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传统上,宇宙学标准模型认为宇宙是从一次大爆炸开始的,接着是持续的膨胀和冷却。然而,最近一项新研究发现,基于一种巧妙的数学技巧,我们可以“缩放”宇宙,膨胀可能只是一种幻觉。这个想法能否经得起推敲呢?
在真空中,所有光线,无论其波长或能量如何,都以相同的速度传播:即真空中的光速。当我们观察来自遥远恒星的光线时,我们所看到的光线实际上已经完成了从光源到观测者的旅程。图源:Lucas Vieira/Wikimedia Commons
有时我们能意识到,对同一现象会存在多种不同的理解方式。如果两种方式在物理上是等效的,那么我们就知道它们之间并没有区别,选择哪种方式仅仅是个人偏好问题。
以光学为例,你可以将光描述为波(如惠更斯所做)或射线(如牛顿所做),在大多数实验情况下,这两种描述会得出相同的预测。
在量子物理学领域,量子算符作用于量子波函数,你可以选择用波函数描述粒子,使其演化,而量子算符保持不变;或者你可以保持粒子的波函数不变,而让量子算符进行演化。
或者,就像在爱因斯坦的相对论中经常出现的情况一样,想象两位分别拥有时钟的观察者:一位在地面上,一位在移动的火车上。可以用两种不同的视角来等价地描述这一现象:让地面处于“静止”状态,火车上的观察者在运动中经历时间膨胀和长度收缩的效应;亦或是令火车处于“静止”状态,地面上的观察者经历时间膨胀和长度收缩的效应。
由爱因斯坦创立的相对论(在爱因斯坦之前,洛伦兹、斐兹杰惹(George Francis FitzGerald)等人也曾推导出类似的数学表达式)的革命性观点是,快速运动的物体在空间中看起来会收缩,而时间会膨胀。你相对于静止的观察者运动得越快,你的长度看起来就会收缩得更大,而对于外部世界来说,时间看起来则会更膨胀。对于站在地面上的观察者来说,火车会收缩,而火车内部的时间会膨胀;对于火车上的观察者来说,外部世界会经历长度收缩和时间膨胀。图源:C. Renshaw, IEEE, 1996
一旦跨越形成黑洞的临界点,事件视界内的一切都会被挤压成一个奇点,至多是一维的。没有三维结构能够完整幸存。然而,一个有趣的坐标变换表明,黑洞内部的每一个点都与外部的一个点一一对应,这引发了数学上有趣的可能性,即每个黑洞的内部孕育出一个小宇宙。图源:vchalup / Adobe Stock
这是一段按宇宙的膨胀比例缩小、中等分辨率的模拟宇宙结构形成的片段,显示了富含暗物质的宇宙数十亿年的引力增长。值得关注的是,在丝状结构交叉处,丝状物质和丰富的星系团主要是由暗物质产生的;正常物质只起很小的作用。随着模拟规模越大,更小尺度的结构本质上会被低估或“平滑化”得更严重。图源:Ralf Kaehler and Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn
想要解释宇宙中的红移么?在这个新的图像中,可以用一种不同的方式来解释。在标准的图像中:
原子经历原子跃迁;
释放出具有特定波长的光子;
该光子穿过膨胀的宇宙,在旅途中发生红移;
当观察者接收到它时,它的波长比观察者实验室中的相同原子跃迁的波长要长。
铁原子中有很多能级,也有不同的电子跃迁选择规则。尽管许多量子系统可以通过控制以实现高效的能量传递,但在生物系统中还没有以同样方式运作的例子。图源:Daniel Carlos Leite Dias Andrade et al., Conference: 25º CSBMM – Congresso da Sociedade Brasileira de Microscopia e Microanálise, 2015
当气球充气时,粘在其表面的硬币看起来相互远离,“距离更远”的硬币比距离较近的硬币远离得更快。任何光线都会发生红移,与气球的膨胀类似,光的波长会被“拉伸”到更大的值。这个图像很好地解释了宇宙的红移。图源:E. Siegel/Beyond the Galaxy
同样地,我们可以重新构建宇宙中结构的增长方式。通常,在标准图像中,我们从一个略微过密的空间区域开始,这个区域的密度略高于宇宙平均密度。然后随着时间的推移:
这个区域的引力扰动相比周围的区域会吸引更多的物质;
导致该区域的空间膨胀速度比宇宙平均膨胀速度要慢;
随着密度的增长,最终会越过阈值,引发引力束缚的条件;
这块区域开始引力收缩,并形成宇宙结构的一部分,如恒星团、星系,甚至更大的星系群。
典型的或“普通”过密区域将逐渐形成丰富的结构,而密度较低的“Void”区域则结构较少。然而,早期的小尺度结构主要由密度最高的区域(在此标记为“Rarepeak”)主导,这些区域增长最快,只有在最高分辨率的模拟中才能观测到细节。图源:J. McCaffrey et al., Open Journal of Astrophysics (submitted), 2023
光子辐射密度(红色)、中微子密度(黑色虚线)、物质密度(蓝色)和暗能量密度(点线)随时间变化的示意图。几年前提出的一种新的模型中,暗能量被替换为图中的黑色实线,该曲线在观测上与我们假设的暗能量目前是不可区分。截至2023年,处于膨胀宇宙中的暗能量在状态方程中可以与“常数”相差约7%;更多的差异受到数据的严格限制。图源:F. Simpson et al., Physics of the Dark Universe, 2018
氢原子形成时,电子和质子的自旋平行和反平行有同等的概率。如果它们是反平行的,就不会发生进一步的跃迁,但如果它们是平行的,它们可以通过量子隧道进入较低能态,在相当长的时间尺度发射出特定波长的光子。这种跃迁测量的精确性已能达到万亿分之一,且在数十年内保持不变,这就限制了普朗克常数、光速、电子质量及它们的组合。图源:Tiltec/Wikimedia Commons
基本粒子性质,例如质量、电荷、长度或寿命发生变化, 或者基本常数,例如光速、普朗克常数或引力常数发生变化。
我们的宇宙,从可观测的角度来看,只有138亿年的历史。我们在实验室里对量子系统进行了几十年的高精度测量,最精密的测量结果显示电子磁矩的精度达十万亿分之1.3[2]。如果粒子性质或基本常数发生了变化,那么我们的实验室测量结果也会发生变化。而根据卢卡斯·隆布里瑟等人重新构造的理论,自2009年以来的约14年时间里,我们应该能从这些精确测量中观测到数千倍于我们最精细测量精度的变化:约为十亿分之一的差异。
电子的磁矩在2007年和2022年都经过极高精度的测量,它们之间的变化少于十万亿分之一(早期测量精度的极限),这表明了精细结构常数并未发生变化。
氢原子的自旋翻转跃迁导致了一个精确波长为21.10611405416厘米的射线,其不确定度仅为万亿分之1.4,并且自1951年首次观察以来没有发生变化。随着时间的推移,物理学家对其进行了更精确地测量,这表明普朗克常数并未发生变化。
而厄缶实验(Eötvös experiment),用于测量惯性质量(不受引力常数影响)和重力质量(受影响)之间的等效性,截至2017年已经显示这两种“类型”的质量等效性非常显著,达到了一万亿分之一。
等效原理认为,宇宙中重力加速度与任何其他力造成的加速度之间不应该有任何差异。其中一个取决于引力常数而另一个则不取决于引力常数,对等效原理最精确的测试是由MICROSCOPE卫星完成的,其精确度达到了10的负15次方,这是一种约束引力常数随时间变化的方法。图源:APS/Carin Cain
参考文献
Ethan Siegel,天体物理学家、作家和科学传播者,教授物理学和天文学。自2008年以来,其博客“从大爆炸开始”(Starts With A Bang!)赢得了很多科学写作奖,包括英国物理研究会颁发的最佳科学博客奖。著有Treknology:The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive,Beyond the Galaxy等。
本文译自Ethan Siegel, Could the expanding Universe truly be a mirage? 原文地址:https://bigthink.com/starts-with-a-bang/expanding-universe-mirage/,经作者授权刊发于《返朴》。
本文受科普中国·星空计划项目扶持
出品:中国科协科普部
监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
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