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引力波的麻烦还没解决,宇宙大爆炸理论又遭遇了新挑战
2018-10-14 2:31:00           作者: 造就

关于宇宙起源的主流假说认为,量子真空出现能量波动,并在一瞬间膨胀,创造出一个婴儿时期的宇宙。

引力波的麻烦还没解决,宇宙大爆炸理论又遭遇了新挑战

 

这种假说可以解释很多难题,并且符合迄今为止所有的观测结果。

然而,这种“宇宙膨胀”假说缺乏明确的证据。

空间结构在膨胀时,应该形成被称为原初引力波的标志性涟漪,但到目前为止,即使是世界上最灵敏的天文望远镜,也尚未在宇宙当中侦测到它们。

近年来,原初引力波的缺席让一些不被看好的宇宙诞生理论获得了发展。然而,宇宙膨胀假说是复杂多变的。在该理论的诸多变体中,科学家认为,原初引力波的信号非常微弱,以至于无法被侦测到。

“问题在于,我们是否可以验证整个(膨胀)情景,而不仅仅是特定的模型。”哈佛大学天体物理学家、宇宙学家阿维·勒布(Avi Loeb)说,“如果没有一把闸刀可以把一些理论排除掉,那还有什么意义呢?”

引力波的麻烦还没解决,宇宙大爆炸理论又遭遇了新挑战

 

来自2微米全天巡天扩展源目录的本区域宇宙全天星图,该目录收录了150多万个星系。银河系位于星图的中心位置,其他星系按照距离远近用不同颜色进行了标记,其数据来自多个不同的巡天探测项目。

在物理论文预印网站arxiv.org近日发表的一篇论文中,勒布与哈佛大学的两位同事陈新刚和鲜于中之就发现了这样的“闸刀”。他们预测,整个宇宙的物质分布存在一种振荡模式,如果我们能够发现这种模式,便可以判断宇宙膨胀假说以及其他替代理论的真伪(尤其是这样一种假说,认为宇宙大爆炸其实是长期收缩之后的反弹)。

这篇论文尚未经过同行评议,但纽约州立大学布法罗分校的膨胀宇宙学家、斯德哥尔摩大学客座教授威尔·金尼(Will Kinney)表示,“我觉得这种分析似乎是对的。”他把该论文称为“一个非常优雅的想法”。

“如果信号是真实、而且可以被侦测到,那将非常有趣。”加州理工学院的肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)在一封电邮中表示。

关于宇宙大爆炸的任何潜在信号都值得我们搜寻,但专家们指出,主要问题在于,这种推定的振荡模式是否足够强大,可以被我们探测到。它或许不像前面所说的那样是一把轮廓清晰的“闸刀”。

如果振荡模式确实存在,其信号将出现在整个宇宙的密度差异中。想象用一个巨大的冰淇淋勺子在星空中舀一把,然后数出其中有多少个星系。把这个动作重复多遍,你会发现,被舀起的星系数量会在某个平均值上下浮动。现在把勺子的尺寸放大,当舀起更大片的宇宙时,你会发现,星系数量上下浮动的幅度要比之前更大。根据陈新刚、勒布和鲜于中之的计算,当我们逐渐使用更大的勺子时,宇宙物质密度差异的幅度应该在越来越大的区间内振荡。勒布解释说,“我们所展示的”就是,通过这些振荡的形式,“你可以在产生密度扰动时,分辨宇宙是在膨胀还是在收缩”——这分别对应的是宇宙大爆炸和宇宙大反弹假说。

不管哪一种宇宙诞生理论是正确的,宇宙学家认为有一点几乎确信无疑:如今在宇宙中观测到的密度差异是由量子场中的随机涟漪造成的,而这种量子场很久之前就已存在。

由于量子的不确定性,原始宇宙中的任何量子场在发生涨落时,会产生波长各异的涟漪。某些特定波长的涟漪会周期性地产生相长干涉(又称建设性干涉),形成波峰,也就是粒子的聚集。这些聚集后来即演变为我们今天在宇宙不同尺度上所观测到的物质密度的差异。

不过,是什么导致特定波长的波峰在宇宙诞生时恰好被冻结呢?

根据这篇新论文,时机取决于波峰是形成于宇宙膨胀模型中的宇宙暴胀时期,还是形成于宇宙反弹模型中的缓慢收缩时期。

如果宇宙在大反弹之前缓慢收缩,那么量子场中的涟漪会受到挤压。到了某个时候,可观测的宇宙会收缩到比特定波长的涟漪更小的尺寸,就像小提琴的谐振腔太小,不足以发出大提琴的声音。当太大的涟漪消失时,那时候在那个尺度上存在的任何波峰(或粒子聚集)都会被“冻结”到宇宙当中。随着可观测的宇宙进一步收缩,逐渐变得越来越小的涟漪将会消失,冻结成为密度差异。某些尺寸的涟漪可能在关键时刻形成相长干涉,在那个尺度上产生峰值密度差异;与此同时,在稍后消失的稍短涟漪可能异相冻结。这就是新论文中提出的随着勺子尺寸增大,宇宙物质密度在高低变化之间的振荡状态。

引力波的麻烦还没解决,宇宙大爆炸理论又遭遇了新挑战

 

如果反过来,宇宙经历的是快速膨胀,同样会产生这些振荡。这种情况下,随着宇宙越来越大,它能容纳的量子涟漪的波长也会越来越大。在尺寸各异的涟漪得以形成时,密度差异将会被刻印在对应尺度的宇宙当中。

这篇论文的作者们认为,两种情景中,振荡形式之间质的差异将揭示哪一种假说才是正确的。在两种情景中,这种振荡模式就好像量子场在一盘快速转动的磁带上打上了刻度线,而这盘磁带代表的就是膨胀或收缩的宇宙。如果宇宙是在呈指数级膨胀,那么打在宇宙上的刻度线会越来越远。如果宇宙是在收缩,那么刻度线会越来越近。因此,陈新刚、勒布和鲜于中之认为,密度差异峰值之间的变化间隔应该能够揭示宇宙的演化历史。“我们终于可以看到原始宇宙到底是在膨胀还是在收缩,以及它是在快速膨胀还是在极端缓慢地膨胀。”陈新刚说。

至于振荡信号会是什么样子,它的强度如何,这些都取决于量子场的未知特性。侦测到这样的信号,将让我们获知原始宇宙的构成。至于这种推定的信号会不会出现在未来的巡天探测项目中,根据膨胀宇宙学家金尼的说法,好消息是,与科学家搜寻的“非高斯性”信号相比,振荡信号也许更容易被侦测到。(“非高斯性”信号是指星空中物质的三角形和其他几何排列,它也能验证和揭示宇宙膨胀的细节。)然而,坏消息则是,信号的强度和形式取决于很多我们还不知道的东西,比如值可能为零的常数,而且也许根本就不存在可以被侦测到的信号,这也是完全有可能的,金尼解释说。

翻译:何无鱼

审校:李莉

编辑:漫倩

来源:Quanta Magazine

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责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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