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科学家发现宇宙存时空奥秘 酷似液态水冻结成冰

http://www.kexue.com 2012-09-01 10:13:45 腾讯科学  发表评论

 


结构酷似水冻结成的冰

  一组物理学家通过研究发现宇宙大爆炸可用物质从一种相转变为另一种相的过程来表示,无定形、非结晶形态的宇宙行为酷似液态水的冷却、瞬间变成晶体状并形成我们现在看到的四维时空、最后破裂崩溃。来自澳大利亚墨尔本大学的科学家詹姆斯·奎奇(James Quach)是本项新研究的第一作者,他和同事们假设了在当宇宙如液体水般瞬间形成结晶状时,本应该在时空结构中形成的破缺可以被实验发现。宇宙目前的年龄大约为137亿岁。

  科学家詹姆斯·奎奇在一份声明中认为早期宇宙的行为如同液体,然后随着宇宙空间的冷却,瞬间变成类似冰相的结晶状态从而形成了三维时空,以及另外一个时间维度,即四维时空。该理论主要从宇宙空间冷却后的行为推出时空的形成模式,我们希望找到“宇宙相”变成冰状结晶体后形成破裂、破缺的痕迹,就像当水被冻结成冰相时出现的裂痕一样。如果“宇宙相”的裂痕是存在的,那么我们就可以将它们检测出来,这是因为光或者其他粒子会受到裂痕的影响,当粒子穿过宇宙四维时空时路径就会发生弯曲或者受到干扰等。


南天御夫座的NGC 253星系

  关于空间和时间在宇宙大环境冷却后出现类似液体水相变行为的概念理论由加拿大周界理论物理研究所(Perimeter Institute)的物理学家在2006年首次提出。被称为量子引力图论(Quantum graphity),该理论认为爱因斯坦发现的宇宙四维时空几何形状并不是宇宙的根本,相反,时空的行为更像是一个离散型的时空积木堆彻的格子形态构造,之所以时空看上去是连续的,是因为组成时空微域积木的是原子类物质。

  在早期宇宙中,极高的温度使得这些时空建造积木的行为就像我们现在看到的液态水,它们并没有一个固定状态的结构,与其对应的则为当时的宇宙并没有空间这个事物。当宇宙大爆炸后温度在瞬间降至允许时空建造积木起作用的“冰点”阈值,并结晶形成类似冰相的物质形态,这就是我们今天能观察到的四维时空的起源。从数学的角度可以审视这个理论描绘的宇宙时空起源进行,但我们目前所面临的挑战是这些构成时空的基础模块非常小,所以科学家们一直无法直接探测到它们的存在。

  从我们的视觉角度看,四维时空看上去是平滑和连续的。虽然这些四维时空起源的基础模块可能太小以至于无法被探测到,但物理学家们希望看到时空基础模块在瞬间冻结时形成的边界。宇宙中如果在澳大利亚物理学家所认为的冰冻裂痕,那么我们就需要开展更多的研究来检测裂痕之间的平均距离,目前还不清楚四维时空裂痕是否微域结构的,或者甚至长达数光年,但我们知道裂痕有个基本特性,即穿过宇宙空间的粒子会受到它的干扰。

  然而,有研究发现宇宙时空并不是一个不规则碎片形,宇宙中无数的恒星组成了星系,而星系可以“扎堆”形成星系团,星系团可以形成超星系团,天文学家们通过对大尺度宇宙空间的研究过程中 ,一次又一次地发现时空中物质不断聚集形成大更大规模的集群。传统的观点上认为宇宙是一个不规则的碎片形,这一理论使得科学家们对宇宙的认识产生深远的影响,但现在一项最新的天文学调查反驳了这一观点。


宇宙主要由暗物质和暗能量共同主导

  科学家们认为宇宙在许多尺度结构上是不规则的,但是在某些确定的点上,数学推导得出的宇宙结构模式被打破,比如物质团块中包含着更小的物质团块,物质团块的跨度为3.5光年。这一发现来自于国际射电天文研究中心(ICRAR)的天文学家、西澳大利亚珀斯大学研究人员莫拉格斯·克林杰(Morag Scrimgeour),她和同事们是同英澳望远镜观测了一处边长为三亿光年的宇宙空间,其中包含了近20万个星系。这项调查也称为“WiggleZ暗能量巡天”,该观测任务旨在探测宇宙的大尺度结构,比以前调查的宇宙尺度更大。

  研究人员发现宇宙物质非常均匀地分布在极大尺度的宇宙空间上,并没有发现类似不规则的碎片形。莫拉格斯·克林杰认为我们可以将宇宙中星系等物质在时空中的分布想象成一个随机的均匀分布,星系、星系团等天体均匀地分布在整个宇宙空间中,所对应的是计算机模型中随机生成的点分布模式与所观测的星系分布存在相同之处。

  这就意味着整个宇宙的物质均匀地分布在大尺度的距离上,从而得出宇宙并不是不规则的碎片形态。同时也可以认为我们对整个宇宙的结构的蓝图存在错误,根据目前普遍接受的宇宙形成理论,在大爆炸发生的137亿年前,还没有足够的引力来形成这种大尺度天体分布结构。此外,宇宙物质的均匀分布符合爱因斯坦的广义相对论。本项研究的详细结果刊登在《皇家天文学会月刊》期刊上。

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