lduo;胜败&rduo;尚难预料,科学家们还不知道未来物理学的基础理论将是什么面目,但是假如把前沿的物理学假说运用到宇宙学中,却可以给宇宙学家们一些另类的启示。德国物理学家马丁·德约沃尔德(MartinDojowald)首先把圈量子引力理论运用到宇宙学中,随后,在其他圈量子引力学家的努力下,发展出了圈量子宇宙学,它得出了不同于传统宇宙学观点的结论。按照圈量子引力理论的推导,引力作用在极小的距离上会发生变革而转变为斥力。这种斥力可以制止奇点的存在,宇宙不再是诞生于一个密度无限大的奇点中——物理学只能够处理有限的情况,物理学家们对于无限条件下的奇点无能为力,圈量子宇宙学把物理学家们从无限的尴尬中解脱了出来。

不存在宇宙大爆炸的奇点,也就是说,并不存在&lduo;宇宙大爆炸&rduo;,替代这个概念的则是&lduo;宇宙大反弹&rduo;——圈量子宇宙学家们认为,宇宙在某种条件下最先收缩,收缩到极小的普朗克长度以下后,引力转化为斥力,这个微小的宇宙最先大反弹,进而出现了宇宙暴涨。圈量子宇宙学描述了普朗克长度以下宇宙的状况,而且把初生时期的宇宙状况和宇宙暴涨理论结合到了一起。与之类似,宇宙中由坍塌的恒星所形成的黑洞也不再是由密度无限大的奇点所组成,通过圈量子宇宙学,宇宙学家们可以计算出黑洞的熵值。

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【编辑:易互动】
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