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爱迪生-世界的终究命运,是进入5维时空?

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依据现有的世界学模型,世界要么永久存在,要么将走向四分五裂。但一些科学家却暗示了一种愈加古怪的世界命运。这篇文章,叙述了物理学家对世界结局的探究之路。

因为世界的持续胀大,从前相邻的星系团将高速别离,速度快到连光都无法添补这个缺口。恒星将焚烧殆尽,世界堕入无尽的漆黑……这个“大冻住”(The Big Freeze)理论,描绘了当今最为盛行的世界结局模型。

大冻住理论是世界学规范模型的直接效果。这个理论以为,世界加快胀大的推进力——暗能量,将坚持不变。这种加快背面的奥秘驱动力被称为暗能量,将永爱迪生-世界的终究命运,是进入5维时空?久具有不变的力。

大冻住并不是世界结局的仅有猜测。大揉捏(The Big Crunch)理论以为,暗能量非但不会永保不变,反而或许跟着时刻的推移而削减,世界终究会自我坍缩,紧缩成一个奇点,就像大爆炸之前相同。而大撕裂(The Big Rip)理论则以为,暗能量的力气在未来会添加,导致胀大率持续添加,直到到达光速。终究,全部的物体,包含恒星和星系爱迪生-世界的终究命运,是进入5维时空?都会被撕裂成根本粒子。


大冻住,大揉捏仍是大撕裂?或许三者都不是?对世界未来的第四种猜测愈加令人震惊。它暗示了一个更为古怪的景象:世界或许不会彻底完结,而是演化成一种咱们现在无法描绘的状况。

暗能量是现代世界学中最重要的发现。上世纪90年代末,天文学家发现,世界的胀大非但没有跟着世界年纪的添加而放缓,反而在加快。是什么力气推进着世界不断地加快胀大呢?人们天性地以为是时空自身的真空能推进的。真空中的粒子会在瞬间发作和消失,瞬间消失的粒子或许会发作能量将空间推开。


真空能(Vacuum energy)是一种存在于空间中的布景能量,即便在没有物质的空间中仍然存在。可是当用量子物理的原理核算真空能时,它的数值变得十分大。英国爱丁堡大学的观测世界学家Catherine Heymans说:“真空能会让世界在诞生后敏捷胀大,乃至连榜首批恒星和星系都不会构成。”为了防止这个问题,物理学家们设想出一个量子进程将真空能抵消。Heymans说:“在理论物理学中,将某物归零相对简略。”

可是暗能量,或许延伸到真空能量的层面,并不为零。大多数观测指出,世界中特定时空体积的真空能量,也便是暗能量密度,跟着时刻是稳定的。这个数被称作世界学常数,用来标明暗能量的强度。可是,要解说其挨近零但为正的数值是极端困难的。

所以,另一种企图描绘世界实质的理论——弦论诞生了。

扎手的问题

上世纪90年代,弦理论已经成为“万有理论”的首要候选者。弦论的一个根本观念是,自然界的根本单元不是点状粒子,而是十分纤细的线状的“弦”,这些弦在9+1维时空里振荡。为了契合咱们能观察到的4维时空,额定的空间维度有必要被“紧缩”,紧致到无法被探测到。每一种紧致办法都会导致一个不同的世界。弦理论最大的应战,便是找到描绘咱们特定时空的仅有解。

这项作业遇到了问题。德西特世界(De Sitter space-time)以为,咱们日子在在一个由略大于零的世界学常数描绘的世界中,所以怎样用最简略的办法紧缩额定的维度是弦理论学家需求尽力处理的问题。

2003年,Shamit Kachru、Renata Kallosh、Andrei Linde和Sandip Trivedi(简称KKLT)提出了一种经过用弦理论构建咱们的时空的杂乱办法。他们的作业被誉为理论的成功,但却付出了巨大的价值。

弦论在高能环境中收效,例如世界大爆炸之后。所以,为了能使该理论描绘当今能量较低的时空,弦理论有必要寻觅自己的有用场论。运用KKLT结构得到的切当时空取决于额定维度是怎么紧缩的。2005年,弦论学家证明这至少可以用10500种办法来完成,每一种都给了咱们一个可行的德西特时空。其效果是一个潜在世界的宽广景象,一个多重世界,其间全部可以幻想的时空都能存在。在这个理论空间中,真空能的取值构成了一个杂乱的“地形图”,被理论家称之为弦景象(String Landscape)。尽管KKLT提出了一种树立描绘德西特时空的有用场论的办法,但它不能为咱们的世界供给一个精确的理论。


进入沼地地

这让哈佛大学的弦论学家Cumrun Vafa感爱迪生-世界的终究命运,是进入5维时空?到困扰,他对KKLT结构的模型并不满足。除了没有发作预期的效果,他还以为KKLT的提议在数学上过于杂乱,难以验证。

Vafa开端从另一个视点看待这个问题:是否全部或许的有用场理论都能从弦论中发作,或许弦理论能否扫除某些有用场论,然后扫除去某些类型的世界。他意识到,并非全部的有用理论都可以从弦论中导出。一旦引进引力,一些看似合理的理论就不能精确地描绘咱们的世界——这是一个常见的过错。Vafa将其命名为沼地地,标明满是站不住脚的主意。

最近二十年来,弦论学家们一向未能构建出任何德西特时空的简略模型。在他的德西特猜测中,全部有用场理论都归于沼地地。德西特世界不或许是弦理论方程的解。

关于Linde来说,德西特世界仅仅个未经证明的解说,他一向支撑KKLT结构,即一个具有世界学常数的世界可以用弦理论来描绘。“这是一个杂乱的故事,”他说,“一个人不应该依据未经证明的论据,忽然抛弃曾经的效果。”

德西特的猜测“或许对,也或许不对”,Vafa标明,“当咱们进一步研讨它时,咱们就会发现,假如被证明是正确的,它将对世界学的规范模型发作严重影响。”依据Vafa等人的研讨,其间最重要的一点是,暗能量密度不是一个近似常数,而是跟着时刻的推移而缓慢减小。


假如这个定论建立,它将对世界的命运发作深远的影响。在未来数百亿年内,暗能量或许会趋于零,乃至变为负值。然后,或许世界会以大坍缩而告终,而不是永久胀大下去。

这种改变暗能量的方式被称为精质(quintessence)。精质是一种关于暗能量的假定方式,被提出来解说关于世界加快胀大的观测。这一观念在世界学常数走向干流之前十分盛行。

Linde是最早研讨精质的科学家之一,但他对此并不服气。“精质是或许的,但它带来的问题比它能处理的要多。”他说。曩昔几年间,有痕迹标明,暗能量密度的改变或许实际上处理了一场令人惊奇的世界学抵触。

这一对立发作于丈量当今世界胀大速率,即哈勃常数的两种不同办法。一种办法是经过研讨邻近星系中的恒星和超新星来直接丈量它。另一种办法是研讨世界微波布景,这是世界大爆炸后38万年宣布的榜首束光,然后从这些数据推断出今日的世界。两种办法得到的效果有明显差异。


大歪曲——世界全新阶段

这种差异或许是试验差错形成的,但也可以经过暗能量随时刻的改变来处理,即将其视为一种精质。


你或许以为遵从Vafa理论的弦论学家会为这个音讯感到高兴。但他们没有。Wrase说:“哈勃常数和德西特沼地猜测方向相反。”德西特猜测要求暗能量密度跟着时刻的推移而减小;而只有当暗能量密度添加时,哈勃常数问题才干得到处理。

至于世界的命运,日益增长的暗能量密度标明,大撕裂,而不是大揉捏,正蓄势以待。约翰霍普金斯大学的Adam Riess说:“这是一个可怕的版别。”终究,每一处时空都有无尽的暗能量,它的斥力会撕裂全部:星系、行星、分子、原子,终究,还有时空自身。“反抗暗能量将是白费的。”Riess说。

因而,咱们好像又回到了起点。暗能量正在削减,坚持不变或跟着时刻的推移而添加,各种观念彼此对立,世界的命运危如累卵。这便是Vafa以为,有一种办法可以和谐沼地地猜测和哈勃常数的差异。

除了暗能量,世界中另一个看不见的组成部分是暗物质。人们以为暗物质的引力将星系和星系团集合在一起。Vafa说,假如暗能量正在削弱,这将对暗物质发作影响。“弦论告知你应该有一个彼此作用。”Vafa发现,这种彼此作用会导致暗物质粒子的质量跟着时刻的推移而减小。这改变了哈勃常数的外推值,可以缩小差错。

这是否意味着世界正走向大冻住,而不是大揉捏或大撕裂呢?不彻底是。仔细观察会发现,Vafa的主意会让其他场景都显得平铺直叙。这意味着,几百亿年后的世界将彻底改变。在弦论中,这一般意味着一个新的维度被打开了。“所以这是一个全新的世界,用咱们当时世界的言语是澳门回归无法描绘的。咱们现在日子在三维空间中。在这个新的理论中,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定维度从紧化中跳出的效果。这个大歪曲所发作的世界将与咱们的彻底不同。“一个全新的阶段开端了。”Vafa说。因而,尽管世界仍将存在,但它将具有什么性质,以及它的后续轨道将是什么,现在还不清楚。

现在弦论学家经过后续试验,或许很快就会做出一些猜测,哪怕仅仅些简略的猜测。例如,假如弦论学家可以证明德西特猜测,就会导致一个猜测,即传统世界学所喜爱的那种时空不或许存在。但假如试验发现了无可争议的依据,来支撑世界学常数和咱们世界的德西特真空,“咱们可以说弦论是过错的”。

不管发作什么,世界的未来看起来一点也不无聊。