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大爆炸之前,宇宙早就存在了?

最新公众号 2021-10-18 07:49 35961人浏览 0人回复
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翻译:王婧彧

校对:韩佳安 张砚斌

审阅:牧夫校对组

美编:崔郁

后台:库特莉亚夫卡 李子琦 胡永葳



膨胀的宇宙 艺术想象图

图片来源:Shutterstock

在刚开始,有一个……好吧,可能没有一个开始,也许我们的宇宙一直存在。一项关于量子引力的新研究告诉我们这为什么是有可能的。

“现实中有许多东西会让人们联想到科幻甚至是幻想,”英国利物浦大学的物理学家布鲁诺•本托(Bruno Bento)这么说到,他的研究方向是时间的本质。

他的研究中使用了量子引力学的一个新理论——因果集合论(causal set theory)。时间和空间被分割为许多个独立的时空片段,这样分割到一定程度,会得到一个时空的基本单位。

本托和他的同事通过因果集合方法研究宇宙的起源。他们发现,宇宙有可能没有一个开端,也就是说,宇宙一直都存在,只是在最近发生了被称作大爆炸的事件。


量子引力学

量子引力学也许是最让现代物理学家头疼的难题了。关于宇宙我们有两个很有效的学说:量子物理和广义相对论。量子物理在微观尺度上成功地描述了四种基本力中的三种(电磁力,弱相互作用力和强相互作用力)。而另一方面,广义相对论是现有的对引力最完备的描述。

但是,尽管广义相对论有很多优点,它还是不完整的。宇宙中至少有两处使广义相对论崩溃的地方:黑洞中心和宇宙的开端。这些地方叫做“奇点”,是时空中无法用目前的物理理论描述的地方。并且在这些地方,广义相对论在数学上的表述也自相矛盾——在十分微小的空间尺度上,引力变得极端大。

因此,为了解决奇点之谜,物理学家需要引力的微观描述,也就是引力的量子理论。目前有许多备选的理论,包括弦理论和圈量子引力理论。也有这样一种理论,它完全重塑了我们对时空的了解。


因果集合理论

在目前的所有物理理论中,时空都是连续的,它们组成了所有现实存在的基础。在这样一个连续的时空中,两个点可以无限靠近彼此,两个事件的发生时间可以无限接近。

但是另一种方法——因果集合论,将时空看作一系列相互独立的小段,或者说是时空“原子”。这个理论对两个事件的时空距离有严格限制,因为它们之间的距离不能小于时空“原子”的尺度。比如说,现在你在看着屏幕上的这篇推文,一切看起来都是连续光滑的。但是如果你用放大镜看同一块屏幕,你也许会看到一块块像素,而且你无法把屏幕上的两个图像靠得比一个像素近。

这个理论让本托很兴奋。他说,“发现这个理论让我很激动,因为它不仅尝试从根本着手——一种解释量子引力并重新审视时空本身的方法——而且还将时间作为主角,探寻时间的流逝、过去的物理含义,以及未来是否已经存在。”



时空由许多小段的时空“原子”组成,和电脑图片上的像素类似。

图片来源:oxygen/Getty Images


时间的开端

因果集合论对时间的本质有重要的启示。

本托解释道,因果集合论哲学的重点是时间流逝的概念是有物理意义的。也就是说,它不是因为一个突如其来的假象,或者是我们的大脑让我们感受到的事情。这种流逝本身就是物理理论的展现。所以,在因果集合论中,一个因果集合一次会产生一个时空“原子”,然后会越长越大。

因果集合论完美地解决了大爆炸“奇点”的问题,因为理论上“奇点”不可能存在。物质不可能被压缩到无限小的点,因为它们不能比一个时空“原子”还小。

所以,没有了大爆炸“奇点”,宇宙的起源是什么样的呢?本托和他的合作者,帝国理工学院的研究生丝塔芙•扎乐(Stav Zalel)研究了集合理论是如何描述宇宙最初时刻的。他们的研究9月24日发表在了arXiv预印本上。

本托说,这篇文章探究了“使用因果集合论时是否必须要有个起点”。他表示,在原本的因果集合的公式和动力学中,一个因果集合从无长成了我们现在的宇宙。而在我们的研究中,宇宙没有大爆炸式的开始,因为因果集合会一直延续到无穷远的过去,所以过去的过去总是存在的。

这项研究表明,宇宙可能没有开端——它就这么存在了。我们认为的大爆炸可能只是这个一直存在的因果集合的一个演化瞬间,并不是真正的开端。

但是,还有许多工作要做。我们还不清楚这种无起点的因果方法是否允许解释大爆炸过程中宇宙复杂演化的物理理论的存在。本托说道,“我们的问题是,这种方法能否被看作一种合理的解释,或者说在更大范围上,这种变化到底意味着什么。但是,这种框架确实是可以存在的。所以至少从数学上说,它可能成立。”

换句话说,这是个开始。

原文链接

https://www.space.com/universe-had-no-beginning-time

责任编辑:杨伯顺

牧夫新媒体编辑部

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星系年轮

图片来源:网络



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