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关于“的概念的最新创新 宇宙

暗能量和加速宇宙?

在最近的HST和地面“超级望远镜”观测结果中,似乎发现了一个关于开放宇宙与封闭宇宙与平坦宇宙的主要线索。事实上,一些宇宙学家认为这是自80多年前哈勃观测以来最重要和最有启发性的宇宙发现。下一组段落中的一些内容是从PBS的NOVA系列中的一篇优秀评论中摘录出来的,这个2000年11月的项目名为“失控的宇宙”,来自下面引用的参考文献和最近的一本书。- 加速宇宙:无限膨胀,宇宙常数,宇宙之美 马里奥·利维奥,2000年,J.威利父子公司。关于这个主题的最新一卷是 奢侈的宇宙 作者:罗伯特·基什纳,普林斯顿大学出版社。本网站简要介绍了加速宇宙的概念,该概念涉及当前竞争的概念之一, Quintessence 暗能量的一种特殊形式,似乎在推动这种加速。

这张由位于马里兰州巴尔的摩的空间望远镜研究所绘制的图表总结了所谓失控宇宙背后的基本前提:

在大爆炸最早时刻的初始膨胀之后,在宇宙变小的延长时间内,强大的引力和物质/密度导致了引力,导致了膨胀的净减速。但当宇宙继续扩大,密度降低引力效应时,宇宙开始重新加速。当前的推测指向一种排斥力,可能是“暗能量”的形式,类似于爱因斯坦的宇宙学常数,它逐渐控制着决定相对膨胀率的驱动力。简而言之,暗能量是真空能量的一种形式,它有两个定义性质:1)与引力相比,暗能量的作用就像给宇宙中的所有物质施加一个负压力(产生上述的排斥力);2)暗能量随硅的增加而增加。宇宙的泽。它的净效应,目前,已导致宇宙膨胀率加速在下半个宇宙历史。在接下来的几段中,我们将详细阐述这些观点。

到目前为止,暗能量被证明是很难直接探测到的,因此很难确定它的性质。(它有时被称为“幻影能量”)通过确定某些超新星的红移(拉丁复数;也被称为超新星),可以发现这种新的扩张加速的主要支持证据。对距离地球40-70亿光年(研究中包括超新星在内的距离区域)的60多个1a型超新星事件的分析结果表明,宇宙时间的某些阶段的膨胀速度比之前计算的要快。来自深部类星体研究。事实上,这样的速率表明宇宙可能正在膨胀 太快 因为它已经减速到可以最终收缩。这说明 open 宇宙将永远膨胀并导致总质量不足的推论(可能只有所需总量的约30%,其中大部分是暗物质)。 [宇宙中的可见光辐射成分,如星系,仅占5%。] )关闭它)。为了解释这种明显的加速度,假设存在一种能引起排斥的能量形式(如空间中所存在的尚未确认和未证实的能量)。

上段中的几个观点是天文学和宇宙学界讨论的最热门的话题之一。1998年,一个关于“宇宙能量缺失”的会议集中讨论了许多相关方面。宣布宇宙膨胀的证据被认为是当年最重要的科学故事。1999年1月第期 科学美国人 现在的细节与不断膨胀和加速的宇宙这个日益增长的概念有关。感兴趣的读者应查阅这些论文(在类库或在以下链接引用的三个互联网网站上),但在下一个段落序列中给出了每一篇的简要概要。

第一篇文章, Surveying Space-Time with Supernovae (霍根、基什纳和桑特谢夫) (Internet Site 1 _放大了1a型超新星的性质。它们可以和普通恒星一样小,在到达白矮星阶段后,继续接收来自伴星的物质。这种新物质流入矮星会增加它的总质量,直到温度上升到一定程度,从而导致突然的热核爆炸,从而形成一种超新星,这种超新星的存在时间很短,其持续时间取决于质量。反过来,质量决定亮度。

如果一颗超新星几乎可以在它开始的时候被探测到,那么它持续时间所涉及的时间表明一个特定数量的能量输出,因此这个事件0可以被用作一个具有显著可靠性的“标准烛光”,非常适合测量距离。这种超新星是通过在不同的时间对天空中的小部分拍摄望远镜照片,精确地将它们叠加为计算机图像,补偿观测条件的差异,并在随后的早期图像中进行亚竞赛来检测的。 [消除持续存在的相同功能] 以及确定具有超新星外观的残余物。在天文学家的搜索中,目标是找到一个仍处于爆炸早期(前端)阶段的超新星,然后在接下来的几个月里跟随它的高亮度周期。下一幅图片显示了超新星1999年出现在M88星系中的“之前”和“之后”序列。

Supernova in Galaxy M88.

这是另一个例子,一个更遥远的星系(明亮的中心),第二个明亮的区域偏离中心,那就是超新星。

钱德拉X射线望远镜观察到一个膨胀的星云,以水螅星座中的凝块为标志,它被解释为超新星1a遗迹:

一个1a型超新星在一个星系中平均每300年出现一次,但由于有许多星系可以分辨恒星,所以一个新的超新星大约每月出现一次。利用这种方法,天文学家们发现了大量的1a型超新星,它们位于距离地球70到40亿光年的地方(由红移决定),实际上发生在过去,当时宇宙的大小是现在的1/2到2/3。

将1a型超新星用作“标准烛光”,即其亮度或内在亮度可以高精度地被知道的烛光,一直是困难的,但在过去的十年中,几个小组(Perlmutter小组、Kirschner/Schmidt小组和其他小组)的工作已经实现了ABIL。将亮度估计为实际值的+/-90%以内。这些研究小组发现,1a型荧光灯变亮,然后以可变速率变暗。通过分析亮度曲线并对衰减频率进行理论修正,他们提出了一个模型,该模型可得出亮度值,从而使其成为绝对量值事件,从而可以高精度计算出距离(距地球)。这个距离应该在面值上表示恒星辐射已经走了多远。

令人惊讶的是,这些1a型爆炸的亮度比最初假设的距离要低25%。这个假设是基于宇宙不断减速的假设。利用超新星星系中恒星的红移值,可以确定星系的膨胀率。但是,与预期亮度相比的减弱意味着1a型恒星及其星系实际上距离更远(因此在我们看来,它的亮度比稳定减速的宇宙中预测的要低),而且由于膨胀的变化,它必须达到更大的扩展位置。速率。换一种说法:在宇宙早期,这些遥远的1a型事件的红移比预期的要小,而且似乎比靠近地球的1a型事件的移动速度要慢(当然,后者的绝对红移更小)。因此,那些靠近地球的天体运动得相对更快,因为在我们看来,它们在宇宙学时间上要晚得多,这表明宇宙的加速度实际上在增加。

随着1a型观察次数的增加,出现了一种模式,即相对于他们的红移,他们变得越来越模糊。将亮度的下降推断为整个宇宙的行为,得出这样一个结论:宇宙的密度正朝着一个令人难以置信的状态前进,在这个状态下,它的密度将被暗示为小于零。

综上所述,阻止这种矛盾的密度趋势并与亮度异常相容的最佳解释有利于这样一种观点:在过去的某个时候,宇宙开始增加。 加快 随着时间的推移,使得与双曲线空间膨胀相关的开放宇宙模型最有可能处于状态。为了解释这一点,如果随后的研究继续支持这一结论,就需要存在某种抵消膨胀的能量,或者需要一个不同的通货膨胀模型。

天文学家想确认,本页顶部图表(减速-然后加速)中所示的膨胀率模式,从刚刚描述的70亿年洛杉矶观测数据进一步向后延伸。已知最古老的1a超新星,位于一个椭圆星系附近,距离约115亿l.y.,已经测量了它的红移,其结果与加速度模型一致。在下面的左图中,它是一个明亮的、白炽的、云状物体;右图是场景的一个两年时间差叠加图,在这个时间段中,大多数物体都会被抵消,留下一个亮点,即位于箭头所指的喷出物质的包壳内的超新星。点。偶然的是,这颗超新星恰好位于1997年2月“纠正性维修”航天飞机任务后用于校准HST光学器件的场景中,因此从当时获得的图像序列中可以明显看出它的短期变化。在它的年龄和距离上,它的内在亮度比预期的要大,这与它在那个时间范围内减速而不是像年轻的1A型超新星那样加速的观点是一致的。

在第二篇论文中, 宇宙学反引力 (克劳斯) (Internet Site 2 _(事实上,某种仍然神秘的能量)存在于所有的空间(包括所谓的构成宇宙体积主要部分的空部分),它抵消了万有引力,这可以解释观测结果和它们的许多R。修改。这一能量在重要方面与70多年前爱因斯坦提出的宇宙学常数概念相似,爱因斯坦提出这个概念是为了解释当重力作用于所有物质(包括重力场)时,静态宇宙(当时的主流模型)是如何保持一个常数大小的。物质受到吸引力的作用,最终会向内坍塌。爱因斯坦后来放弃了他的想法(说“这是我最大的错误”),当时关于膨胀和大爆炸的证据几乎被完全接受。回顾一下他的宇宙学常数的概念(我们将用阿拉伯字母L来指它;在包含它的方程中,使用希腊字母lambda∧)再一次有了优点,但在最初构想它的时候,并没有令人满意地解释一个宇宙的膨胀特性,即仍然鲜为人知。(查阅俄勒冈大学天文学课程笔记 cosmological constant lambda 为了总结lambda的意义和历史。)就像爱因斯坦的宇宙常数一样,这种神秘的排斥能量被假定为真实的,主要是基于必要性——如果上述超新星观测持续下去,就需要考虑加速度。这种加速的开始时间目前尚不清楚;它可能是原始通胀的残余,也可能是后来的(第二次)通胀,其开始的原因仍然是个谜。

一个正的l值产生长期排斥力,就像它们产生一个 负压 (-P)。这意味着(开放的)宇宙将永远膨胀,而不会最终减速。L与另一个参数Ω(希腊字母Omega)相关。ω是宇宙中物质/能量的密度与实际产生平坦宇宙所需的量之比(Ω=1);它也是引力能与现存所有物质/能量的动能之比。虽然一个平坦的宇宙似乎适合许多观察(但可能是虚幻的,因为我们只观察一个无限宇宙的一小部分,这个宇宙看起来是平坦的,就像一个大球体或一个双曲线鞍上的一个小区域),当所有物质和常规能量的清单在整个宇宙中,估计的数量远远低于达到真正的平坦状态所需的数量。事实上,根据超新星的观测结果,欧米伽的值似乎小于1,这相当于双曲线几何的膨胀。(L(∧)本身在该模型中是有限的,与上表中的值不同。 page 20-9 )如果这种情况持续下去,就有必要考虑到欧米伽值的降低,因为现在确定的物质/能量远远低于所需的量。因此,进入了今天的爱因斯坦L的等价物,也就是说,某种形式的能量,其特征只是粗略地知道,其存在还没有被证明。

这是空间的能量(所谓的 真空 )这一空白处的一个看似矛盾的说法并不是真的空的;见脚注。 (* _)关于宇宙学中提到的真空和空洞类型的评论。被认为能够解释所有可能性的类型是“假真空”,它以某种形式的能量为特征。量子理论认为,即使在电磁、热学、核和其他形式的能量被完全消除之后,在空间的任何部分都不可能有零能量。能量含量分布在一个恒定的真空密度内(新能量刚好被增加的空间体积所平衡),这种能量起到抵消重力的作用。量子理论提出了它的一些特性,这是 量子宇宙学 (及其子集, 宇宙学 对宇宙起源和历史的研究)。这个虚拟的 真空波动能 是“暗能量”的一种形式,即既不发射也不吸收光——这意味着它不会发出任何可以被探测到的辐射。能量是惰性的,因为它本身不会反应改变物质,即使它通过引起排斥而影响物质。真空能(也称为零点能)是通过极其短暂的量子涨落而发挥作用的,这种涨落产生了虚拟粒子和相应的反粒子,它们在空间的表观真空中瞬间地(似乎是自发地)发展,然后相互湮灭、释放。以排斥力驱动加速度的形式存在的能量。这种粒子似乎是从“无”中产生的现象(亚里士多德的“效力”概念——有可能存在的东西——似乎是从形而上学的思想中得出的一个很好的类比)可以从量子物理学的原理中在概念上解释。

海森堡不确定性原理是得出宇宙的真空(并记住宇宙中绝大多数空间都可以说是真空)并非完全没有任何东西的结论的基础。因此,考虑真空的任何有限部分;它可能完全没有任何形式的物质。但它在任何时刻都含有上述真空能,理论上说是一个非常大的量(目前还不知道实际的量)。不确定性原理要求,从统计上讲,概率不是零,从这个能量中,粒子(反粒子)对可以在任何时刻出现,并且很可能在湮灭之前持续一段时间。因此,这个真空单元包含有一个有限势能转化为一个虚拟粒子的虚拟能量。但粒子或反粒子很少存活。这种虚拟波动现象的最终产物现在是暗能量概念中包含的能量形式(它可能包含整个d.e.或其他形式也可能存在),这仍然是推测性的,但越来越受欢迎。

有关这些想法的更多背景信息,请访问 University of Oregon 天文学网站上关于虚拟粒子的讨论。

卡西米尔效应证实了虚拟粒子的存在。考虑这个实验设置:

|左:用于产生卡西米尔效应的仪器;右:描绘虚拟粒子波长“振荡”的图表。γ

一对金属卡西米尔板放置在近距离。整个装置被封闭在近乎完美的真空中。假设虚拟粒子从封闭空间中弹出。它们具有特征波长。由于极板之间的分离小于粒子的波长,因此极板之间的极板不能起作用或传播。外部的这些粒子并没有受到严重的限制,因此它们可以撞击外板,产生微弱但可测量的压力。这会导致力的不平衡,导致板块推到一起。由于无法解释这种吸引力的其他来源,因此得出的结论是,虚拟粒子存在并因此存在。

空旷的空间不断地被无数的单独(虚拟)粒子侵入,这些粒子只有短暂的存在,但只要空间存在,这个过程就一直持续,并释放出大量的上述尚未确定的能量形式来驱动加速。影响这一过程的l值可能是恒定的(或者可能会变化——至今尚未确定)。在宇宙的早期,物质/能量密度非常高,但随着膨胀而不断减小。几十亿年前,它的价值降到了(常数?)与l有关的能量密度,因此现在它的排斥力起作用,并导致膨胀加速,这是由微弱的超新星观测所暗示的一种效应。——————————————————————---

以下四段归因于D.A.Stenger(1996年),已从互联网上删除,并在此处添加为补充信息:

In general relativity, spacetime can be empty of matter or radiation and still contain energy stored in its curvature. Uncaused, random quantum fluctuations in a flat, empty, featureless spacetime can produce local regions with positive or negative curvature. This is called the "spacetime foam" and the regions are called "bubbles of false vacuum" (these describe the infinitesimal volume of space at the outset of a Big Bang). Wherever the curvature is positive a bubble of false vacuum will, according to Einstein's equations, exponentially inflate. In 10:sup:`-42` seconds the bubble will expand to the size of a proton and the energy within will be sufficient to produce all the mass of the universe.

气泡从物质、辐射或力场和最大熵开始。它们的曲率中含有能量,因此是一个“假真空”。当它们膨胀时,内部的能量呈指数级增加。这并不违反能量守恒,因为假真空有一个负压力,所以膨胀的气泡本身就起作用。

出现的力和粒子或多或少是随机的,只受对称原理(如能量和动量守恒原理)的控制,对称原理也不是设计的产物,而是在没有设计的情况下所具有的。

当气泡宇宙膨胀时,会发生一种摩擦,能量转化为粒子。然后温度下降,出现一系列自发的对称破坏过程,如在冷却到居里点以下的磁铁中,粒子和力的基本随机结构出现了。通货膨胀停止了,我们进入了更熟悉的大爆炸。


宇宙的这个概念经历了普通物质/暗物质密度随时间不断降低(体积增大的结果),而排斥能量(暗能量的一部分相当于宇宙常数或本质 [见下文] 或一些尚未定义和量化的类似形式)正在增加,在这个简单的广义图中给出(注:它基于大约120亿年的宇宙年龄 [到了公元前2.7年还太年轻,] )重要的特征是这两条曲线过去的某个时候与宇宙学常数能量交叉的概念,现在比物质曲线的能量更大。

验证是否存在 暗能量 在空间本身以及确定其性质(性质)和起源,现在已接近宇宙学家和天文学家进一步观察和理论解释的优先事项列表的顶部。暗能量可能是宇宙所有物理成分中最基本和最广泛的。如20-9页所示,它实际上可能是构成宇宙总质量/能量估计70%的成分。如图所示,它决定了宇宙的膨胀速度,从而决定了宇宙的最终命运。尽管这一点很重要,但到目前为止,它的探测已被证明是难以捉摸的,但未来的实验为其迟来的“发现”提供了希望,随后对其意义进行了合理的解释。

本文提出的关键点——以及来自加速宇宙证据的新观点的核心——似乎有暗能量Ωs(l或&lamda;)以及其他形式的物质和能量的一些优选值。 M . 如上所述,对这些Ω值进行了各种估算。这是两张Ω的图Λ 对ΩM

该图显示了开放和封闭宇宙以及加速和减速宇宙的边界条件。白场中的轮廓代表了欧米伽值范围内统计位置的置信限,这些值可能与超新星1a测量值有关,并落在图中。在下面的图表中,高z超新星搜索小组收集的数据被用来定义一个最可能的欧米茄组合的区域。最大值接近ΩΛ =0/7和ΩM =0.3值。这与目前对暗能量和所有其他形式的能量/物质的估计(以百分比表示)是一致的。

这个Ω中的假设Λ VSΩ M 图为:ΩΛ 加号( + Ω M =1,对于一个平坦的宇宙来说,这个模型现在最受欢迎。

第二篇论文包含了上面所示图表的一个优雅版本。必须以大尺寸输入,这会减慢下载速度。所以,我们把它作为一个选项,点击 page 20-10a . 阅读该页上的注释,这些注释也适用于上述图表。

熟悉了这些加速宇宙的新模型后,现在有必要展示下面的图表。

这个图包含了由高z超新星搜索小组和超新星宇宙学项目获得的数据。上面的图显示了超新星红移值与超新星距离的关系,超新星红移值以百万分之一秒为单位,与上文所述监测到的sn 1a事件之间的距离。基于Ω值的四组不同的图Λ 和ΩM 在右上角很明显,它们彼此之间略有差异(在Z值较低时,它们被叠加)。在这个尺度上很难看到这种狭窄的扩散。当相对距离的对数形成纵坐标时,曲线就会分开。一些加速趋势的迹象是明显的,但绘图点和它们的统计分布没有充分分开来决定。需要更多和改进的观测,特别是在更远的空间,才能令人信服地证实加速宇宙模型。一个未来的卫星,SNAP(超新星加速探测器),专门用于SN1A数据收集,已经提出。图中给出了有关快照的一些信息:

第三篇论文, 低密度宇宙中的膨胀 (布彻和斯佩格尔) (Internet Site 3 _)提出了一种假设与L有关的排斥能的替代方法。它得出了一个类似的结论:宇宙是开放的,空间的膨胀模式是双曲线的。所提出的模型,即开放式通货膨胀理论,是Guth等标准通货膨胀模型的一个变种。在标准模型中,通货膨胀与 膨胀场 (if),它指的是在膨胀过程中由量子场振荡产生的粒子(很像上面描述的虚拟粒子)。想象一下,在一个x-y图中有一条曲线,形状像一个宽的,开放的u,在这个图中,垂直线描述了势能的变化和if的水平变化。(注:在其他类似的图表中,垂直轴的参数称为 能量密度 横轴上有标签 希格斯场 (其中充气量等于 [可能现在检测到] 希格斯玻色子)。

|示意图描绘了一个球在经历膨胀过程时在希格斯场中运动的早期宇宙的行为。γ

在通胀开始时,国际单项体育联合会将曲线向下移动到最小值。这个过程可以发生在无限实体中,这个无限实体被概念化为一切(无界限的连续体),在这个无限实体中,一个到多个单独的宇宙可以形成。在开放式通货膨胀模型中,在靠近高势能的曲线中存在一个弯曲,在这个弯曲中,中频可以被困在其中,就像在一个局部低谷中,所谓的“假最小值”或“假真空”。许多这样的“低谷”存在——每一个都是一个潜在的宇宙。当某些量子过程发生时,如果态可能“隧道”出这个槽,并沿着规则的U面向最小方向前进。每次这种情况发生时,都会发生真正的通货膨胀,并随之发生一次大爆炸(注:大爆炸只描述宇宙的增长,而不是宇宙开始前存在的条件的原因)。国际单项体育联合会,根据其性质,给予反重力,导致膨胀。这个过程可以发生在连续体的任何地方,而不是同时发生,因此许多宇宙(多元宇宙)可以形成和生长,就像水里接近沸点的许多气泡一样。

2001年1月,J.R.Ostriker和P.J.Steinhardt在《科学美国人》的一篇论文中描述了 最典型的宇宙 真空能被改变,使其能与物质相互作用。它产生了一个动态的量子场,用他们的术语“精髓”来描述,在这个量子场中,物质的存在将加速度降低到低于宇宙常数膨胀所预测的量级。从长远来看,比如说从现在开始的300到500亿年,最基本的扩张可能会继续增加,或者可能会放缓,甚至会被物质的影响所逆转,即使物质的影响会扩散到更大的范围。点击此处查看 quintessence .

在20世纪90年代提出膨胀加速后,其中一个“奇怪之处”仍然完好无损,那就是它在宇宙学时间尺度上似乎是相对较新的。换言之,这种加速只是在过去70亿年或更少的时间里才重新出现(在最初的大爆炸的早期,随着第一次加速或通货膨胀,“第二次来临”)。有人可能会猜测,这种排斥力一直存在,但小于宇宙在其前半部分存在时的引力。现在,随着星系的进一步膨胀和更大的分离以及质量密度的降低,排斥力已经开始超过吸引力(重力),导致加速的更新,当重力施加更多的力时,推开超过了早期的膨胀速度。影响宇宙的成长。

这种增量膨胀的另一个结果是,它使宇宙的年龄增加到由哈勃常数决定的程度。这抵消了研究人员首次报告的异常,使用HST来优化h值。O 最初他们的最佳估计值是120亿年——这一值与对最远星系年龄的独立估计相矛盾,最远星系的年龄是13-14亿年或10亿年以上,而恒星的年龄,其中一些给出了年龄超过120亿年的证据,但重新计算了中心。带加速参数的布尔年龄包括140-150亿年的年龄,这消除了恒星年龄异常的内在差异。

综上所述,最近的证据表明,一个开放的宇宙倾向于在一个观测尺度上的平面类型,但实际上可能在双曲线空间模式下以更大的尺度进行无限膨胀。这可能涉及到特殊形式的膨胀和大量排斥能的可能存在。除非在未来发现大量的物质/能量,有足够的吸引力来平衡暗物质的膨胀,否则开放模型——空间无限增加——最有可能是最受欢迎的方案。在这里,无限空间的理想变得更加清晰:如果宇宙的组成部分以某种形式永远存在(见下文),那么当它们向外移动时,它们将永远在创造新的空间(容纳粒子的空间),使之脱离虚空(一个日益被用来概念化的术语)。帽子看起来真的是空的真空 [由所有体积(某种程度上的多维性)定义] 处于包含离散实体的外部极限内]可以随着它的扩展而永久地进入。加速宇宙模型的一个结果是,它产生的密度几乎与早期膨胀模式预测的密度完全一致。追查1999年1月和2001年1月 科学美国人 提高你对这些复杂想法的洞察力和理解力。另外,考虑一下这个概括了上述一些想法的通用图。

我们用一张最近的图表来结束这一挑衅的小节,该图表的形式类似于约瑟夫·西尔克(Joseph Silk)的图表。 大爆炸 在上一页中间显示的书。这张图描绘了宇宙相对于宇宙时间的相对大小,这两个参数都延伸到过去、现在和未来。

注意顶部曲线。在丝绸的图形中,它最相似的是什么样的展开模型?评论:勒迈特修道院院长(上一页)是由神圣的天意、科学的预见引导的,还是仅仅是纯粹的幸运?

多个宇宙


After these next paragraphs were written, the front cover of the May 2003 issue of Scientific American was enblazened with the title "Infinite Earths in Parallel Universes Really Exist" by Dr. Max Tegmark of the University of Pennsylvania, which is the lead article inside. It is a most profound summary of present-day thinking about whether many (infinite numbers may be possible!) Universes in infinite space could actually * *存在 . The writer (NMS) has now read this mind-blowing ("excedrin headache" level) article three times and I am just beginning to fathom new insights. For those reading this page, this publication is a challenge I toss to you to read at least once. I'll make no attempt to summarize the paper's contents here. But his ideas are also included in this `Scientific American <http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=000F1EDD-B48A-1E90-8EA5809EC5880000&pageNumber=1&catID=2>`__ Web site.


(多元宇宙也与膜理论(M理论)的概念联系在一起,由于膜理论的复杂性,本小节不讨论它。感兴趣的读者可以访问此网站S.M. von Weber 它讨论了宇宙薄膜理论,因为它适用于重力。)

从量子理论和其他方面的考虑,可能有大量的单个宇宙(可以想象是无限多个),也被称为平行宇宙,由于它们位于我们宇宙的外部极限之外,我们目前还没有意识到其中任何一个宇宙的边缘。与(宇宙地平线)接触。大多数,如果不是全部的话,这样的“泡沫宇宙”即使在附近的宇宙膨胀时也不会接触,但是如果两个相互作用,它们会经历巨大的能量效应。一些(大多数?)不要像地球上的宇宙那样经受住膨胀的考验。在膨胀的第一阶段,给定宇宙中的原星系是“接触”的,但是当膨胀速度大于光速时,它们可能会失去联系。随着通货膨胀的结束,一些星系重新建立了联系,但今天我们宇宙中的某些部分距离彼此太远(与地球相反的方向),以至于在大爆炸之后的时间内无法接收到彼此发出的光。在这个气泡模型中,ω从零(0)开始,然后在离开假真空槽后,它在完全膨胀时上升到1(产生一个平坦的宇宙),然后衰减到小于1的值,从而产生双曲线膨胀(膨胀后),其中的一个结果是加速度,如前所述。潘西翁的历史可以追溯到过去。这个加速度是由于如果在气泡边界处是最大的,朝中心向内减小。不用说,这个开放式的通货膨胀模型是推测性的,在未来,当通过进一步的观察/实验/计算/概念进行检验时,它可能站不起来,但它确实提供了一种方法,不必依赖奇异的宇宙学常量能量来解释加速度。

我们所知道的已经出现的精确宇宙是“我们所拥有的”。它的大部分控制特性是众所周知的,尽管描述某些特性的数字(例如总质量)仍有待于详细确定。其他宇宙,组成一个独立的宇宙集合,存在于所谓的 多元宇宙 具有不同性质的多个宇宙)可能是可能的。这个术语包括所有这样的理论(但在量子宇宙学的观点下是可能的)平行宇宙。如果某些基本性质和常数只与现在确定和量化的性质和常数略有不同,那么这些交替宇宙的性质和历史可能难以观察。而且,事实上,某些基本参数与它们实际拥有的值之间的显著变化甚至可能否定了宇宙的成功存在。

对于我们的宇宙,超过30个这样的参数被引用为临界变量,其值与它们的值几乎不能容忍或没有显著差异。其中包括:四个宇宙常数(光速;引力常数;普朗克常数;玻尔兹曼常数);与四个基本力有关的常数(引力;强;弱;电磁);膨胀率;粒子/反粒子相互作用;中子/质子n丰度比;氢/氦和氢/氘比;核力和电子力之间的平衡;第一分钟的温度和密度变化;中微子的总数和密度;恒星和星系形成的机制;元素合成等。

英国宇宙学家马丁·里斯博士在他的书中引用了他自己列出的一系列基本参数,这些参数决定了我们可以测量的宇宙的发展。 只有六个数字:塑造宇宙的深层力量 2000年,基础书籍。这些是:1) N ;=将原子固定在一起的电动力与重力(弱得多)之比,1036 ;如果这个数字更大,那么就只会形成一个微型和短命的宇宙;2) ε =根据氢氦融合过程中释放的能量确定的强大核力的测量值(差分为0.007);如果与此值相差很大,则会产生不同的化学元素组合,其中碳非常稀缺;3) Ω =宇宙中物质/能量的数量(见上文);它是实际密度与临界密度的比值;如果太高,宇宙就会坍塌;如果太低,膨胀速度就会太快,以至于没有足够的时间让恒星和星系形成;4) λ =反重力(宇宙学常数);如果太大,宇宙将膨胀得如此之快,以至于无法像现在这样发展;5) Q =分解引力稳定的宇宙结构(恒星、星系)所需的力,测量为克服引力所需的能量与宇宙体其余质量中束缚的能量之比,如10-5 ;如果q偏离这个值,一个较小的数字将阻止产生星系的波纹,只留下分散的气体,但如果更大,今天只会存在黑洞;6) D =维持我们星球和类似天体生命所需的空间维度数量(3);2或4将注定我们的存在。

我们的宇宙似乎遵循着“金发姑娘”的格言:不太热,不太冷,恰到好处。如果单凭偶然性(量子控制)是决定性因素,那么与上述所有因素(那些使我们的宇宙能够在其大规模运行中顺利运行的因素)相比,几率是非常大的,这是正确的。一些智力,不管它被称为上帝或其他类似的名字或概念,必须在建立和构建一个科学宇宙中发挥关键作用。

因此,在我们的宇宙中运行的条件是“微调的”。没有一个能与它们狭窄的、临界的特定值有太大的差异,或者宇宙膨胀得太快或太慢,或者可能从来没有组织成现在的物质组合。事实上,它确实是值得注意的,但如果事情发生了很大的变化,那么有利于生命的条件就不会出现了——可能是在巨大的规模上,不仅在地球上,而且在无数星系中的无数行星上。这种情况-在 人为原理 -这包括这样一个观点,即既然有智力的人(至少是我们)确实存在,那么我们宇宙的支配条件一定是允许生命发展的,这意味着像我们这样的宇宙必须存在特殊的因素才能成功。

现在,让我们扩展本页前面提到的具有挑战性、令人难以置信的论题,即我们的宇宙可能不是唯一的宇宙。关键词是“多元宇宙”,这意味着一个令人震惊的概念,即理论上,量子宇宙学允许许多宇宙实际上存在的可能性。我们已经提到了这样一个事实,即我们受光速的限制,只能探测我们自己宇宙的边界,探测到包含星系的膨胀空间中的距离,等等,它们在大爆炸的时间框架内,向我们传送辐射,也就是说,它们不是旧的。汉:宇宙的表观年龄(最佳估计,公元前15年)。自相矛盾的是,这个宇宙的某些部分现在可能已经超出了这个范围。 时间范围 直到后来才被探测到(例如,在十亿年后,天文学家将看到宇宙中涉及这个额外时间间隔的那部分)。

如果宇宙像许多宇宙学家现在所相信的那样,从一个突然的、极其有利的、正的量子态波动开始,在所谓的“假真空”中,一个虚拟粒子瞬间出现,包含了产生所需的所有势能。物质和辐射现在构成了宇宙——那么,这个过程可能会一次又一次地重复很多次(也许是无限的),这是一个真正的理论可能性。因此,宇宙可能从无限的(空间和时间无限的)假真空中涌现出来,尽管如此,假真空仍然包含着能量波动的“量子能力”,使单个宇宙(多元宇宙)得以存在。每个人都建立了自己的空间,在自己的时间时钟启动后,空间就会扩大。由于视界的限制,没有一个宇宙(可以)与其他任何宇宙接触。事实上,当多元宇宙自身以光速(或可能大于光速)膨胀时,它们都可能彼此分离。它们彼此独立存在。我们还不知道如何与其他宇宙沟通(就这一点而言,我们在自己的宇宙中的沟通是非常有限的),而且,除非未来在理论和实践上有一些促进这种沟通的“突破”发生,否则我们将永远不会超越发展出合理的模式。这暗示了多元宇宙是规范。为了增加这些概念的巨大性,可能会有一些(也许是无穷大的)个体多元宇宙,而这些多元宇宙又从不互相联系。

在写完上述段落后,一个有趣的猜测在作者的脑海中翻找。假设有多个宇宙,每一个都在扩大时扩展并创造出自己的空间。但是,对于非接触的个体多元宇宙之间的“空”能说些什么呢?它是否可以作为一种多韵空间的形式?这似乎是合理的,因为这只是一个尺度问题:因为我们把星系际空间视为我们宇宙空间的一部分。 [作为参考点的星系] 因此,我们可以考虑将多行诗之间的空间视为类似的。然后,所有的“超空间”都会扩大,这就解释了为什么我们永远无法在“诗句”之间找到和交流。这样的多元宇宙可能有无穷大,而没有真正的超空间边界。在每一个多元宇宙之间,“空”不是一个真正的真空,而是一个包含势能的“假”真空(可能是通过虚拟粒子波动)。 [page 20-9] )为了另一个多元宇宙的存在。多元宇宙是一个挑衅的想法,但令人沮丧的是,似乎没有科学的方法来证明它们的存在。多元宇宙本身——平行宇宙的集合——在维度上可能是无限的。下图举例说明了其中的一些想法:

这些想法的一个变种是把与黑洞有关的宇宙作为新宇宙的起点。然后这个问题就变成了这些洞本身的起源之一。要想成为一个黑洞,必须以某种方式将几乎无限量的物质集中在一个空间中,这个空间的范围从超巨星到几十公里,从残余的黑洞到恒星毁灭过程(在中子星阶段之外)到基本上的点(无量纲)大小。来自其他原因。我们自己的宇宙中有无数大小不一的黑洞。点大小的那些可能相当于奇点,并且可能是由真空中的某些(还不知道)过程产生的。在正确的情况下,一个洞可能爆炸,引发新的大爆炸。

另一个概念是通货膨胀过程的产物。随着这一早期阶段的进行,含有假真空的部分将形成一个气泡状凸起,由一个叫做“虫洞”的颈部状延伸连接。这可以从母体的扩张中解脱出来,成为一个经历自身发展的“子”宇宙,包括自身的膨胀和扩张。甚至可能有一个单一的“母体”宇宙(可能不是我们的)从中孕育出无数的宇宙。这个“超级宇宙”一直是并充当导致多元宇宙的永久量子涨落系列的主控。每一个都与其他宇宙“脱离接触”,从未在超宇宙中相互连接或物理接触,在超宇宙中,空间仅对每个子宇宙的居民有意义(对有限的、有限的人类心灵)。原则上,任何这样的分支宇宙中的时间都将从其爆炸性的概念中测量出来,但整个超级系统中的时间可能是无限的。

如上文和上一页所述,从真空中产生的无数虚拟粒子的量子宇宙学思想,纯粹是基于一种不需要“创造者”或“智能设计师”的理论,被当作对宇宙起源的解释。在一种观点中,虚粒子通常会遇到虚反粒子,并在任何宇宙开始之前湮灭。但是,在统计学上(量子物理学很大程度上依赖于概率),人们可以认为,在罕见的情况下,这些粒子(通常意义上不重要,但一些仍然未知的能转化为与奇点有关的状态的能量状态)不会被破坏,但器官能变成奇点,然后达到临界状态,导致大爆炸。

俄罗斯宇宙学家安德烈·林德(AndreLinde),现在是斯坦福大学(Stanford University)的教授,他借鉴了上述的一些观点,提出了另一种他称之为的模式。 混乱的通货膨胀 从原则上讲,它引领着许多宇宙。它部分地与第页提到的原始混沌的概念有关。 page 20-1 . 他设想一个无限的空间,在这个空间内,与假真空相关的能量占主导地位。涉及虚拟粒子的波动在整个过程中不断发生。每一个都与一组定标器属性相关,这些属性可能产生或不产生产生产生和控制大爆炸所需的基本参数。这些属性/参数的大量不同组合是可能的,个别事件可能会利用变化很大的条件。结果,这些波动中的绝大多数未能达到允许大爆炸的适当条件,反而被湮灭所消灭,最终导致零结果。但是,一小部分产生了有利于大爆炸成功的先决条件参数集。其中一些(可能是大多数)会有一些参数,导致他们的宇宙扩张得太快或太慢,无法形成和进化成与我们相似的生命可以在其中发展。

2002年9月中旬,Linde教授和他的妻子Renata Kallosh教授宣布,他们已经用他们早期的模型进行了数学实验,并设计了另一种方案,要求观测到的宇宙最终停止加速,然后收缩成一个大的积垢。也许在未来100到200亿年。尽管林德一直主张通货膨胀,但他指出,最近的第二加速度模型与超对称和超弦的一些数学方面发生了冲突(在20-1页上讨论)。当这两位宇宙学家探索暗(排斥)能量的后果时,他们从他们的计算中找到了理由,认为这种能量,其值必须大于零,可以及时地恢复为负值或小于零。如果这个假设成立,加速度将减慢,并转化为减速,最终导致崩溃。他们还指出,我们可能只能看到整个宇宙的一小部分;没有看到的部分可能提供了未来时间内这种潜在收缩的证据。他们还认为这个新模型允许许多多元宇宙最终收缩(挤压)到重新爆炸的奇点。因此,个体多元宇宙来来去去的概念,具有无限的重复次数,是它们所提出模型的一个可能结果。

因此,可能会有一系列的多元宇宙(在大小和性质方面)和每一个的最终命运随着时间的推移而来和去,其中一个或一些具有正确的参数来形成持久的星系和恒星,这些星系和恒星合成了各种特征的元素,包括丁有机物质,它促进了一个与我们类似的功能性宇宙。这些幸存下来的宇宙并不一定是相同的,但在大小、组成、结构特征和年龄上,甚至在没有与我们的宇宙相对应的成分上,都表现出不同的变化,从而导致不同的历史(包括生命的缺失)。这样的宇宙来来去去去(有些甚至可能经历大崩溃的多循环)。可以说,混沌膨胀概念,以及其他多元宇宙模型,目前是不可能测试和验证的,但是“允许”这些概念的量子物理学要求我们认真考虑这些替代品。

一个在宇宙学界得到许多拥护者的模型是 量子隧穿 ,首先由Alex Vilenkin提出,然后与Andre Linde合作加入。在他们看来,在宇宙出现之前可能存在的“无物”实际上是无物的。在量子物理学中,亚原子粒子有可能逃离原子核或克服排斥屏障,然后在它们通常不占据的位置(和状态)重新出现。或者,在更大的尺度上,量子原理认为,通常被厚的物理屏障(如混凝土墙)阻止的亚原子粒子的运动在另一侧可以再现的概率是有限的;如果有足够的时间,这种可能性很小但是真实的。这被称为“隧道挖掘”。从“空虚空间”推断到宇宙的开始,隧道挖掘允许一个虚拟粒子穿过量子势垒,在那之前,量子势垒阻止了它的出现。海森堡不确定性原理指出,粒子的位置在任何时刻都是不确定的。但是,从统计上讲,它可以穿过这个屏障(可能是某种形式的能量),穿过隧道,成为一个物理实体,包含了使宇宙分离成排斥(引起膨胀)的负能量和正能量(包括所有宇宙质量t)所需的所有能量。帽子长出来了)。这可以重复,导致多元宇宙。

当然,并不是每个宇宙都能在其早期阶段取得成功。通货膨胀可能会失败,基本常数可能会“关闭”,因此膨胀是不正常的,或者其他条件可能会阻止宇宙经历适当的发展。一些宇宙可能是短暂的;另一些宇宙扩张得太慢,以至于促进星系和恒星发展的因素抑制了对生命有利的情况的实现。但现在许多天文学家和宇宙学家认为,宇宙有一种自然倾向——从某种意义上说,这是一种目的——即宇宙“尝试”以某种方式发展,将生命的发生视为一个“目标”。李斯莫林所著的《宇宙形成的目的论控制》,是一个很好的主张。 宇宙的生命 ,牛津出版社,1997年。斯莫林博士提出了宇宙是进化的理论——“宇宙尺度上的自然选择”。为了一次心灵的冒险,请读这本书。

一些哲学意义

从形而上学的观点来看,虚拟粒子足以解释宇宙的形成 前尼希洛 (从表面上看没什么)假装 虚拟粒子 有一个严重的缺陷。这些粒子,即使由于绝大多数很快被湮灭,它们可能无法在任何延长的时间内存活,但仍然是 某物 在存在的领域。因此,它们具有现实性,服从因果关系原则。真空作为虚粒子的矩阵的存在也是如此。因此,古老的理论(可追溯到希腊人)认为“什么都不能从任何东西中获得”仍然适用——需要一些独立的代理来“创造”真空和虚拟粒子的潜力。当然,一个难题马上就出现了:代理人的来源(原因)是什么?神学家们把代理人引证为所谓的“上帝”或“聪明的设计师”,他们被迫假定一个特殊的性质,即不被重视。

问题自然产生了:我们所确定的一个宇宙的最终命运是什么?如果它是封闭的,由于总质量/能量的不确定性,一些宇宙学家仍然认为它是一个选择,宇宙将面临巨大的危机;在一个看似合理的新奇点出现之后,会发生什么是一个富有想象力的猜测(奇点由挤压形成,可能是与先前大爆炸假设的虚拟粒子奇点不同,表现也不同)。如果它是开放的,膨胀将永远持续下去,但随着时间的推移,所有现在的恒星和即将到来的恒星将耗尽燃料,或者爆炸,或者燃烧成退化物质。这个宇宙可能包含无数的黑洞,大部分都很小,但却完全不发光。但是,这样的宇宙将“像余烬一样消亡”,随着能量的分散和物质的冷却和随机分布(遵循热力学第二定律-最大化熵),继续膨胀,以集体的“呜咽”走向永恒。

当前宇宙膨胀似乎正在加速的迹象表明,星系(随着可用氢的耗尽和恒星的退化,星系会逐渐消散)最终会以光速彼此远离。与地球的距离越来越远(假设它随着宇宙年龄的增长而在未来的大量时间里存活下来) [事实上,它将无法生存,因为太阳将在未来50亿年内消耗掉它。] 最好抽象地思考宇宙中一些长寿的观测点),遥远的星系将变得越来越暗。随着时间的推移,目前被监测的宇宙将越来越少地被观测到。外部星系将穿过类似于黑洞周围的视界。当一个星系或其残余物穿过地平线时,任何幸存的观察者都会觉得它“冻结”,也就是说,不会注意到进一步的变化。在未来,随着单个恒星的燃烧和新恒星的形成越来越少,构成恒星的氢燃料将会耗尽。这样一个宇宙的残余被描述为“余烬”。然后,宇宙由高度分散的暗物质和暗能量组成,两者的密度远低于当今宇宙。当这种状态在未来发生时,仍然是“任何人的猜测”。“大爆炸后500亿年”是一个基于天体物理模型的特定预测。但无穷大本身可能是更好的时间和空间参考。

由于暗能量(似乎是宇宙学常数的基础)在重力上逐渐上升,现在正在测量的加速度,从计算上看,可能会逐渐增加。这将导致星系,以及越来越常见的星系残骸,以接近并最终达到光本身的速度移动。如果智力持续存在并长期存在于未来,根据目前的物理定律,可以预测,在任何一个地点(行星)上的有思想的人将无法“交流”和监测宇宙中几乎所有的物体,除了那些仍然非常接近观测点的物体外。在这个宇宙模型中,有一个“懦夫”使它“消亡”。一位天文学家(亚伯拉罕·勒布)将星系描述为“幽灵”。这样一个遥远的宇宙(时间和空间)可能由黑洞主导——黑洞是物质和能量分散和捕获的最终胜利者。

这是一个充满挑战的页面,充满了“狂野”和“有趣”的事实和猜测。在我们的天文学和宇宙学之旅中,剩下的只是看看行星是如何形成的,并衡量整个宇宙中生命的可能性,特别是以某种智能形式存在的可能性。下一页将讨论这一点,其中还包括更多关于 *how 但是 why 宇宙首先存在,更具体地说,是对角色的思考。 聪明的人可能在物质和(如果它存在的话)精神方面发挥作用,通过假设宇宙有一些绝对的现实。


:sub:``*Conceptually, a "true" vacuum contains absolutely nothing, neither matter nor energy in any form, and never will; the term "false" vacuum applies to space that can be totally empty at times but in which matter and/or energy is potentially present and can be manifested at any moment, either as short-lived particles that self-destruct and can recur repeatedly or as an event set in motion [e.g., the Big Bang]; in all likelihood, there is no "true" vacuum, namely "a complete nothingness", that has a physical or spatial location, cannot exist, despite the inclination to think of the Universe or Multiverse [see above] as expanding into that which is characterized by a real "true nothing" capable of becoming something; however, philosophers can imagine such a total nothingness as an essential component in their notion of Being. <>`__`

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主要作者:Nicholas M.Short,高级电子邮件: nmshort@nationi.net