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暗能量与弦理论引出的问题:宇宙会一直膨胀吗?

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发表于 2018-10-31 14:13:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
來源: 新浪科技

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宇宙会永远膨胀,还是会最终塌缩成一个极小的点?  


新浪科技讯 北京时间10月30日消息,据国外媒体报道,宇宙会永远膨胀,还是会最终塌缩成一个极小的点?今年6月发表的一篇论文提出,根据一个重要的物理学理论——一个给物理学界带来巨大冲击的猜想——宇宙的无限膨胀是不可能的。
  奥地利维也纳科技大学的物理学家Timm Wrase说:“人们可能会对此感到十分激动,因为如果这是真的,而且被发现(证实),那将是非常辉煌的成就。”现在,Wrase及其同事发表了另一篇研究论文,阐述了这一理论中的一个巨大漏洞,这意味着目前还不能排除宇宙不断膨胀的可能性。
  暗能量和宇宙膨胀
  我们的宇宙中充满了一种庞大且看不见的力,似乎与引力作用方式相反。物理学家将这种力称为“暗能量”,并认为正是暗能量在不断向外推动我们所处的宇宙。不过,在今年6月,一群物理学家在预印本网站arXiv上发表了一篇论文,暗示称暗能量会随时间推移而变化。这意味着宇宙可能并不会永远膨胀,而是有可能最终塌缩成大爆炸之前的大小。
  然而,物理学家几乎立即发现这一理论存在的问题:几个独立的研究小组随后发表了论文,建议对该理论进行修改。在10月2日发表于《物理评论D》(Physical Review D)的一篇论文中,研究人员指出,最初的猜想不可能是对的,因为无法解释希格斯玻色子的存在。
  我们知道,物理学家已经通过大型强子对撞机(LHC)证明了希格斯玻色子的存在。作为《物理评论D》新论文的作者之一,Timm Wrase表示,尽管如此,经过一些理论上的调整,宇宙塌缩的猜想依然存在可能性。
  如何解释存在的一切?

  弦理论有时被称为“万物理论”,是一个在数学上十分优雅,但在实验上未经证实的理论框架。科学家用弦理论将爱因斯坦的广义相对论和量子力学结合起来。弦理论认为,组成宇宙的所有粒子并不是真正的点,而是一维振动的弦——这些振动的差异使我们将某个粒子视为光子,而将另一个粒子视为电子。
  不过,为了使弦理论成为宇宙的可行解释,还必须将暗能量整合进去。Wrase说,可以将暗能量想象成一个山谷景观中的球,如果球放在山顶,那它可能会静止不动,但是在受到最轻微的扰动时就会滚下山,因此它是不稳定的;如果球位于谷底,不移动或改变位置,此时它具有的能量很低,处于一个稳定的宇宙中,因为即使受到很强的推力,它也会滚回到谷底。
  很长时间以来,弦理论物理学家认为暗能量在宇宙中是恒定不变的。换句话说,暗能量正好落在谷底,不会从山顶滚落,也不会随时间推移而改变位置。
  在6月份发表的那篇论文提出,为了使弦理论能够解释宇宙,就要使“景观中不能有任何超过海平面的山谷”。在这一概念中,海平面隐喻性地标志着暗能量开始将宇宙拉到一起或推动宇宙分离的点,而我们的宇宙位于海平面之上。
  更可能的情况是,暗能量“球”处于一个斜度很小的斜坡,一直向下滚动。“当它向下滚动时,暗能量变得越来越小,”Wrase说,“球所处的高度对应我们宇宙中的暗能量。”
  在这个理论中,暗能量可能最终会落到海平面以下,并开始将宇宙拉回到大爆炸以前的形态。但是,还存在一个问题。Wrase说:“我们已经证明,不稳定的‘山顶’必须存在。”这是因为我们知道希格斯粒子是存在的。而且,科学家已经通过实验证明,希格斯粒子可以存在于这些“山顶”,即“不稳定的宇宙”中,可以因为最轻微的接触而受到干扰。


  稳定宇宙的困难性

哈佛大学的弦理论物理学家卡姆朗·瓦法(Cumrun Vafa)是6月那篇猜想性论文的主要作者,他表示,其实最初的猜想“对不稳定的宇宙来说是困难的”。10月的新论文和其他论文揭示了这一问题。但瓦法也指出,有若干论文提出了对猜想的细微修改,但仍然遵循Wrase及其团队提出的限制条件。

  即使在经过修改的猜想中,“我们也不会处于一个稳定的宇宙,而是一个变化的宇宙,”Wrase说道。修改后的理论称,不稳定的“山顶”可以存在,但稳定的“山谷”无法存在(想象一下马鞍的形状)。暗能量“球”最终必须开始滚动,即暗能量必须随时间推移而改变。但“如果这个猜想是错的,那么暗能量就可能是恒定的,我们会坐在两个山峰之间的山谷里,”而宇宙将继续膨胀。
  Wrase希望在10到15年内,人造卫星能对宇宙膨胀进行更加精确的测量,帮助我们理解暗能量是处于恒定还是变化状态。瓦法对此表示赞同,他说:“这些都是宇宙学中激动人心的时刻,希望在未来几年内,我们将看到宇宙中暗能量变化的实验证据。”

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