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为什么说宇宙膨胀的最后大预测是失败的?

来源:八闽新闻网 发布时间:2019-12-09 17:44

20世纪初最伟大的科学成就之一是宇宙的膨胀的发现:随着时间的流逝,遥远的星系正在远离我们,因为根据爱因斯坦的广义相对论,我们之间的空间在膨胀。在20世纪中叶,有人提出了一个伟大的想法,即如果宇宙今天变得越来越大,越来越冷,那么它在过去就更小、更热、更密集:大爆炸。大爆炸做了一些额外的预测:

为什么说宇宙膨胀的最后大预测是失败的?

宇宙演化

  • 将有一个巨大的宇宙网络的结构,与小,中,大型结构以某些模式聚集在一起,
  • 有早期宇宙遗留下来的辐射光,冷却到离绝对零度仅几度,
  • 宇宙中最轻的元素,氢、氦和锂的不同同位素,都有一组特定的比率。
为什么说宇宙膨胀的最后大预测是失败的?

1965年阿诺·彭齐亚斯和鲍勃·威尔逊发现了CMB

在20世纪60年代和70年代,这些预测都以不同程度的精确度得到证实,大爆炸成为我们感知和探测宇宙中所有事物起源的主导理论。但是,当涉及到大爆炸时,有几个问题没有答案,在这个框架内,一些现象完全无法解释。

  1. 为什么宇宙各处的温度一样?
  2. 为什么宇宙在空间上如此平坦?为什么膨胀速率和物质/能量密度彼此平衡得如此完美?
  3. 如果宇宙在早期就获得了如此高的能量,为什么我们没有看到应该从宇宙中传播的稳定遗迹呢?
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如果这三个不同的空间区域从来没有时间来热化,共享信息或相互传输信号,那么为什么它们的温度都一样?

如果宇宙按照广义相对论的规则膨胀,就没有理由期望以比光速更大的距离分隔的空间区域被连接,更不要说同样的温度。如果你把大爆炸一直拿回到它的逻辑结论——一个无限热、致密的状态——就没有办法找到这些问题的答案。你只需要说,"它就是这样诞生的",从科学的角度来看,这是令人不满意的回答。

但还有另一个选择。也许,不是宇宙在大爆炸的那一刻刚刚诞生,而是存在一个早期阶段,建立了这些条件,以及产生我们的热、密集、膨胀和冷却的宇宙。这将是理论家的工作:找出什么可能的动态可以为大爆炸的这些条件发生创造条件。1979/1980年,阿兰·固斯(Alan Guth)提出了一个革命性的想法,它将改变我们对宇宙起源的看法:宇宙膨胀。

为什么说宇宙膨胀的最后大预测是失败的?

艾伦·古斯1979年的笔记本

通过假设大爆炸之前,宇宙没有充满物质和辐射,而是空间结构本身固有的巨大能量,阿兰·固斯(Alan Guth)能够解决所有这些问题。此外,随着20世纪80年代的进展,出现了进一步的发展,表明,为了复制宇宙的膨胀模型,我们看到:

  • 用物质和辐射来填充它,
  • 使宇宙各向异性(在所有方向上都相同),
  • 使宇宙均匀(在所有位置都相同),
  • 并给它一个热、致密、膨胀的状态,

有很多类的模型,可以做到这一点,如安德烈·林德提出的宇宙模型,保罗·斯坦哈特的大爆炸宇宙模型等等。但是最简单的且能解决了这个问题,并且拥有最少自由参数的模型只分为两类。

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两种最简单的通胀潜力类别,即混沌膨胀 (L) 和新膨胀 (R)。

出现了新的膨胀,在顶部非常平坦,膨胀场可以"缓慢地向下滚动",到达底部,并且存在混乱膨胀,在那里有一个U形的可能性,再次,膨胀慢慢向下滚动。

在这两种情况下,宇宙空间会呈指数级扩展,被拉伸平,到处都有相同的属性,当膨胀结束的时候,我们会找回一个和现在非常相似的宇宙。此外,我们还会获得六个额外的新预测,所有这些预测在当时尚未观察到。

为什么说宇宙膨胀的最后大预测是失败的?

 

  1. 一个完全平坦的宇宙。因为膨胀导致了这种快速的指数扩张,它采取宇宙碰巧的形状,并伸展到巨大的尺度:尺度比我们可以观察到的要大得多。因此,我们看到的部分看起来与平面没有区别,就像窗户外的地面看起来是平的一样,但它实际上是整个弯曲的地球的一部分。
  2. 一个在尺度上波动大于光的宇宙是可以穿越。膨胀导致宇宙空间呈指数级膨胀,导致在非常小的尺度上发生的事情被放大更多的尺度上。这包括量子波动,它通常在空旷空间内就地波动。但是在膨胀期间,由于快速的指数扩张,这些小规模的能量波动被拉伸到巨大的宏观尺度上,最终可以跨越整个可见宇宙!
  3. 最高温度不任意升高的宇宙。如果我们能把大爆炸一直带回任意的高温和密度,我们会发现证据表明宇宙曾经达到至少物理定律分解的温度尺度:普朗克尺度,或10^19 GeV的能量周围。但是,如果膨胀发生,它一定是发生在低于这个能量尺度,其结果是,宇宙的膨胀后的最高温度必须低于10^19 GeV。
  4. 波动不绝的宇宙,或处处熵相等的宇宙。波动可能有不同的类型:绝热、等曲率或两者的混合。膨胀预测,这些波动应该是100%的绝热,这意味着宇宙开始量子波动类型的详细测量,应该能揭示在微波背景和大规模宇宙结构中的特征。
  5. 波动的光谱略小于尺度不变(ns <1)性质的宇宙。这是一个大宇宙!当然,膨胀一般预测这些波动应该是规模不变的。但对它有一点修正:起作用的通胀潜力的形状——它们的坡度和凹陷——会影响波动范围偏离完美尺度不变的程度。两种最简单的膨胀模型,即新通胀和混乱通胀,对ns的预测通常涵盖0.92和0.98之间的范围。
  6. 最后,一个具有特定引力波波动光谱的宇宙。这是最后一个,也是唯一 一个尚未确认的大宇宙。一些模型,比如简单的混沌膨胀模型,给出大幅度引力波(BICEP2可能看到的这种引力波),而其他模型,如简单的新膨胀模型,可以给出非常小的幅度引力波。

在过去的35年里,我们对宇宙微波背景的波动进行了令人难以置信的全天空测量,从整个可见宇宙的尺度到0.07°的角分辨率。随着时间的推移,随着天基卫星的能力变得越来越强大,如20世纪90年代的COBE、2000年代的WMAP和2010年代的普朗克。当宇宙不到其当前年龄的0.003%时,我们对宇宙有了难以置信的洞察力。

 

为什么说宇宙膨胀的最后大预测是失败的?

斯隆数字天空调查(SDSS)

同样,大尺度的结构调查已经变得极其普遍,有些覆盖了整个天空,有些覆盖了更深处的巨大斑块。斯隆数字天空调查提供了最好的现代数据集,我们已经能够确认这六个预测中的前五个,使膨胀建立在非常坚实的基础上。

  • 宇宙在空间上完全平坦——曲率正好为1——精确到1.0007± 0.0025,这从宇宙的大尺度结构中可以最好地显示出来。
  • 宇宙微波背景的波动显示了一个宇宙,其尺度延伸到可观测宇宙的地平线上。
  • 如宇宙微波背景的波动所示,我们的宇宙所能达到的最高温度仅为+10^16 GeV,比非膨胀宇宙小1000倍。
  • 宇宙诞生的波动类型,据我们最好的测量,是100%绝热和0%等曲率。宇宙微波背景和宇宙大规模结构之间的相关性就显示了这一点,尽管这直到21世纪初才得到证实。
  • 从最先进的宇宙微波背景卫星Planck的最新数据来看,它为我们提供了一个标量光谱指数(来自密度波动),它不仅小于1,而且精确测量为ns = 0.968 ± 0.006。

如果我们想要寻找第六个也是最后一个膨胀预测,最后一个数字ns的值,真的非常重要:引力波波动。

为什么说宇宙膨胀的最后大预测是失败的?

 

在上面图中,微波背景的波动频谱看起来就像波浪线,但它成长于所有不同形式的能量随时间的相互作用,从膨胀结束到宇宙是38万年前。它是由膨胀结束时的密度波动而产生:水平线。只是,这条线不是水平的,有轻微的倾斜,斜率表示光谱指数ns偏离1。

这一点很重要的原因是膨胀对特殊比率 (r) 做了具体预测,其中是引力波波动与标量光谱指数(ns)的比率。对于两大类通胀模型——以及其他模型——在预测中存在巨大差异。

为什么说宇宙膨胀的最后大预测是失败的?

 

对于混沌模型,r 通常非常大:不小于 0.01,其中 1 是最大可想而知值。但对于新膨胀模型,r 可以从大约 0.05 到 10^(-60) 等微小数字不等!但是,这些不同的 r 值通常与 ns 的特定值相关,如上所示。如果ns实际上就是我们目前最擅长衡量的值(0.968),那么对于混沌膨胀和新通胀可以记下来的最简单的模型,只给出大于10^(-3)的r值。

正如Mark Kamionkowski 在AAS演讲时所报道的(基于他在这里的论文)那样,对于ns的测量值,可以记下的所有简单模型,意味着r不能从10^(-60)到1;它只能从 10^(-3 )到 1。这在短期内可能非常成问题,因为有一大堆地面调查正在测量可以测量r的信号类型,如果r大于或等于+10^(-3),则已经将r限制在0.09以下。

为什么说宇宙膨胀的最后大预测是失败的?

 

膨胀产生的引力波波动导致电子模式和B模式的极化,但密度波动(和ns)只出现在电子模式中。因此,如果您测量 B 模式极化,您可以了解引力波波动并确定 r!

这就是BICEP2、POLARBEAR、SPTPOL 和SPIDER 等实验正在进行的测量工作。有由透镜效应引起的B-模式偏振信号,但如果膨胀波动大于r ~ 0.001,他们将能够在5-10年内看到的实验运行和计划运行时间。

为什么说宇宙膨胀的最后大预测是失败的?

 

如果我们发现 r 的正信号,则混沌膨胀(通常如果 r > 0.02)或新膨胀(通常为 r < 0.04,并且有重叠)模型可能受到强烈青睐。但是,如果 ns 的测量值保持现在认为的值,并且十年后我们约束了 r <10^(-3),那么最简单的膨胀模型都是错误的。这并不意味着膨胀是错误的,但它意味着膨胀比我们最初想象的要复杂得多,甚至可能不是一个标量领域。

如果大自然对我们不友好,我们几十年内将难以对宇宙膨胀的最后的大预测——原始引力波的存在,将在未来几十年内扑簌迷离,并且将继续未经证实。



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