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科學家通過複雜計算發現:宇宙是無始無終的循環

 

最近,科學家通過複雜的計算機模擬發現,除了宇宙暴脹,宇宙收縮同樣可以創造出今天我們所見宇宙的種種特徵。並且在循環宇宙中,膨脹和收縮會交替進行。在這個理論中,宇宙無始無終。

目前,科學家通常是這樣描述宇宙誕生的模樣:大約140億年前,宇宙出現了大量不知何處而來的能量。宇宙在短時間內開始急劇擴張,能量的爆發讓宇宙像氣球一樣膨脹。這次擴張將宇宙中任何大尺度上存在曲率的地方都拉平了,這也形成了今天我們所看到的結果:宇宙可能是一個平坦的幾何結構。(儘管也有理論認為宇宙可能是封閉的球狀)物質徹底地混合在一起,以至於宇宙看起來幾乎沒有明顯特徵。在宇宙各處,恆星與星系從成團的物質中產生了,它們也成為了本該光潔無暇的宇宙畫布上不起眼的塵埃。

宇宙暴脹理論對這一現象進行了闡述,該理論與迄今為止所有觀測都相符,大多數宇宙學家都對此表示認同。不過也有人發現,暴脹理論的一些推論會令人困惑。大部分區域的時空都在不停地迅速膨脹。結果是,暴脹不可避免地會產生多重宇宙,即包含了無限多的「口袋宇宙」。一些批評者認為,暴脹理論能用來預測任何事,而這也相當於它最終什麼都預測不了。「暴脹理論並不像預期的一樣奏效。」保羅·斯坦哈特(Paul Steinhart)說道,他是暴脹理論的創始人,現在卻成為該理論最著名的批評者之一。

近年來,斯坦哈特和其他人已經着手提出一套關於宇宙形成的不同理論。他們重拾起循環宇宙的觀念:宇宙在周期性地擴張與收縮。他們希望能夠擺脫宇宙大爆炸的桎梏,再現我們今天所見的平坦而光滑的宇宙。

最近,斯坦哈特與一些專攻引力計算模型的研究者展開了合作,他們分析了一個坍縮的宇宙是如何改變其自身結構的。並且,研究最終發現坍縮宇宙的收縮程度能超過膨脹程度。不管宇宙在收縮前看起來多麼奇異扭曲,宇宙坍縮都能夠極大地抹平大部分的宇宙原始褶皺。

壓縮視野

在過去一年半時間裏,斯坦哈特和德國馬克斯·普朗克研究所的宇宙學家安娜·伊堯什(Anna Ijjas)合作,提出一種新奇的循環宇宙,或者說「火宇宙」觀點——這一理論認為,不經過坍縮也能實現宇宙重生。

當人們試圖將宇宙膨脹與收縮可視化時,常常將宇宙描述成氣球,並且用一個「宇宙標度因子」來描述宇宙尺寸變化。此外,還存在另一個測量標尺——哈勃半徑,也就是我們能見的最大距離,不過其一直備受冷遇。在廣義相對論方程中,兩個尺度因子會各自獨立演化,並且你可以通過改變任何一個因子來使宇宙變得平坦。

你可以想像有一隻螞蟻處於一個氣球上。暴脹就像吹氣球,宇宙在膨脹階段變得光滑與平坦。而循環宇宙在收縮過程也能保持光滑。在這一階段,氣球會平緩地收縮,而該過程的大多數事件主要在視界邊緣發生。這就像那隻螞蟻通過一個功能日益強大的放大鏡觀察萬物,但它能看見的距離在收縮,因此它所處的世界就會逐漸失去特徵。

斯坦哈特和他的搭檔設想了一個可能已擴張了一萬億年的宇宙,該過程會被一種無所不在的(也是假設的)能量場所驅動。(現在我們會將這種場的活動歸因於暗能量)當能量場最終變得稀疏,宇宙開始平緩地收縮。經過數十億年,一個收縮的標度因子把萬物都拉得更近了一些(但沒有收縮到一個點)。而此時,宇宙劇烈的改變來自哈勃半徑,它會迅速變化,最終變得極小。宇宙的收縮給能量場重新蓄能,令宇宙變熱並且使其中的原子蒸發。緊隨其後是一次向外反彈擴張,而宇宙再次循環,獲得重生。

在這一反彈模型中,極小的哈勃半徑保證了宇宙能維持光滑和平坦。暴脹令宇宙中許多初始的不平整之處膨脹,變為真實而龐大的多重宇宙,而緩慢的收縮卻會擠壓,並最終讓它們消失。最終留下的將會是一個無始,無終,沒有大爆炸奇點,也沒有多重宇宙的宇宙。

任意宇宙到我們的宇宙

現在,宇宙暴脹與宇宙反彈理論都面臨一項挑戰,那就是它們需要證明,無論宇宙是怎樣開始的,兩項理論中的能量場是能造就現今宇宙的。

伊堯什和斯坦哈特經常批評暴脹理論只在特殊情況下才成立,比如其能量場需要在無顯著特徵和位移極小的情況下形成。理論物理學家已經徹底地研究了這些情況,部分是因為這些是唯一用黑板和數學就能解決的例子。據伊堯什與斯坦哈特發佈的兩篇預印稿的描述,他們的研究團隊在最近的計算機模擬中,用平緩收縮模型對一系列初生宇宙進行了測試,這些運算對於紙筆分析來說太過龐大。

通過引入普林斯頓大學一位專攻廣義相對論計算模型的理論物理學家弗朗斯·普里托里厄斯(Frans Pretorius)的代碼,合作團隊探索了不同能量場下宇宙收縮的情況,包括扭曲隆起的場,在錯誤方向上移動的場,甚至兩部分各朝相反方向劇烈移動的場。而幾乎在所有情況下,收縮過程都會迅速產生一個跟我們的宇宙一樣的宇宙。「你只要讓模型自然運行,宇宙在緩慢收縮後就變得非常平坦和光滑。」斯坦哈特這樣說道。

凱蒂·克勞夫(Katy Clough),牛津大學一位專攻廣義相對論數值解法的宇宙學家,稱這一次新模擬「非常全面」。但她也提示,這類分析確實是最近有了先進的計算能力才得以實現,而暴脹理論可以處理哪些條件,其完整範圍仍是未知的。「這項理論已經完成了一半工作,但它仍需更多證據,」她說。

儘管對於伊堯什和斯坦哈特的模型的興趣各有不同,大多數宇宙學家依舊認同暴脹理論不會這樣就輕易被扳倒。「平緩收縮理論當下並不是能與其匹敵的競爭者。」紐約大學的宇宙學家格里高利·加巴達澤(Gregory Gabadadze)表示。

伊堯什和斯坦哈特接下來將繼續充實反彈模型——這是一個更複雜的研究對象,其中需要引入全新的相互作用來將萬物再次推開。伊堯什現在已經想到了一種反彈理論,可以通過一種新的物質與時空相互作用來改進廣義相對論,並且她推測這其中還存在其他機制。她計劃馬上用計算機來測試這一模型,來理解這一作用的更多細節。研究團隊希望利用反彈模型將收縮與膨脹階段結合起來後,能找到一些能供天文學家觀測的獨特特徵。

儘管目前合作團隊還沒有完善循環宇宙的所有細節,但斯坦哈特仍然非常樂觀,他堅信循環宇宙不久之後就能成為多重宇宙的替代理論。「我最擔心的阻礙已經被克服了,」他說,「我再也不會為此晚上睡不着覺了。」

原文連結:

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

責任編輯: 夏雨荷   來源:環球科學 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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