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宇宙从各个方向看是相同的吗?

时间: 2016年11月04日 | 作者: XAQ RZETELNY | 来源: Arstechnica
在宇宙学的标准模型(即 Λ CDM模型,是Λ-冷暗物质模型的简称)中,存在着如下一个重要的假设前提:整个宇宙从本质上来说是各向同性的,即物体的性质不因方向而有所变化,在不同

 

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在宇宙学的标准模型(即ΛCDM模型,是Λ-冷暗物质模型的简称)中,存在着如下一个重要的假设前提:整个宇宙从本质上来说是各向同性的,即物体的性质不因方向而有所变化,在不同方向所测得的性能数值是相同的。这是一个有充足理由的假设,而且迄今为止,整个宇宙看上去的确如此:根据我们所接收到的宇宙微波背景辐射(CMB)显示,在均匀的大背景下,每个方向上仅有一些微小物体光点的差异;这些差异只是整个各向同性中的细微偏差,并没有什么值得详述的地方——似乎到目前为止,一切都很顺利。

 

不过,在这一切中,有一个小小的美中不足:我们并不知道宇宙这种性质的延伸范围。如果宇宙在我们测量不到的地方测量参数的偏差值出乎意料地大,那么我们对所处宇宙的认知观将会发生翻天覆地的变化。这种不同以往的认知观被称为“比安基宇宙学”(Bianchi Cosmologies),该学科中仅有极少数的理论得到了数据验证,绝大多数部分还有待研究。不过,如果有一天我们的宇宙被证实是比安基式的宇宙,那么传统宇宙学及其相关知识(如暴胀理论论)将被完全推翻。

 

为了弄清我们生活的宇宙到底是哪一种类型,科学家们构建了一个更广义的模型:如果真实情况下的宇宙是各向异性(各个方向属性不同)的,那么它向各个方向膨胀的速率也将是不同的。根据多普勒效应,正在不断远离我们的区域发出的光,其波长将会变大;由于光的谱线朝靠近红光的方向移动,这种变化被称为“红移”(red shift)。由此,若宇宙各个方向的膨胀速率不同,那么它在不同方向上发生红移的程度也会随之发生变化。

 

而这种红移程度的差异,从理论上来说,只要它们真的存在,人们一定能够检测到。科学家们唯一需要解决的难题,就是需要消除早期宇宙的混沌(chaos)对宇宙微波背景辐射的干扰。

 

为了解决这一问题,研究者研究了欧空局普朗克卫星发回的宇宙微波背景辐射的数据,其中包含了偏振及宇宙温度的测量结果。收集到的偏振数据非常适合探测宇宙的各向异性,可以帮助研究者们在先前的基础上加深对该问题的分析。

 

对于各向异性宇宙的研究工作大多都围绕着“旋转宇宙”模型,该模型是各向异性性质的宇宙可能存在的一种形式。由于先前的研究结果大都给“旋转宇宙”存在的可能性施加了,所以当得到新数据的时候,研究者们都迫不及待地想看看基于新数据的新结果能不能重复出同样的结论。事实上,新的数据的确得出了同样的结论,并且把可能性限得更死了——“宇宙旋转论”的可能性得到了全方面的打击。

 

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图注】位于L2拉格朗日点的普朗克探测器。该探测器是作为赫歇尔(Herschel)红外探测器的一部分随发射器一同发射的。

 

更让各向异性的支持者们死心的是,在这场范围更广的探测中,研究者们发现探测结果也适用于其它所有各向异性的模型,而且所有模型的表现都同样糟糕。这意味着,除了旋转宇宙模型以外,其他比安基式的宇宙也要一道被“打入冷宫”。

 

“在这项工作中,我们对宇宙膨胀的各向同性提出了最严苛的质疑,”研究者在他们的论文里这么写道,“不过,我们找到的大量证据都显示,宇宙在更大的尺度上并没有偏离各向同性。”研究者的结论是,宇宙为各向同性的概率比为各向异性的概率高121000倍。

 

这项研究仅仅再次确认了我们之前的猜想:宇宙是各向同性的。由于猜想早已成型,所以这个研究结果也算不上激动人心。不过研究者也肯定了新结果的重要性:毕竟它还是验证了我们的部分理论,排除了另一些有趣但离奇的可能性。最后还是得提一句,尽管各向异性的宇宙显然比我们所在的各向同性的宇宙有趣,但这样的宇宙看起来似乎并不像是给人住的,哈哈。

 

撰文 XAQ RZETELNY

翻译 叶宣伽

审校 丁家琦

 

参考论文:

Phys. Rev. Lett.  117, 131302 (2016)

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.131302

 

原文链接:

http://arstechnica.com/science/2016/09/is-the-universe-the-same-in-all-directions/

 

 


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