使用社交账号登陆

当前位置: 主页 > 前沿 > 天文 • 物理

宇宙究竟是在大爆炸,还是大反弹?

时间: 2020年12月31日 | 作者: Admin | 来源: ​原理
宇宙学是一个神秘而迷人的领域。它探讨的问题有很多,比如宇宙的形状是什么?宇宙中又包含了什么? 宇宙又是如何开始的?


image.png


image.png

宇宙的演化,从左边的大爆炸到右边的现代宇宙。| 图片来源:NASA


回到大约138亿年前,在大爆炸之后宇宙经历一次极其快速且短暂的暴胀时期,从而抹平了空间中的曲率,造就了我们所观测到的平坦的宇宙。自那之后,宇宙持续的膨胀、冷却和演化。在不同的地方,粒子会聚集逐渐形成星系和恒星。


image.png

这张近红外图中显示了银河系周围的星系分布:蓝色的是离我们最近的,红色的是离我们最远的。中线的明亮地带就是银河系。这张图的绘制来自于超过150万个星系的数据。| 图片来源:Thomas Jarrett / IPAC / Caltech


这样一幅简单的图景被称为暴胀理论,它与迄今为止的所有观测结果都相吻合,也受到大多数宇宙学家的青睐。但是,它背后所蕴含的一些含义却令部分宇宙学家不安:在时空的大部分区域,这种快速的膨胀永远不会停止,因此这就势必会产生多重宇宙。


普林斯顿大学的物理学家Paul Steinhardt是暴胀论的提出者之一,然而后来的他却转而成为了这一理论的批判者。近年来,他与其他一些科学家提出了周期性宇宙的概念,认为宇宙会周期性地膨胀和收缩,此时的宇宙正处于这种“创造”与“毁灭”的永恒循环中的最新一轮中。


通过与专门研究广义相对论计算模型的Frans Pretorius一起,Steinhardt与德国马克斯普朗克引力物理研究所的宇宙学家Anna Ijjas分析了一个正在坍缩的宇宙是如何改变自身结构的。


在暴胀模型中,暴胀过程就像是在吹气球,它负责让膨胀的宇宙变得平滑和平坦。这就像是在气球上放有一只蚂蚁,在此过程中,蚂蚁会像是通过一个越来越强大的放大镜来观测一切,它所能看到的距离缩小了,世界变得越来越“平平无奇”(没有明显特征)。


而对于周期性宇宙模型,Steinhardt和合作者想象了一个在某种无处不在的能量场的驱动下,已经膨胀了约一万亿年的宇宙。当这个能量场最终变得稀疏时,宇宙开始慢慢收缩,然后在数十亿年的时间里,收缩将一切距离拉近,但并不会全部收缩到某一点上。收缩使得能量场重新“蓄能”,使宇宙变热,于是大反弹便再次随之而来,开始新一轮的循环。宇宙变得平滑,就发生在收缩期间,一个被称为哈勃半径(能够看到的最大距离)的度量在这一时期发生了翻天覆地的变化,它猛地收缩最终变成微小的距离,确保了平滑和平坦。


image.png

循环宇宙模型:宇宙没有开始也没有结束,周期性的收缩能让宇宙结构变得平滑。| 图片参考来源:Quanta Magazine


在计算机模拟中,Steinhardt和他的合作者用一系列“婴儿时期”的宇宙,对缓慢收缩模型进行了测试。一直以来,Steinhardt和Ijjas对暴胀理论的一个批评就在于,它只在一些特殊情况下起作用,比如它需要其能量场在形成时是“平平无奇”的。因此在新研究中,他们探索了各种不同情况下的能量场,比如扭曲的、不均匀的场,向错误方向移动的场,以及天然地就有一半在向相反方向运动的场……模拟表明,几乎在每一种情况下,收缩都会迅速产生一个和我们现在的宇宙一样“平平无奇”的宇宙。


一些宇宙学家认为,新的这项模拟非常全面,但目前这些新的计算技术才仅仅让这样的分析变为可能,因此,很有可能暴胀的所有情况仍处于未被绘制的阶段。接下来,研究人员将会把注意力放在反弹本身,这会是一个更加复杂的阶段。他们希望,通过将收缩和反弹阶段合在一起,将能识别出与反弹宇宙有关的特征。


封面图来源:Free-Photos / Pixabay

参考来源:

https://www.simonsfoundation.org/2020/04/22/bang-bounce-or-something-else/

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

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2020/08/030/meta