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宇宙微波背景证据不足 暴胀理论纠结与期待并存

http://www.kexue.com 2014-02-25 09:34:10 中国科技网  发表评论


普朗克太空望远镜效果图

  鸿蒙之初,天地之间什么都没有,是一个完全的虚空。没有能量,也没有任何物质。接着,就在这片虚无之中,宇宙诞生了。刚初生的宇宙非常小,但密度很大,而且充满了能量。再接着,一刹那之间,宇宙的尺寸迅速变大,这种暴胀导致宇宙的尺寸至少增加了1025倍。

  这就是对我们现在耳熟能详的暴胀理论的基本阐述,“暴胀宇宙论”认为,初期宇宙曾经发生过“速度高到无法想象的超急剧膨胀”。科学家们用这一目前在物理学领域占据支配地位的理论来解释宇宙大爆炸之后所发生的事情,以及宇宙如何形成我们今天所看到的模样。尽管很多科学家们现在相信,暴胀确实发生了,但他们仍然不知道暴胀如何开始、为何会发生以及如何结束。而且,迄今为止,也没有任何扎实的实验证据来对宇宙的这一加速膨胀过程进行证明。

  美国太空网(SPACE.com)在近日的报道中指出,欧空局的普朗克太空望远镜即将发回的新数据有望为暴胀提供坚实的证据。科学家们希望,只需要数月时间,他们或许就可以解开这个谜题。他们会对普朗克太空望远镜在接下来的几个月提供的新数据进行仔细地核实和验证。

  欧空局的普朗克太空望远镜以德国物理学家马克斯-普朗克的名字命名,自从2009年5月14日升空以来,普朗克太空望远镜已经为科学家们提供了不少有价值的科研图像,其中最突出的当属2010年12月底拍摄的首张宇宙全景图,图中展现了宇宙中最古老的光。

  宇宙微波背景辐射证据不足

  这种名为宇宙微波背景辐射(CMB)的光,是宇宙的化石,是宇宙大爆炸的“余烬”,它均匀地分布在整个宇宙空间。科学家们认为,它出现在宇宙发生暴胀(也就是宇宙出生约38万年)之后,那时,中性原子开始形成,而且,对于光来说,太空变得透明。

  普朗克上携带了一系列高灵敏度仪器,能够对宇宙微波背景辐射进行深入探测。2013年3月21日,欧洲航天局公布了根据普朗克太空探测器传回数据绘制的宇宙微波背景辐射图,这幅图以前所未有的精确度验证了宇宙标准模型,也支持暴胀理论。但这副图同时也展示出一些与现有宇宙理论假说的不同之处,例如被认为激发了大爆炸的“暗能量”比以前所知的要少,这意味着目前的理论需要修正。

  暴胀理论的支持者认为,普朗克的结果完美地暗示了暴胀如何工作。然而,批评人士则认为,科学家们只不过是将暴胀模型稍作修改,让其与数据相吻合,而不是真正解释暴胀。

  美国哈佛大学的天体物理学家安娜-利贾斯表示,普朗克提供的所有数据表明,宇宙“非常简单”。然而,其2013年提供的这批数据只能支持非常复杂的暴胀模型,“只对一些非常受限的初始环境起作用”。

  细微的密度波动导致星系形成

  科学家们希望,普朗克卫星即将提供的下一批数据能够证明,暴胀是否真能够解释为何我们目前的宇宙会拥有这样的形状。而且,宇宙暴胀理论的支持者们也认为,这些数据有可能证明,量子物理学里能发现现今宇宙的种子。

  通过普朗克提供的数据和此前的其他观测获得的数据,科学家们已经知道,宇宙微波背景辐射的密度表现出了轻微的波动,在接下来的137亿年间,随着宇宙不断膨胀,这种密度波动变得非常大。

  英国剑桥大学的理论物理学家丹尼尔-鲍曼表示,这些古老的密度波动可能源于宇宙大爆炸之后就出现的、时空内细微且自发的量子波动。他说:“我们相信,宇宙暴胀将这些细微的量子波动拉升成我们在今天的宇宙中所观察到的密度波动。”

  既然这些密度波动就出现在暴胀之后,这意味着,当宇宙微波背景辐射被制造出来时,它们已经在那儿恭候了,而且,密度更大的区域会吸收更多物质并最终形成我们现在看到的星团和星系。

  密度波动或隐藏着暴胀的秘密

  宇宙微波背景辐射中发现的密度波动为我们理解暴胀提供了一个新的维度。当宇宙微波背景辐射开始“发光时”,量子波动已经“变身”为密度波了。

  普朗克太空望远镜提供的第一套数据不仅证实了这种波动,而且也证明,在很大的距离范围内,这些密度波动都相互关联,所有拥有同样波长的波似乎会同时振荡。

  鲍曼说:“使用暴胀理论,很容易对这种相干进行解释,这是我们迄今做出的最令人兴奋的观察发现,真是太不可思议了。”

  科学家们对宇宙微波背景辐射所做的诸多测量中,得出的最令人诧异的一个结论却是,这种化石光的温度具有一致性,上下变化不超过0.0003摄氏度。鲍曼说,只有两种方式才能让宇宙获得这样整齐划一的温度。

  在一个非暴胀的模型中,宇宙不同部分的温度一定非常不同,接着,随着时间的推移,温度会达到平衡,就像房间内的物体会“达到室温”一样。然而,宇宙太年轻了,因此,在这么广袤的宇宙空间和如此短暂的时间内无法获得这种平衡。这样一来,我们似乎陷入了悖论中:尽管它们无法相互“联系”,但宇宙中距离遥远的部分仍然拥有同样的温度和密度。

  鲍曼说,暴胀提供了更好的解决方案:所有物质最初拥有同样的温度,接着它们突然被加速撕裂。因此,现在我们看到的情况是,物体之间存在着细小的温度差异,因为它们都始于同样的地方,具有同样的温度。

  鲍曼认为,这就像发现距离非常远的两杯咖啡,拥有同样的温度。如果它们从来没有靠得非常近来交换热量,那么,它们根本没有理由拥有同样的温度。但如果这两杯咖啡“由同样的咖啡机同时产生,接着,暴胀将咖啡杯带走并以超光速的速度让其快速分开,那么,它们就可能拥有同样的温度”。

  引力波也是呈堂证供

  尽管研究宇宙微波背景辐射极其微弱的光非常需要技巧,但其也会提供巨大的科研回报。这是因为,科学家们认为,宇宙最初的量子波动应该也触发了引力波。引力波这一概念由爱因斯坦提出,指的是时空的波纹,不过,目前还只停留在理论阶段。

  如果科学家们能发现引力波,并用其来标示宇宙微波背景辐射的波动,它们有望为暴胀理论提供强有力的证据。鲍曼说:“看见引力波将成为宇宙暴胀模型的确切证据。”

  不过,获得这一证据非常复杂,因为它依靠宇宙微波背景辐射发出光的偏振的细微变化。存在着两类偏振变化:E模型和B模型,后者描述了这种偏振的旋转或扭曲,物理学家们也认为,正是这一变化为暴胀理论提供了坚实的证据。

  利贾斯说,爱因斯坦的相对论指出,宇宙微波背景辐射将证明B模型偏振,因为宇宙暴胀期间时空的撕裂需要巨大的能量。

  如果宇宙微波背景辐射发出的光确实以这种方式发生扭曲,暴胀将提供非常好的解释。利贾斯说:“因为,这样一种高能机制将以非常暴烈的方式让时空发生震颤,这样,我们就能通过测量其产生的引力波的振幅来确定其强度。”

  鲍曼说,引力波或许也能说服那些目前正研究替代暴胀理论的科学家们接受这一模型。他说:“看见B模式将让我们更加确信,暴胀曾经发生,而且,我们都来自于量子波动。”

  利贾斯也认同这一观点,她表示:“迄今为止,科学家们的一贯做法是设计复杂的拥有很多参数(这些参数与普朗克提供的数据相吻合)的暴胀模型。能否探测到引力波的存在意义重大,其能有效地对暴胀理论进行证实或者证伪。”

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