些科学家却暗示了一种更加奇怪的宇宙命运。

文章作者:管理一号 | 2019-08-05
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绘图:Karan Singh绘图:Karan Singh

来历:全国际科学

根据现有的国际学模型,国际要么永久存在,要么将走向支离破碎。但一些科学家却暗示了一种更加古怪的国际命运。这篇文章,叙述了物理学家对国际结局的探究之路。

因为国际的持续胀大,从前相邻的星系团将高速分离,速度快到连光都无法填补这个缺口。恒星将焚烧殆尽,国际陷入无尽的漆黑……这个“大冻住”(The Big Freeze)理论,描绘了当今最为盛行的国际结局模型。

大冻住理论是国际学标准模型的直接作用。这个理论认为,国际加速胀大的推动力——暗能量,将坚持不变。这种加速背面的奥秘驱动力被称为暗能量,将永久具有不变的力。

大冻住并不是国际结局的仅有猜想。大揉捏(The Big Crunch)理论认为,暗能量非但不会永保不变,反而或许跟着时间的推移而减少,国际毕竟会自我坍缩,紧缩成一个奇点,就像大爆炸之前相同。而大撕裂(The Big Rip)理论则认为,暗能量的力气在未来会增加,导致胀大率继续增加,直到到达光速。毕竟,悉数的物体,包含恒星和星系都会被撕裂成底子粒子。

大冻住,大揉捏仍是大撕裂?或许三者都不是?对国际未来的第四种猜想更加令人震惊。它暗示了一个更为古怪的现象:国际或许不会完全结束,而是演化成一种我们现在无法描绘的状况。

暗能量是现代国际学中最重要的发现。上世纪90年代末,天文学家发现,国际的胀大非但没有跟着国际年龄的增加而放缓,反而在加速。是什么力气推动着国际不断地加速胀大呢?人们天性地认为是时空本身的真空能推动的。真空中的粒子会在瞬间发作和消失,瞬间消失的粒子或许会发作能量将空间推开。

暗能量的不同模型会演化出不同的作用。(图片来历:NASA/CXC/M.WEISS)

真空能(Vacuum energy)是一种存在于空间中的布景能量,即使在没有物质的空间中依然存在。但是当用量子物理的原理计算真空能时,它的数值变得十分大。英国爱丁堡大学的观测国际学家Catherine Heymans说:“真空能会让国际在诞生后敏捷胀大,乃至连榜首批恒星和星系都不会构成。”为了避免这个问题,物理学家们设想出一个量子进程将真空能抵消。Heymans说:“在理论物理学中,将某物归零相对简略。”

但是暗能量,或许延伸到真空能量的层面,并不为零。大多数观测指出,国际中特定时空体积的真空能量,也就是暗能量密度,跟着时间是恒定的。这个数被称作国际学常数,用来标明暗能量的强度。但是,要解说其挨近零但为正的数值是极端困难的。

所以,另一种试图描绘国际本质的理论——弦论诞生了。

扎手的问题

上世纪90年代,弦理论已经成为“万有理论”的主要候选者。弦论的一个底子观念是,自然界的底子单元不是点状粒子,而是十分细微的线状的“弦”,这些弦在9+1维时空里振动。为了符合我们能观察到的4维时空,额外的空间维度有必要被“紧缩”,紧致到无法被探测到。每一种紧致方法都会导致一个不同的国际。弦理论最大的挑战,就是找到描绘我们特定时空的仅有解。

这项作业遇到了问题。德西特国际(De Sitter space-time)认为,我们日子在在一个由略大于零的国际学常数描绘的国际中,所以怎样用最简略的方法紧缩额外的维度是弦理论学家需求极力处理的问题。

2003年,Shamit Kachru、Renata Kallosh、Andrei Linde和Sandip Trivedi(简称KKLT)提出了一种经过用弦理论构建我们的时空的凌乱方法。他们的作业被誉为理论的成功,但却付出了巨大的价值。

弦论在高能环境中收效,例如国际大爆炸之后。所以,为了能使该理论描绘当今能量较低的时空,弦理论有必要寻找自己的有用场论。运用KKLT结构得到的确切时空取决于额外维度是怎么紧缩的。2005年,弦论学家证明这至少能够用10500种方法来实现,每一种都给了我们一个可行的德西特时空。其作用是一个潜在国际的宽广现象,一个多重国际,其间悉数能够想象的时空都能存在。在这个理论空间中,真空能的取值构成了一个凌乱的“地形图”,被理论家称之为弦现象(String Landscape)。尽管KKLT提出了一种建立描绘德西特时空的有用场论的方法,但它不能为我们的国际供应一个准确的理论。

进入沼泽地

这让哈佛大学的弦论学家Cumrun Vafa感到困扰,他对KKLT构造的模型并不满足。除了没有发作预期的作用,他还认为KKLT的提议在数学上过于凌乱,难以验证。

Vafa开端从另一个角度看待这个问题:是否悉数或许的有用场理论都能从弦论中发作,或许弦理论能否扫除某些有用场论,然后扫除去某些类型的国际。他意识到,并非悉数的有用理论都能够从弦论中导出。一旦引入引力,一些看似合理的理论就不能准确地描绘我们的国际——这是一个常见的差错。Vafa将其命名为沼泽地,标明满是站不住脚的主见。

最近二十年来,弦论学家们一向未能构建出任何德西特时空的简略模型。在他的德西特猜想中,悉数有用场理论都属于沼泽地。德西特国际不或许是弦理论方程的解。

关于Linde来说,德西特国际只是个未经证明的解说,他一向支撑KKLT结构,即一个具有国际学常数的国际能够用弦理论来描绘。“这是一个凌乱的故事,”他说,“一个人不应该根据未经证明的论据,遽然扔掉从前的作用。”

德西特的猜想“或许对,也或许不对”,Vafa标明,“当我们进一步研讨它时,我们就会发现,假设被证明是正确的,它将对国际学的标准模型发作重大影响。”根据Vafa等人的研讨,其间最重要的一点是,暗能量密度不是一个近似常数,而是跟着时间的推移而缓慢减小。

假设这个定论建立,它将对国际的命运发作深远的影响。在未来数百亿年内,暗能量或许会趋于零,乃至变为负值。然后,或许国际会以大坍缩而告终,而不是永久胀大下去。

这种改变暗能量的方式被称为精质(quintessence)。精质是一种关于暗能量的假定方式,被提出来解说关于国际加速胀大的观测。这一观念在国际学常数走向干流之前十分盛行。

Linde是最早研讨精质的科学家之一,但他对此并不信服。“精质是或许的,但它带来的问题比它能处理的要多。”他说。曩昔几年间,有痕迹标明,暗能量密度的改变或许实际上处理了一场令人惊奇的国际学冲突。

这一敌对发作于丈量当今国际胀大速率,即哈勃常数的两种不同方法。一种方法是经过研讨邻近星系中的恒星和超新星来直接丈量它。另一种方法是研讨国际微波布景,这是国际大爆炸后38万年宣布的榜首束光,然后从这些数据推断出今日的国际。两种方法得到的作用有明显差异。

大曲解——国际全新阶段

这种差异或许是实验过失形成的,但也能够经过暗能量随时间的改变来处理,即将其视为一种精质。

你或许认为遵从Vafa理论的弦论学家会为这个消息感到高兴。但他们没有。Wrase说:“哈勃常数和德西特沼泽猜想方向相反。”德西特猜想要求暗能量密度跟着时间的推移而减小;而只有当暗能量密度增加时,哈勃常数问题才能得到处理。

至于国际的命运,日益增长的暗能量密度标明,大撕裂,而不是大揉捏,正蓄势以待。约翰·霍普金斯大学的Adam Riess说:“这是一个可怕的版本。”毕竟,每一处时空都有无尽的暗能量,它的斥力会撕裂悉数:星系、行星、分子、原子,毕竟,还有时空本身。“反抗暗能量将是白费的。”Riess说。

因而,我们似乎又回到了起点。暗能量正在减少,坚持不变或跟着时间的推移而增加,各种观念互相敌对,国际的命运危如累卵。这就是Vafa认为,有一种方法能够和谐沼泽地猜想和哈勃常数的差异。

除了暗能量,国际中另一个看不见的组成部分是暗物质。人们认为暗物质的引力将星系和星系团集合在一起。Vafa说,假设暗能量正在减弱,这将对暗物质发作影响。“弦论告诉你应该有一个互相作用。”Vafa发现,这种互相作用会导致暗物质粒子的质量跟着时间的推移而减小。这改变了哈勃常数的外推值,能够缩小过失。

这是否意味着国际正走向大冻住,而不是大揉捏或大撕裂呢?不完满是。仔细观察会发现,Vafa的主见会让其他场景都显得平淡无奇。这意味着,几百亿年后的国际将完全改变。在弦论中,这通常意味着一个新的维度被打开了。“所以这是一个全新的国际,用我们当时国际的言语是无法描绘的。我们现在日子在三维空间中。在这个新的理论中,它或许含有四个空间维度。”

任何新出现的空间维度都是弦论的一个额外维度从紧化中跳出的作用。这个大曲解所发作的国际将与我们的完全不同。“一个全新的阶段开端了。”Vafa说。因而,尽管国际仍将存在,但它将具有什么性质,以及它的后续轨迹将是什么,现在还不清楚。

现在弦论学家经过后续实验,或许很快就会做出一些猜想,哪怕只是些简略的猜想。例如,假设弦论学家能够证明德西特猜想,就会导致一个猜想,即传统国际学所喜爱的那种时空不或许存在。但假设实验发现了无可争议的根据,来支撑国际学常数和我们国际的德西特真空,“我们能够说弦论是差错的”。

无论发作什么,国际的未来看起来一点也不无聊。

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