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            世界首要是什么:胀大仍是大爆炸?

            admin 2020-02-14 169人围观 ,发现0个评论

            • 图注:咱们的整个世界前史在理论上是很清楚的,但这仅仅是由于咱们了解了它的根底引力理论,并且由于咱们知道世界现在的胀大率和能量组成。光将一向在这个不断胀大的世界中传达,咱们将持续在悠远的未来恣意地接纳光,但它将在时刻上被约束在咱们所能抵达的范围内。咱们对世界来源仍有未解之谜,但物理学或许从底子上约束咱们所能知道的。

            138亿年前,世界中全部的物质和能量都会集在一个足球巨细的空间里。可是,即便在这么小的空间里有这么多能量,咱们也没有坍缩成黑洞。取而代之的是,世界以敏捷的速度胀大,然后精确地平衡了能量密度,以至于在咱们丈量的全部世界前史中,咱们一度走在胀大和从头崩塌之间这条细线上。

            今日,咱们在世界中所能看到的全部向五湖四海延伸了约460亿光年,科学家们能够将这一来源追溯到一个热的、稠密的、更均匀的、更敏捷胀大的状况。像许多理论家相同,你或许会想把它推得更远,回到一个恣意热的稠密状况:奇点。但这种引诱是咱们对世界诞生的大多数误解的本源。究竟,大爆破并不是开端。相反,这一荣誉归于世界胀大,每个人都应该了解为什么。

            • 图注:​世界不只仅均匀地胀大,而是在其内部有细小的密度缺点,这使得咱们能够跟着时刻的推移构成恒星、星系和星系团。在均匀布景上添加密度不均匀性是了解当今世界的起点。

            当咱们调查今日的世界时,咱们看到许多可调查到的现实,它们迫切需求一个解说。它们包含:

            • 现实上,更远的星系好像与咱们的间隔成正比,
            • 星系间隔更远,看起来更小、更蓝、更年青、更不进化,
            • 现实上,在更远的间隔上,世界好像不那么蠢笨,更为均匀,在大标准上也不那么集合,
            • 现实上,重元素(比氢和氦重的原子)的百分比在最大间隔处渐趋为0%,
            • 现实上,咱们在太空中看到了一个十分冰冷但清晰可见的黑体辐射布景。

            值得留意的是,有一个结构与这些观测中的每一个都是共同的:大爆破。

            • 图注:与如今银河系适当的星系是许多的,但银河系中较年青的星系一般比咱们今日看到的星系更小,更蓝,更紊乱,更丰厚的气体。关于全部的第一个星系来说,这应该是极点的,并且在咱们之前看到的是有用的。世界结构的构成和构成需求世界时刻标准,直到咱们今日看到的中止。

            依据大爆破的大思维,世界在曩昔是更热、更细密、更均匀的,它经过胀大、冷却和引力构成了一个巨大的世界网,演变成今日的世界。跟着时刻的推移,空间结构自身也在不断扩展,由于广义相对论规律要求世界在各个方向和方位充溢大致持平数量的世界首要是什么:胀大仍是大爆炸?物质和能量,导致光子的波长拉伸,质量粒子的动能下降,使引力缺点稳定增长。

            在大爆破的结构中,前面说到的每个可观测现象都得到了物了解说:悠远的星系好像是红移的,由于胀大的世界延伸了光的波长;更悠远的星系真的更年青,更不进化;世界在曩昔更少集合;原始原子比是75%的氢、25%的氦和0.00000007%的锂;剩余的辐射在20世纪60年代中期被发现。

            • 图注:依据彭齐亚斯和威尔逊的原始观测,银河系的平面放射出一些天体物理辐射源(中心),但在上面和下面,剩余的仅仅一个近乎完美、均匀的辐射布景。这种辐射的温度和光谱现在现已被丈量出来了,与大爆破的猜测十分共同。假如咱们能用眼睛看到微波,整个夜空看起来就像是绿色的椭圆形。上一次的发现简直扼杀了大爆破的每一个替代品,并将大爆破作为咱们可观测世界中全部事物的世界来源故事。世界从这个前期的热、密、均匀的状况中呈现,并跟着时刻的推移而胀大和冷却。

            当它冷却到一个特定的能量阈值以下时,它就不能自发地发作质量(经过e=世界首要是什么:胀大仍是大爆炸?mc2)太大的粒子;在一秒钟的前几分钟,除了正电子和反中微子之外的全部反物质粒子都会湮灭。

            大爆破后大约1秒,中微子和反中微子“冻住”,这意味着它们(依靠能量的)相互作用速率下降到如此低的频率,以至于它们实际上再也不会相互作用了。

            当咱们向前移动时,核反应就会发作,然后中止;中性原子稳定地构成,开释原始辐射;引力不完美在逐步增大的更大和更大的标世界首要是什么:胀大仍是大爆炸?准上成长,导致构成第一个恒星,然后构成星系,然后构成巨大的世界网络。

            • 图:咱们今日看到的恒星和星系并不总是存在,而咱们越走越远,世界就越挨近一个显着的奇点,咱们进入更热、更密布、更均匀的状况。可是,这种揣度是有极限的,由于一路回到奇点就会发作咱们无法回答的谜题。

            可是大爆破的来源故事呢?大爆破自身是从哪里来的?

            假如你把胀大和冷却的世界一向推到理论物理答应你去的当地,你就会遇到一个曩昔被称为奇点的事情。从实质上说,你将把世界中的全部物质和能量打包成一个点。(一旦你抵达每粒子10^19Gev的极高能量,适当于世界大爆破后10^(-43)秒的“世界年纪”,物理规律就会溃散,不再给出合理的答案。)

            从广义相对论的视点来看,奇点是仅有能对应时空起点或结尾的事情。因而,咱们能够一路推演回到大爆破结构中的奇点,并得出一个咱们能够合理地称之为“开端”的点。

            • 图:假如咱们一路推演,咱们会得到更早,更热,更密布的状况。这是否终究导致了一个奇点,在那里物理规律自身就溃散了?这是逻辑揣度,但未必正确。

            从20世纪20年代到70年代,科学家以为他们对咱们的世界来源有一个令人满意的故事,只要几个问题没有得到处理。可是,他们都有一些共同点:他们都问了一些不同的问题:“为什么世界是从一组特定的特点开端的,而不是其他特点?”

            • 为什么世界在空间上是彻底平整的,其总物质和能量密度彻底平衡了初始胀大率?
            • 为什么世界在各个方向上都具有彻底相同的温度,准确度高达99.997%,即便世界没有存在满足的时刻让不同区域热化并抵达平衡状况呢?
            • 为什么,假如世界尽早抵达了这些超高能量,为什么没有经过粒子物理学规范模型的一般扩展来猜测高能遗址(如磁单极子)?
            • 又为什么由于体系的熵总是添加,所以世界诞生于今日的低熵构型呢?

            • 图注:假如世界的密度稍高一点(赤色),它就会从头呈现;假如世界的密度稍低一点,它就会胀大得更快,变得更大。大爆破自身并没有解说为什么世界诞生时的初始胀大率如此完美地平衡了总能量密度,底子没有空间曲折。咱们的世界在空间上看起来十分平整,初始总能量密度和初始胀大率互相平衡,至少抵达20个以上的有用数字。

            已然一个体系的熵总是添加的,那么为什么相关于今日的结构,世界诞生于如此低的熵结构中呢?

            在物理学中,咱们有两种办法来处理这样的问题。由于全部这些问题都是关于初始条件的,也便是说,为什么咱们的体系(世界)是从这些特定条件开端的,而不是从其他任何条件开端的,所以咱们能够挑选:

            1. 咱们能够测验假造一个理论机制,把恣意的初始条件转化为咱们所调查到的条件,包含再现热大爆破的全部成功,然后整理出新的猜测,使咱们能够在不做任何改动的情况下,用一般老迈爆破的旧理论来查验新理论。
            2. 或许,咱们能够简略地断语初始条件便是它们,并且不只没有对这些值/参数的解说,并且咱们不需求任何解说。

            虽然不是每个人都清楚,但第一种挑选是仅有科学的;第二种挑选,经常被那些对景象或多元世界进行哲学考虑的人吹捧,等于彻底抛弃科学。

            • 图注:正是考虑到许多经过微调的场景(并考虑到鲍勃迪克提出的那些微调问题),艾伦古特才想到世界胀大,世界来源的首要理论。

            今日,真实成功的大设想被称为世界胀大。1979/80年,艾伦古特提出,世界前期的一个阶段,全部的能量不是在粒子或辐射中,而是在空间自身的结构中,将导致一种特别的指数胀大,称为德西特阶段。在这种状况下,世界中任何开端胀大的初始区域都会:

            • 在极短的时刻标准上被拉伸到如此大的标准以至于它的拓扑结构关于任何调查者来说都无法差异,
            • 在任何当地都有相同的初始条件(密度和温度),直到量子涨落的标准,它们叠加在一个均匀的布景上,由于咱们整个可观测的世界在悠远的曩昔从前都是在同一个空间区域中因果相连的,
            • 只要抵达一个最明显的温度,当胀大完毕并转变成热的、密布的、均匀的、胀大的和冷却的状况,咱们与热标准大爆破联络在一起时,普朗克温度(10^19 GeV能量标准)就大大下降了。
            • 从胀大世界的较低熵态到热大爆破的更高熵态,熵将持续添加,就像咱们调查到的世界相同。

            • 图安小晚霍深注:在顶部图中,咱们的现代世界在任何当地都具有相同的特点(包含温度),由于它们来源于具有相同特点的区域。在中心的面板中,本来能够有恣意曲率的空间被胀大到今日咱们无法调查到任何曲率的程度,然后处理了平面度问题。在底部图中,预先存在的高能物质被胀大,供给了处理高能遗留问题的办法。这便是通胀怎么处理大爆破自身无法解说的三大难题。

            自从上世纪80年代初至中期初次提出并完善胀大以来,咱们对世界来源有了许多了解。除了再现热大爆破的成功并解说这些本来无法解说的初始条件外,它还对世界今日应该具有的性质作出了六项新的猜测,其间四项经观测证明,两项没有得到满足的查验,无法确认。在研讨前期世界的大多数人中,胀大被以为是新的一致理论。咱们或许不知道关于胀大的全部,但要么它——或许类似于它的东西——咱们没有调查到它们的差异——必定发作了。

            虽然如此,这对咱们的世界来源意味着什么?从时刻轴的视点来看,首要是什么:大爆破仍是胀大?

            • 图注:蓝线和红线代表了一个“传统的”大爆破场景,全部都从时刻t=0开端,包含时空自身。但在胀大的情况下(黄色),咱们永久不会抵达奇点,在那里空间会变成一个奇特的状况;相反,它只能在曩昔变得恣意的小,而时刻却永久在后退。只要最终一个细小的一秒,从胀大完毕,印记自己在咱们今日可观测的世界。hawking-hartle无边界条件和borde-guth-vilenkin定理相同,挑战了这种状况的寿数,但两者都不是确认的。

            信不信由你,上面的图表包含了你需求知道的全部信息。其间两条曲线——赤色和蓝色——代表一个由物质或辐射操纵的世界。你能够清楚地看到,假如你把它们恣意地推回到曩昔,在t=0的有限时刻内,你会得到一个极小的标准,这是一个奇点。

            但假如在前期,世界不是由物质或辐射操控的,而是由空间自身固有的能量方式操控的,你就会得到黄色曲线。留意这条黄色的曲线,由于它是指数曲线,它的巨细永久不会抵达零,而仅仅挨近它,即便你在时刻上无限远。胀大的世界并不像物质主导或辐射主导的世界那样从奇点开端。咱们只能肯定地说,咱们称之为“热大爆破”的区域是在通胀完毕后才呈现的。它没有说到胀大的本源。

            • 图:世界固有的量子涨落,在世界胀大期间横跨世界,引起了在世界微波布景中的密度动摇,这反过来又引起了今日世界中的恒星、星系和其他大规模结构。这是咱们对整个世界怎么运转的最好的描绘,在那里,胀大先于大爆破并导致大爆破。

            现实上,咱们整个可观测的世界简直没有任何来自它的前大爆破前史的特征;只要最终10^(-32)秒(或大约)的胀大乃至在咱们的世界上留下可观测的印记。可是,咱们不知道通胀状况来自何方。它或许来源于一个具有奇特性的预先存在的状况,它或许永久存在于它的胀大方式中,或许世界自身乃至或许是周期性的。

            有许多人在说“大爆破”的时分都是指“开端的奇点”,而对有些人来说,我以为你应该与时俱进,这现已曩昔很久了。热大爆破不能推回奇点,只能推到它之前的通胀状况的止境。咱们不能满怀信心地陈说,由于即便在原则上,也没有任何迹象标明胀大的最终阶段现已到来。有奇点吗?或许吧,但即便是这样,也与大爆破无关。

            • 图注:在这个时刻轴/世界前史图形中,BICEP2 协作将大爆破置于通货胀大之前,这是一个常见但不可接受的过错。虽然这在近40年的时刻里一向不是这一范畴的主导思维,但今日它已成为人们的典范,经过简略的缺少重视而弄错了众所周知的细节。

            首要是胀大,它是第一位的,它的完毕预示着大爆破的到来。 依然有些人不同意,这样的前史现已有将近40年了。当他们断语“大爆破是开端”时,您会知道为什么世界胀大实际上首要呈现。至于最终一秒的胀大之前发作了什么? 您的假定与任何人的假定相同好。

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