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有四个空间维度的超宇宙,可能在大家熟悉的

2021-06-28 14:49分类:科技 阅读:

 

  黑洞是一片连光线都没办法逃脱的空间地区,而光速是任何形式的物质可以达到的速度上限,因此任何物质只须跨过了黑洞的边界——一个被叫做事件视界(event horizon)的二维面,便有去无回。一旦恒星物质或是其他什么东西落入了这个边界,它们与宇宙中的其他部分也就切断了联系,会被无情地拉向黑洞中心的奇点。

  

  大爆发(Big Burst):大水平恒星爆炸会产生一个黑洞与一团由气体和尘埃组成的云,这团云叫超新星遗迹(左边红色地区)。在高维宇宙中,类似的爆发可以产生大家的三维宇宙。

  大家的模型有不少优势,第一它防止了宇宙诞生时的裸奇点。不过,对于那些长久以来困扰大家的宇宙学难点,譬如宇宙为何会有近乎平直的空间曲率和高度均匀性,大家的模型能否解决呢?由于四维体宇宙可能已经存在了无限长的时间,经过足够长的时间后,体宇宙中任何的热门和冷点都达到了平衡。这样以来,四维体宇宙就变得光滑,大家的三维膜宇宙就继承了它的光滑性。除此之外,由于四维黑洞几乎没任何细则特点(“无毛”),因此大家的三维膜宇宙也应该是光滑的。四维恒星的水平越大,三维膜就越平坦。大家宇宙之所以平坦,是由于它是一颗非常重的四维恒星的塌缩遗迹。

  全息理论的成功使不少科学家相信,它可能是一个深层次、根本性的理论,而不止是一个数学变换那样容易。可能,不同维度之间的界限,并不像大家想象得那样难以逾越;可能,宇宙基本原理是存在于另一个维度中的,然后被转换到大家看到的这个三维世界中;可能,就像柏拉图寓言中的囚徒,平时经验欺骗了大家,让大家误以为世界是三维的,只有当大家把目光投向第四个维度时,所有才会豁然开朗。

  与黑洞中的奇点相反,大伙常见觉得,大爆炸的奇点没被包裹,它没事件视界。大家也期望有一种办法,譬如存在某类型似视界的东西,可以把这个让人不舒服的奇点与大家隔离开。

  过去几十年,物理学家进步出了健全的全息理论(theory of holography)。他们有一套数学工具,可以将某个维度上的物理过程,转而在另一个维度上描述。举例来讲,二维空间中的流体动力学方程相对容易,研究职员就可以解出方程,并借助这部分二维解来理解一些更复杂的系统,譬如三维黑洞的动力学过程。在数学上来讲,这两种描述是相通的——大家可以用流体来完美类比难以捉摸的黑洞。

  让大家来想想宇宙中物质和能量的密度吧。就算只不过数十年以前,天文学家都还相信,一般物质(元素周期表里的那些物质)是宇宙水平能量的主要形式。后来的宇宙学观测彻底颠覆了这个观念(这也带来了3个诺贝尔奖)。大家目前知晓,在宇宙全部能量密度中,一般物质只占5%,暗物质则占到了25%。暗物质是一种未知的物质形式,科学家通过引力用途推断出了它们的存在。宇宙中剩下的70%是暗能量,一般物质的引力用途理应让宇宙的膨胀减慢,而暗能量这种神秘的东西却加快了宇宙的膨胀。暗物质和暗能量是什么?它们为什么能占据25%和70%的宇宙成分?这部分问题大家不能而知。

  暴胀学说是一个被广泛同意的成功理论。数十年来,宇宙学家通过观测宇宙微波背景辐射(cosplaymic microwave background,CMB)来检验暴胀学说的各种预言。CMB记录了早期宇宙的密度扰动状况。欧洲空间局(European Space Agency)的普朗克卫星近期的观测结果,证实了大家的宇宙是平直(或者很接近平直)而且均匀的(各向异性低于六万分之一)——这两点都是暴胀学说的要紧预言。除此之外,大家觉得原初物质涨落是暴胀将量子涨落放大得来的,卫星观测到的原初物质的涨落功率谱和幅度,与理论预期符合得很好。

  额外维理论需要空间维数超越直观的三维,这一想法的提出时间,几乎与广义相对论一样久远。它最早由特奥多尔·卡卢察(Theodor Kaluza)于1919年提出,在上世纪20年代,奥斯卡·克莱因(Oskar Klein)进一步扩展了这一理论。但在此后的半个多世纪里,他们的想法基本让人们遗忘了,直到上世纪80年代才被研究弦论的物理学家重新拾起。近期,科学家借助额外维的思想打造了所谓膜世界(brane worlds)的宇宙学理论。

  四维黑洞是什么样子的?它也会有一个事件视界,一个有去无回的边界,一旦落入其中连光子都没办法逃脱。有所不一样的是,一般黑洞的视界是二维的,四维黑洞则会产生一个三维的事件视界。

  在模拟了四维恒星的塌缩过程之后,大家发现,在不少状况下,四维恒星塌缩过程中抛射出的物质,的确会在三维事件视界的周围形成一个缓慢扩张的三维膜。大家的宇宙就是这个三维膜,是一个马上塌缩成黑洞的四维恒星的全息图。宇宙大爆炸的奇点被三维事件视界永远遮挡着。

  宇宙学家用几个容易的方程(其中非常重要的几个是爱因斯坦写出来的)和5个独立参数,就能描述整个宇宙的历史——从今天一路回溯到大爆炸后的一刹那。这5个独立参数为:一般物质、暗物质和暗能量各自的相对能量密度(大家会在后面的内容中详细说明),与早期宇宙量子涨落的幅度和功率谱。他们用一个标准的宇宙学模型——Λ 冷暗物质(lambda Cold Dark Matter,Λ-CDM)模型,描述了数百个甚至可能是数千个观测数据点,这部分数据覆盖的空间尺度从百万光年到百亿光年,到达了可见宇宙的边缘地方。不过,观测上的成功并不是大家对宇宙的研究大功告成了。研究职员推断的这一宇宙演化版本,仍然有不少让人感到棘手的漏洞。大家遇见了有关宇宙本质的最根本问题,而且到现在为止,大家仍没办法对这部分问题做出解答。

  翻译 | 易疏序

  四维宇宙真实吗?

  大家做什么要提出如此一个听起来非常荒诞的理论?这有两个理由。第一,大家的理论并不是异想天开,它有坚固的数学基础,从而可以正确描述时空。

  问题1:大家并不理解这5个参数

  大家或许正生活在一个巨大的宇宙洞穴中,这个洞穴在万物之初就出现了。根据标准说法,宇宙是由一个密度无限大的点经过大爆炸而产生的。但通过近期拓展的一些计算工作,大家可能会将宇宙的诞生追溯到大爆炸之前的纪元里,那时的空间要比目前的宇宙空间多出一个维度。马上拓展的一些天文观测,可能会找到这个“原初宇宙”( protouniverse)留下的一些蛛丝马迹。

  不过,“暴胀子”并不可以解决大家的问题,它只不过把问题又向前推进了一步。大家不知晓“暴胀子”的性质,不知晓它从何而来与怎么样找到它,大家甚至不确定它是不是真的存在。

  这个想法听起来可能非常疯狂,不过有几种办法可以来检验它。一种办法是研究宇宙微波背景辐射。在大家三维膜宇宙以外,可能存在着一些额外的四维体物质——它们是被四维黑洞的引力拉过来的。这部分额外物质的热涨落会在三维膜宇宙上导致涨落,从而给宇宙微波背景辐射带来微小的但可探测的扭曲。大家的计算结果和欧洲空间局普朗克卫星的观测结果有4%的差异。不过,这个差异可能是由大家尚未正确建模的次级效应导致的。

  撰文 | 尼亚耶什·阿弗肖迪(Niayesh Afshordi)、罗伯特·曼(RobertMann)、拉兹·帕哈桑(Razieh Pourhasan)

  让大家来考虑考虑“体”——有四个空间维度的超宇宙,它可能在大爆炸之前就已经存在。大家可以想象,这个四维超宇宙中充斥着四维恒星和四维星系。当这部分高维恒星耗尽燃料的时候,就像大家的三维恒星一样,它们就会塌缩成黑洞。

  四维宇宙假说值得关注的另一个缘由是,通过严谨地研究四维宇宙,可能可以帮大家知道宇宙的本质,回答宇宙起源之谜,譬如创世的闪光——大爆炸之谜。现代宇宙学觉得,在大爆炸之后,宇宙紧接着进入了空间极速膨胀的时期——暴胀(inflation),在此期间早期宇宙的体积增加了1078倍以上。不过,暴胀学说仍没能回答,是什么致使了大爆炸。相比之下,四维宇宙模型回答了这个终极谜题:宇宙到底从何而来?

  当然,即使大家的全息论大爆炸理论解决了最大的问题(大家宇宙的由来),它也会带来一系列的新问题,其中最大的一个问题就是:大家宇宙的母宇宙从何而来?

  四维宇宙中的黑洞

  问题3、大家不理解大爆炸是怎么样开始的

  奇点被视界包裹,这一点十分要紧,它使大家可以用熟知的物理定律来描述和预测大家所能观测到的世界。对于一个远处的察看者而言,黑洞具备容易、光滑、均匀的时空结构,因此仅仅用水平、角动量与电荷就可以充分描述了。物理学家把这戏称为“黑洞没毛”——除去水平、角动量和电荷以外,就没可以区别不同黑洞的细则了。

  为了回答这个问题,大家或许要再一次从柏拉图那里找寻想法。当柏拉图寓言中的囚徒走出洞穴时,太阳会灼伤他们的双眼,他们需要时间来适应洞外明亮的世界。起初,囚徒们只能辨认出影子,不久他们就可以看到月亮和星星。最后,他们会得出结论,太阳是“大家所看的到所有事物的开创者”——白天、黑夜、四季和影子。柏拉图故事中的囚徒们没办法理解太阳背后的力量,正如大家没办法理解四维体宇宙一样。不过,大家至少已经知晓,该去什么地方探寻答案了。

  与一般的事件视界相比,大爆炸奇点的“隐身斗篷”有一个重要的区别。由于大家感知到的这个宇宙有3个空间维度,因此遮蔽宇宙大爆炸中心奇点的东西也应该是三维的,而不应该像视界一样是二维的。黑洞的二维事件视界是三维空间的恒星塌缩产生的,那大家也可以做出如此一种假设:遮蔽大爆炸奇点的三维事件视界,就应该是四维宇宙里的恒星塌缩产生的了。

  问题2、大家并没真的理解暴胀

  已知与未知的宇宙

  有四个空间维度的超宇宙,可能在大家熟悉的大爆炸之前就已经存在。大家可以想象,这个四维超宇宙充斥着四维恒星和四维星系。当高维恒星耗尽燃料的时候,就会像大家的三维恒星一样,塌缩成黑洞,而大家这个宇宙的所有,包括时间,或许就始于这个四维黑洞。

  宇宙学范围的最大挑战是,怎么样理解大爆炸本身的性质:在一个密度无穷大的点——奇点(singularity),所有时间、空间、物质忽然剧烈地喷薄而出。奇点是一个让人难以理解的“怪物”,时间和空间蜷曲于其中,在那里根本没办法分辨过去和将来,所有物理定律也都失效。奇点是一个没秩序、没规则的宇宙。从奇点中跳出任何东西,在逻辑上都是成立的。但从奇点中跳出来一个像大家看到的宇宙一样有秩序的宇宙,是不太可能发生的。

  大家研究四维宇宙正是为知道决三维宇宙中存在的问题。现代宇宙学已经获得了巨大的成功,但成功的光环下,却隐藏着深刻而复杂的谜团。对这部分谜团的求索,让研究职员想到了全息理论。

  大家可以想象的情形是,从奇点中大概跳出一个高度混乱的宇宙,那个宇宙的特征是,温度有剧烈的空间涨落,也就是说,在宇宙空间中,不同的地方的温度有着巨大的差异。而且,那个宇宙里的暴胀可能否将这部分涨落抹平。事实上,假如温度的涨落太大的话,暴胀可能都没机会发生。因此,奇点的问题不可以全靠暴胀来解决。

  除此之外,假如四维黑洞有自旋(黑洞有自旋很容易见到),那样大家的三维宇宙就不会在各个方向上看着都是相同的。在不同方向上,大家宇宙的大尺度结构会稍有不同。天文学家可能可以通过细致地研究宇宙微波背景辐射来发现这种方向性。

  假如大家能更好地理解大爆炸,或许就能知晓这部分问题的答案了。在一团由光和粒子组成的、温度高达1027℃的等离子体中,时间和空间忽然创生。非常难想象,在那样一种极端状况下创生的宇宙,居然会演化成大家今天所看到的这种情形——温度几乎处处相同,在大尺度上具备平直的空间曲率(在如此的空间曲率下,三角形的内角和是180°)。

  正如在宇宙大爆炸起点物理定律会失效,在黑洞的奇点处,已知的物理规律也同样不再适用。与大爆炸不一样的是,黑洞的奇点被视界包围着。视界有哪些用途就像是一层坚固的包装纸,预防任何奇点信息泄露出去。黑洞的视界挡住了黑洞外部的察看者,使他们没办法察看到奇点的那些不可思议的性质[这就是所谓的宇宙监督假设(cosplaymic censorship)]。

  以往的经验告诉大家,宇宙有3个空间维度和1个时间维度,大家将这种几何结构概念为“三维空间宇宙”。但在大家的新宇宙模型里,这个三维宇宙不过是一个四维宇宙的投影。明确来讲,大家整个宇宙诞生于高维宇宙中的一次恒星塌缩。这次塌缩在四维宇宙中产生了一个四维黑洞;黑洞的三维表面,就是大家生活的宇宙。

  如此,大家这种全息论的大爆炸模型,不只没用暴胀就解决了均匀性和平坦性难点,而且还防止了宇宙大爆炸起始的裸奇点。

  奇点虽然奇怪,但并不是极其罕见,大家在另一个地方——黑洞的中心,也能瞥见其魅影。黑洞是巨星塌缩的遗骸。所有些恒星都是核聚变反应炉,在那里,轻元素(主如果氢)聚合成重元素。核聚变过程提供了恒星一生的大多数能量。不过最后,核燃料耗尽,引力开始起主宰用途。在引力用途下,一颗比太阳至少重10倍的恒星会发生塌缩,然后引燃超新星爆发。假如恒星再大一些,达到15~20个太阳水平或者更大的水平,超新星爆发结束后会留下一个致密的核心,这个核心会失去控制地塌缩,形成黑洞。

  大家的理论正是提供了如此一个办法,在这个理论中,宇宙大爆炸其实是一个幻景。大家的理论可以将大爆炸的奇点包裹起来,正如事件视界将黑洞奇点包裹起来一样。如此大家就避开了可怕的大爆炸奇点。

  除此之外,物理学家不知晓暴胀是怎么样自然地停止的——这就是所谓的“高雅退场疑难”(graceful exit problem)。假如一种能量场驱动了宇宙以指数级膨胀,那样,是什么让这个能量场忽然“关闭”?同时,在Λ-CDM模型中的5个宇宙学参数,其中一些参数需要被精确地调整到目前数值,不然大家观测到的宇宙会面目全非,但对于这5个参数的由来,大家也没一个让人信服的讲解。并且,对于暴胀发生之前的宇宙——宇宙诞生的刚开始万亿亿亿亿分之一秒(10-36秒)内,大家也没一个确定的描述。

  膜世界理论的基本思想是,大家的三维宇宙是一个子宇宙,它嵌在一个更大的四维(甚至更高维)空间中。这个三维宇宙被叫做膜(brane),它所嵌入的大宇宙被叫做体(bulk)。大家所知的所有物质和能量形式都束缚在这个三维膜之上,好似电影投影到银幕上——就像柏拉图寓言中,洞穴中的囚徒觉得,墙壁上的投影就是真实世界。但引力例外,它能渗透到更高维的“体”之中。

  大家可能会问:是什么驱动了暴胀的发生?怎么样提供这么大的能量?在大家的想象中,在大爆炸结束后极短的时间内,宇宙充满了能量,这部分能量以一种假想粒子的形式存在,即“暴胀子”(inflaton)。近期,科学家在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)上发现的希格斯粒子(Higgs particle),与“暴胀子”这一假想粒子有不少一样的性质,可能是“暴胀子”的候选者之一。“暴胀子”不只能讲解宇宙早期的加速膨胀,也能讲解现在的宇宙结构,由于在早期宇宙中, “暴胀子”场能量的微小量子涨落,是唯一能致使显著的能量密度差异的机制。

  暴胀可能是让大家理解宇宙大尺度结构的最好假说了。暴胀能“拉直”宇宙,抹平常空的弯曲部分,让宇宙的温度变得均匀。就像宇宙放大镜一样,暴胀也把宇宙初期微小的能量密度量子涨落放大到宇宙学尺度。这部分涨落最后变成大尺度结构的种子,也就是星系、恒星、行星和包括大家在内的生命的种子。

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