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宇宙的最终命运,是进入5维时空?

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7b45-iatixpm2689627.jpg绘图:Karan Singh

全球科学

根据现有的宇宙学模型,宇宙将永远存在或将被支离破碎。但是一些科学家暗示了一个更奇怪的宇宙命运。本文讲述了物理学家探索宇宙结局的故事。

由于宇宙的不断膨胀,一旦相邻的星系团将以高速分离,所以即使光线也不能填满这个空隙。星星将燃烧,宇宙将陷入无尽的黑暗.这个“大冻结”理论描述了当今最流行的宇宙结局模型。

大冻结理论是宇宙学标准模型的直接结果。该理论认为,宇宙加速膨胀的驱动力暗能量将保持不变。这种加速背后的神秘驱动力被称为暗能量,并且总是具有恒定的力。

大冻结并不是宇宙结束的唯一猜测。 Big Crunch理论认为暗能量不会永远持续,但可能会随着时间的推移而减少。宇宙将最终崩溃并压缩成一个奇点,就像大爆炸之前一样。 Big Rip理论认为暗能量的力量将来会增加,导致扩张速度继续增加,直到达到光速。最终,包括恒星和星系在内的所有物体都将被撕成基本粒子。

大冻结,大挤压或大撕裂?或者都不是?对宇宙未来的第四次预测更令人震惊。它意味着一种更奇怪的情况:宇宙可能不会完全结束,而是演变成我们目前无法描述的状态。

暗能量是现代宇宙学中最重要的发现。在20世纪90年代后期,天文学家发现宇宙的膨胀并没有随着宇宙年龄的增加而减缓,而是在加速。是什么力量推动宇宙加速扩张?人们本能地相信时间和空间本身的真空可以得到促进。真空中的颗粒将在瞬间产生并消失,瞬间消失的颗粒可产生能量以推动空间。

bea4-iatixpm2689689.jpg不同的暗能量模型会产生不同的结果。 NASA/CXC/M.WEISS)

真空能量是存在于太空中的背景能量,即使在没有物质的空间中也是如此。但是当使用量子物理原理计算真空能量时,其值变得非常大。英国爱丁堡大学的观察性宇宙学家凯瑟琳海曼斯说:“真空能量将使宇宙在出生后迅速膨胀,即使是第一批恒星和星系也不会形成。”为了避免这个问题,物理学家设想了一个量子过程来抵消真空。海曼斯说:“在理论物理学中,将某些东西归零是相对容易的。”

但是暗能量或真空能量水平不是零。大多数观测表明,宇宙中特定时空体积的真空能量,即暗能量密度,随时间变化是恒定的。这个数字称为宇宙常数,用于表示暗能量的强度。但是,要解释接近于零而是积极的值非常困难。

因此,另一种试图描述宇宙本质的理论诞生了。

棘手的问题

在20世纪90年代,弦理论已成为“普遍理论”的主要候选者。弦理论的基本思想是,自然的基本单位不是点状粒子,而是在9 + 1维时空中振动的非常微妙的线性“和弦”。为了符合我们可以观察到的4维空间和时间,必须“压缩”额外的空间维度,使其无法被检测到。每种紧凑的方法都会导致不同的宇宙。弦理论的最大挑战是找到描述我们特定时间和空间的唯一解决方案。

这项工作遇到了问题。 De Sitter时空认为我们生活在宇宙常数略大于零的宇宙中,因此如何以最简单的方式压缩额外的维度是一个弦理论家需要努力解决问题。

2003年,Shamit Kachru,Renata Kallosh,Andrei Linde和Sandip Trivedi(KKLT)提出了一种使用弦理论构建时空的复杂方法。他们的工作被誉为理论上的胜利,但却付出了巨大的代价。

弦理论适用于高能量环境,例如大爆炸之后。因此,为了使理论能够描述当今较低的能量时空,弦理论必须找到自己的有效场论。使用KKLT结构获得的确切时间和空间取决于额外尺寸的压缩方式。在2005年,弦理论家证明,这可以通过至少10,500种方法实现,每种方法都为我们提供了可行的Desit时间和空间。结果是一个巨大的潜在宇宙景观,一个多元宇宙,所有可以想象的时间和空间都可以存在。在这个理论空间中,真空能量的价值形成了一个复杂的“地形图”,理论家称之为弦景观。尽管KKLT提出了一种建立描述Desit空间和时间的有效场论的方法,但它并没有为我们的宇宙提供精确的理论。

进入沼泽地

这让哈佛大学的弦乐理论家Cumrun Vafa感到困惑,他对KKLT建造的模型不满意。除了没有产生预期结果外,他还认为KKLT提案在数学上太复杂,无法验证。

是否所有可能的有效场论都可以从弦理论中推导出来,或者弦理论能否排除某些有效的场论,从而消除某些类型的宇宙。他意识到并非所有有效的理论都能从弦理论中得出。一旦引入引力,一些看似合理的理论就无法准确描述我们的宇宙。这是一个常见的错误。 Vafa将它命名为沼泽,表明它充满了难以想象的想法。

在过去的二十年中,弦理论家无法构建任何简单的Desit时间和空间模型。在他的Desit猜想中,所有有效的场理论都属于沼泽。 Desit宇宙不能成为弦理论方程的解。

对于林德来说,Desit宇宙只是一个未经证实的解释。他一直支持KKLT结构,即具有宇宙常数的宇宙可以用弦理论来描述。 “这是一个复杂的故事,”他说。 “一个人不应该根据未经证实的论点放弃以前的结果。”

Desaf的猜想“可能是也可能不对,”Vafa说。 “当我们进一步研究它时,我们会发现,如果它被证明是正确的,它将对宇宙学的标准模型产生重大影响。”根据Vafa等人的说法,最重要的一点是暗能量密度是不是近似常数,而是随时间缓慢下降。

如果这个结论确立,它将对宇宙的命运产生深远的影响。在接下来的数百亿年中,暗能量可能趋于零甚至变为负值。然后,也许宇宙最终将会出现大幅收缩,而不是永远。

这种改变暗能量的形式被称为精华。本质是一种假设的暗能量形式,用于解释对宇宙加速膨胀的观察。在宇宙常数进入主流之前,这种观点非常受欢迎。

林德是最早研究质量的科学家之一,但他并不相信。 “质量是可能的,但它带来的问题多于它能解决的问题,”他说。在过去几年中,有迹象表明暗能量密度的变化实际上可以解决令人惊讶的宇宙冲突。

这种矛盾产生于两种不同的测量宇宙膨胀率的方法,即哈勃常数。一种方法是通过研究附近星系中的恒星和超新星来直接测量它。另一种方法是研究宇宙微波背景,即大爆炸后38万年发出的第一盏光,然后从这些数据推断出今天的宇宙。两种方法得到的结果有显着差异。

大变形是宇宙的一个新阶段

这种差异可能是由于实验误差造成的,但它也可以通过暗能量随时间的变化来解决,这被认为是一种质量。

你可能会认为遵循Vafa理论的弦理论家会对新闻感到满意。但他们没有。 Wrase说:“哈勃常数与Desit沼泽猜想相反。” Desit推测暗能量密度会随着时间的推移而降低;只有当暗能量密度增加时,才能解决哈勃常数问题。

至于宇宙的命运,增加的暗能量密度表明,大的眼泪,而不是大的挤压,正在获得动力。约翰斯霍普金斯大学的亚当里斯说:“这是一个糟糕的版本。”最后,每一个时空都有无尽的暗能量,它的排斥力会撕裂一切:星系,行星,分子,原子,最后,本身就有时间和空间。 “抵抗黑暗能量将是徒劳的,”里斯说。

因此,我们似乎已经回到了起点。暗能量正在减少,保持不变或随着时间的推移而增加,各种观点相互矛盾,宇宙的命运受到威胁。这就是Vafa认为有一种方法可以协调沼泽猜想和哈勃常数之间的差异。

除了暗能量之外,宇宙中另一个看不见的成分是暗物质。据信暗物质的引力将星系和星系团聚集在一起。 Vafa说,如果暗能量减弱,它将对暗物质产生影响。 “弦理论告诉你应该存在相互作用。”Vafa发现这种相互作用导致暗物质粒子的质量随着时间的推移而减少。这会改变哈勃常数的外推值,并可以减少误差。

这是否意味着宇宙正在走向大的冻结,而不是大的挤压或大的撕裂?不完全的。仔细观察就会发现,Vafa的想法会使其他场景看起来不起眼。这意味着数百亿年后宇宙将完全改变。在弦理论中,这通常意味着打开一个新的维度。 “所以这是一个全新的宇宙,不能用我们当前宇宙的语言来描述。我们现在生活在三个维度。在这个新理论中,它可能包含四个空间维度。”

任何新的空间维度都是字符串理论的一个额外维度的结果,它跳出了压缩。这种巨大扭曲造成的宇宙将与我们完全不同。 “一个新阶段已经开始,”Vafa说。因此,虽然宇宙仍然存在,但它将具有什么样的性质以及它的后续轨迹将是不清楚的。

现在,通过后续实验,弦理论家可能很快就会做出一些预测,即使它们只是简单的预测。例如,如果一个弦理论家可以证明Desit猜想,那么就会导致预测传统宇宙学所支持的时间和空间的类型不可能存在。但如果实验找到无可争议的证据来支持我们宇宙的宇宙常数和Desit真空,“我们可以说弦理论是错误的。”

无论发生什么,宇宙的未来似乎并不乏味。

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