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

来历:全国际迷信

根据现有的国际学模型,国际要么永久存在,要么将走向支离破裂。但一些迷信家却暗示了一种加倍古怪的国际命运。这篇文章,论述了物理学家对国际结局的商量之路。

由于国际的持续胀大年夜,早年相邻的星系团将高速分别,速度快到连光都没法弥补这个缺口。恒星将燃烧殆尽,国际堕入无尽的漆黑……这个“大年夜冻住”(The Big Freeze)实际,描述了当今最为风行的国际结局模型。

大年夜冻住实际是国际学标准模型的直接感化。这个实际认为,国际加快胀大年夜的推动力——暗能量,将保持不变。这类加快后头的奥妙驱动力被称为暗能量,将永久具有不变的力。

大年夜冻住其实不是国际结局的唯一猜想。大年夜揉捏(The Big Crunch)实际认为,暗能量不但不会永保不变,反而或许随着时间的推移而增添,国际毕竟会自我坍缩,紧缩成一个奇点,就像大年夜爆炸之前雷同。而大年夜扯破(The Big Rip)实际则认为,暗能量的力量在将来会增长,招致胀大年夜率持续增长,直到达到光速。毕竟,悉数的物体,包含恒星和星系都邑被扯破成基本底细粒子。

大年夜冻住,大年夜揉捏还是大年夜扯破?或许三者都不是?对国际将来的第四种猜想加倍令人震动。它暗示了一个更加古怪的景象:国际或许不会完全停止,而是演变成一种我们如今没法描述的状况。

暗能量是现代国际学中最重要的发明。上世纪90年代末,地理学家发明,国际的胀大年夜不但没有随着国际年纪的增长而放缓,反而在加快。是甚么力量推动着国际赓续地加快胀大年夜呢?人们本性地认为是时空本身的真空能推动的。真空中的粒子会在刹时发生发火和消掉,刹时消掉的粒子或许会发生发火能量将空间推开。

暗能量的不合模型会演变出不合的感化。(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。然则当用量子物理的道理计算真空能时,它的数值变得非常大年夜。英国爱丁堡大年夜学的不雅测国际学家Catherine Heymans说:“真空能会让国际在出生后敏捷胀大年夜,乃至连榜首批恒星和星系都不会构成。”为了防止这个成绩,物理学家们假想出一个量子过程将真空能抵消。Heymans说:“在实际物理学中,将某物归零相对简单。”

然则暗能量,或许延长到真空能量的层面,其实不为零。大年夜多半不雅测指出,国际中特准时空体积的真空能量,也就是暗能量密度,随着时间是恒定的。这个数被称作国际学常数,用来标明暗能量的强度。然则,要讲解其靠近零但为正的数值是极端艰苦的。

所以,另外一种试图描述国际本质的实际——弦论出生了。

扎手的成绩

上世纪90年代,弦实际曾经成为“万有实际”的重要候选者。弦论的一个基本底细不雅念是,天然界的基本底细单位不是点状粒子,而是非常纤细的线状的“弦”,这些弦在9+1维时空里振动。为了符合我们能不雅察到的4维时空,额外的空间维度有须要被“紧缩”,紧致到没法被探测到。每种紧致办法都邑招致一个不合的国际。弦实际最大年夜的挑衅,就是找到描述我们特准时空的唯一解。

这项作业碰到了成绩。德西特国际(De Sitter space-time)认为,我们日子在在一个由略大年夜于零的国际学常数描述的国际中,所以如何用最简单的办法紧缩额外的维度是弦实际学家需求逝世力处理的成绩。

2003年,Shamit Kachru、Renata Kallosh、Andrei Linde和Sandip Trivedi(简称KKLT)提出了一种经过用弦实际构建我们的时空的纷乱办法。他们的作业被誉为实际的成功,但却付出了巨大年夜的价值。

弦论在高能情况中见效,例如国际大年夜爆炸以后。所以,为了能使该实际描述当今能量较低的时空,弦实际有须要寻觅本身的有效处论。应用KKLT构造取得实在其实切时空取决于额外维度是怎样紧缩的。2005年,弦论学家证明这至少可以或许用10500种办法来完成,每种都给了我们一个可行的德西特时空。其感化是一个潜伏国际的广大景象,一个多重国际,其间悉数可以或许想象的时空都能存在。在这个实际空间中,真空能的取值构成了一个纷乱的“地形图”,被实际家称之为弦景象(String Landscape)。虽然KKLT提出了一种建立描述德西特时空的有效处论的办法,但它不克不及为我们的国际供给一个精确的实际。

进入沼泽地

这让哈佛大年夜学的弦论学家Cumrun Vafa认为困扰,他对KKLT构造的模型其实不满足。除没有发生发火预期的感化,他还认为KKLT的提议在数学上过于纷乱,难以验证。

Vafa开端从另外一个角度对待这个成绩:能否悉数或许的有效处实际都能从弦论中发生发火,或许弦实际可否清除某些有效处论,然后清除去某些类型的国际。他认识到,并不是悉数的有效实际都可以或许从弦论中导出。一旦引入引力,一些看似公道的实际就不克不及精确地描述我们的国际——这是一个罕见的缺点。Vafa将其定名为沼泽地,标明满是站不住脚的主意。

比来二十年来,弦论学家们一向未能构建出任何德西特时空的简单模型。在他的德西特猜想中,悉数有效处实际都属于沼泽地。德西特国际不或许是弦实际方程的解。

关于Linde来讲,德西特国际只是个未经证明的讲解,他一向支撑KKLT构造,即一个具有国际学常数的国际可以或许用弦实际来描述。“这是一个纷乱的故事,”他说,“一小我不该该根据未经证明的论据,遽然扔掉落早年的感化。”

德西特的猜想“或许对,也或许纰谬”,Vafa标明,“当我们进一步研究它时,我们就会发明,假定被证明是精确的,它将对国际学的标准模型发生发火严重年夜影响。”根据Vafa等人的研究,其间最重要的一点是,暗能量密度不是一个近似常数,而是随着时间的推移而迟缓减小。

假定这个定论建立,它将对国际的命运发生发火深远的影响。在将来数百亿年内,暗能量或许会趋于零,乃至变成负值。然后,或许国际会以大年夜坍缩而了却,而不是永久胀大年夜下去。

这类改变暗能量的方法被称为精质(quintessence)。精质是一种关于暗能量的假定方法,被提出来讲解关于国际加快胀大年夜的不雅测。这一不雅念在国际学常数走向支流之前非常风行。

Linde是最早研究精质的迷信家之一,但他对此其实不佩服。“精质是或许的,但它带来的成绩比它能处理的要多。”他说。之前几年间,有陈迹标明,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抵触。

这一友好发生发火于丈量当今国际胀大年夜速度,即哈勃常数的两种不合办法。一种办法是经过研究邻近星系中的恒星和超新星来直接丈量它。另外一种办法是研究国际微波布景,这是国际大年夜爆炸后38万年宣布的榜首束光,然后从这些数据揣摸出昔日的国际。两种办法取得的感化有明显差别。

大年夜曲解——国际全新阶段

这类差别或许是实验过掉构成的,但也能够或许经过暗能量随时间的改变来处理,行将其视为一种精质。

你或许认为服从Vafa实际的弦论学家会为这个消息认为高兴。但他们没有。Wrase说:“哈勃常数和德西特沼泽猜想偏向相反。”德西特猜想请求暗能量密度随着时间的推移而减小;而只要当暗能量密度增长时,哈勃常数成绩才能得到处理。

至于国际的命运,日趋增长的暗能量密度标明,大年夜扯破,而不是大年夜揉捏,正蓄势以待。约翰·霍普金斯大年夜学的Adam Riess说:“这是一个恐怖的版本。”毕竟,每处时空都有没有尽的暗能量,它的斥力会扯破悉数:星系、行星、分子、原子,毕竟,还有时空本身。“对抗暗能量将是白费的。”Riess说。

因此,我们仿佛又回到了终点。暗能量正在增添,保持不变或随着时间的推移而增长,各类不雅念相互友好,国际的命运累卵之危。这就是Vafa认为,有一种办法可以或许调和沼泽地猜想和哈勃常数的差别。

除暗能量,国际中另外一个看不见的构成部分是暗物质。人们认为暗物质的引力将星系和星系团集合在一路。Vafa说,假定暗能量正在减弱,这将对暗物质发生发火影响。“弦论告诉你应当有一个相互感化。”Vafa发明,这类相互感化会招致暗物质粒子的质量随着时间的推移而减小。这改变了哈勃常数的外推值,可以或许减少过掉。

这能否意味着国际正走向大年夜冻住,而不是大年夜揉捏或大年夜扯破呢?不美满是。细心不雅察会发明,Vafa的主意会让其他场景都显得平铺直叙。这意味着,几百亿年后的国际将完全改变。在弦论中,这平日意味着一个新的维度被翻开了。“所以这是一个全新的国际,用我们当时国际的言语是没法描述的。我们如昔日子在三维空间中。在这个新的实际中,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感化。这个大年夜曲解所发生发火的国际将与我们的完全不合。“一个全新的阶段开端了。”Vafa说。因此,虽然国际仍将存在,但它将具有甚么性质,和它的后续轨迹将是甚么,如今还不清楚。

如今弦论学家经过后续实验,或许很快就会做出一些猜想,哪怕只是些简单的猜想。例如,假定弦论学家可以或许证明德西特猜想,就会招致一个猜想,即传统国际学所爱好的那种时空不或许存在。但假定实验发清楚明了无可争议的根据,来支撑国际学常数和我们国际的德西特真空,“我们可以或许说弦论是缺点的”。

不管发生发火甚么,国际的将来看起来一点也不无聊。


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