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科学家通过复杂计算发现:宇宙是无始无终的循环

 

最近,科学家通过复杂的计算机模拟发现,除了宇宙暴胀,宇宙收缩同样可以创造出今天我们所见宇宙的种种特征。并且在循环宇宙中,膨胀和收缩会交替进行。在这个理论中,宇宙无始无终。

目前,科学家通常是这样描述宇宙诞生的模样:大约140亿年前,宇宙出现了大量不知何处而来的能量。宇宙在短时间内开始急剧扩张,能量的爆发让宇宙像气球一样膨胀。这次扩张将宇宙中任何大尺度上存在曲率的地方都拉平了,这也形成了今天我们所看到的结果:宇宙可能是一个平坦的几何结构。(尽管也有理论认为宇宙可能是封闭的球状)物质彻底地混合在一起,以至于宇宙看起来几乎没有明显特征。在宇宙各处,恒星与星系从成团的物质中产生了,它们也成为了本该光洁无暇的宇宙画布上不起眼的尘埃。

宇宙暴胀理论对这一现象进行了阐述,该理论与迄今为止所有观测都相符,大多数宇宙学家都对此表示认同。不过也有人发现,暴胀理论的一些推论会令人困惑。大部分区域的时空都在不停地迅速膨胀。结果是,暴胀不可避免地会产生多重宇宙,即包含了无限多的“口袋宇宙”。一些批评者认为,暴胀理论能用来预测任何事,而这也相当于它最终什么都预测不了。“暴胀理论并不像预期的一样奏效。”保罗·斯坦哈特(Paul Steinhart)说道,他是暴胀理论的创始人,现在却成为该理论最著名的批评者之一。

近年来,斯坦哈特和其他人已经着手提出一套关于宇宙形成的不同理论。他们重拾起循环宇宙的观念:宇宙在周期性地扩张与收缩。他们希望能够摆脱宇宙大爆炸的桎梏,再现我们今天所见的平坦而光滑的宇宙。

最近,斯坦哈特与一些专攻引力计算模型的研究者展开了合作,他们分析了一个坍缩的宇宙是如何改变其自身结构的。并且,研究最终发现坍缩宇宙的收缩程度能超过膨胀程度。不管宇宙在收缩前看起来多么奇异扭曲,宇宙坍缩都能够极大地抹平大部分的宇宙原始褶皱。

压缩视野

在过去一年半时间里,斯坦哈特和德国马克斯·普朗克研究所的宇宙学家安娜·伊尧什(Anna Ijjas)合作,提出一种新奇的循环宇宙,或者说“火宇宙”观点——这一理论认为,不经过坍缩也能实现宇宙重生。

当人们试图将宇宙膨胀与收缩可视化时,常常将宇宙描述成气球,并且用一个“宇宙标度因子”来描述宇宙尺寸变化。此外,还存在另一个测量标尺——哈勃半径,也就是我们能见的最大距离,不过其一直备受冷遇。在广义相对论方程中,两个尺度因子会各自独立演化,并且你可以通过改变任何一个因子来使宇宙变得平坦。

你可以想象有一只蚂蚁处于一个气球上。暴胀就像吹气球,宇宙在膨胀阶段变得光滑与平坦。而循环宇宙在收缩过程也能保持光滑。在这一阶段,气球会平缓地收缩,而该过程的大多数事件主要在视界边缘发生。这就像那只蚂蚁通过一个功能日益强大的放大镜观察万物,但它能看见的距离在收缩,因此它所处的世界就会逐渐失去特征。

斯坦哈特和他的搭档设想了一个可能已扩张了一万亿年的宇宙,该过程会被一种无所不在的(也是假设的)能量场所驱动。(现在我们会将这种场的活动归因于暗能量)当能量场最终变得稀疏,宇宙开始平缓地收缩。经过数十亿年,一个收缩的标度因子把万物都拉得更近了一些(但没有收缩到一个点)。而此时,宇宙剧烈的改变来自哈勃半径,它会迅速变化,最终变得极小。宇宙的收缩给能量场重新蓄能,令宇宙变热并且使其中的原子蒸发。紧随其后是一次向外反弹扩张,而宇宙再次循环,获得重生。

在这一反弹模型中,极小的哈勃半径保证了宇宙能维持光滑和平坦。暴胀令宇宙中许多初始的不平整之处膨胀,变为真实而庞大的多重宇宙,而缓慢的收缩却会挤压,并最终让它们消失。最终留下的将会是一个无始,无终,没有大爆炸奇点,也没有多重宇宙的宇宙。

任意宇宙到我们的宇宙

现在,宇宙暴胀与宇宙反弹理论都面临一项挑战,那就是它们需要证明,无论宇宙是怎样开始的,两项理论中的能量场是能造就现今宇宙的。

伊尧什和斯坦哈特经常批评暴胀理论只在特殊情况下才成立,比如其能量场需要在无显著特征和位移极小的情况下形成。理论物理学家已经彻底地研究了这些情况,部分是因为这些是唯一用黑板和数学就能解决的例子。据伊尧什与斯坦哈特发布的两篇预印稿的描述,他们的研究团队在最近的计算机模拟中,用平缓收缩模型对一系列初生宇宙进行了测试,这些运算对于纸笔分析来说太过庞大。

通过引入普林斯顿大学一位专攻广义相对论计算模型的理论物理学家弗朗斯·普里托里厄斯(Frans Pretorius)的代码,合作团队探索了不同能量场下宇宙收缩的情况,包括扭曲隆起的场,在错误方向上移动的场,甚至两部分各朝相反方向剧烈移动的场。而几乎在所有情况下,收缩过程都会迅速产生一个跟我们的宇宙一样的宇宙。“你只要让模型自然运行,宇宙在缓慢收缩后就变得非常平坦和光滑。”斯坦哈特这样说道。

凯蒂·克劳夫(Katy Clough),牛津大学一位专攻广义相对论数值解法的宇宙学家,称这一次新模拟“非常全面”。但她也提示,这类分析确实是最近有了先进的计算能力才得以实现,而暴胀理论可以处理哪些条件,其完整范围仍是未知的。“这项理论已经完成了一半工作,但它仍需更多证据,”她说。

尽管对于伊尧什和斯坦哈特的模型的兴趣各有不同,大多数宇宙学家依旧认同暴胀理论不会这样就轻易被扳倒。“平缓收缩理论当下并不是能与其匹敌的竞争者。”纽约大学的宇宙学家格里高利·加巴达泽(Gregory Gabadadze)表示。

伊尧什和斯坦哈特接下来将继续充实反弹模型——这是一个更复杂的研究对象,其中需要引入全新的相互作用来将万物再次推开。伊尧什现在已经想到了一种反弹理论,可以通过一种新的物质与时空相互作用来改进广义相对论,并且她推测这其中还存在其他机制。她计划马上用计算机来测试这一模型,来理解这一作用的更多细节。研究团队希望利用反弹模型将收缩与膨胀阶段结合起来后,能找到一些能供天文学家观测的独特特征。

尽管目前合作团队还没有完善循环宇宙的所有细节,但斯坦哈特仍然非常乐观,他坚信循环宇宙不久之后就能成为多重宇宙的替代理论。“我最担心的阻碍已经被克服了,”他说,“我再也不会为此晚上睡不着觉了。”

原文链接:

https://www.quantamagazine.org/big-bounce-simulations-challenge-the-big-bang-20200804/

责任编辑: 夏雨荷   来源:环球科学 转载请注明作者、出处並保持完整。

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