宇宙是從什麼時候開始的?

2021年10月13日11:32
現實中有太多不可思議的存在,人們往往將它們與科幻作品甚至傳說聯繫在一起
現實中有太多不可思議的存在,人們往往將它們與科幻作品甚至傳說聯繫在一起

  10月13日消息,宇宙是從什麼時候開始的?也許,宇宙根本就沒有所謂的“開始”,而是一直都存在。近日,有研究者提出了一個新的量子引力理論,揭示了這一可能的機制。

  布魯諾·本托是英國利物浦大學的物理學家,主要從事時間本質的研究。他在研究工作中引入了一個新的量子引力理論——“因果集理論”。在這個理論中,空間和時間被分解成時空的離散塊;在某種程度上,時空具有一個基本單位。

  運用因果集理論來探索宇宙的起源會發現,宇宙可能是沒有開端的,它一直存在於無限的過去,直到最近才演變成我們所說的“大爆炸”。

  量子引力

  量子引力或許是現代物理學面臨的最令人挫敗的問題。我們已經有兩個非常有效的宇宙理論:量子力學和廣義相對論。量子力學成功描述了自然界4種基本力中的3種(電磁力、弱力和強力),直至微觀尺度。另一方面,廣義相對論是迄今為止對引力最有效和最完整的描述,雖然並非描述引力的唯一理論,但廣義相對論卻是能夠與實驗數據相符合的最簡潔的理論——至今為止,廣義相對論的預言已經通過了所有觀測和實驗的驗證。

  然而,儘管廣義相對論有諸多優點,但它仍然是不完整的。在宇宙中,至少有兩個特定的時空點,是廣義相對論的數學原理根本無法解釋的,也無法得出可靠的結果。這些時空區域被稱為“奇點”,在那裡,我們目前所知的物理定律都無法適用,廣義相對論所用的數學工具也會失靈。在這兩個奇點中,引力會在極小的尺度下變得異常強大。

  因此,為了揭開奇點的奧秘,物理學家就需要結合廣義相對論和量子力學,對這種強大的引力場進行量子化描述——因此這也被稱為量子引力理論。目前,科學家已經提出了不少量子引力理論,包括弦理論和循環量子引力理論等。

  現在,科學家又提出了另一種方法,或許將完全改寫我們對空間和時間的理解。

  因果集理論

時空是由離散的塊或時空“原子”組成的,類似於計算機圖像的像素
時空是由離散的塊或時空“原子”組成的,類似於計算機圖像的像素

  在所有當前的物理理論中,空間和時間都是連續的;它們形成了一種光滑的結構,構成了所有現實的基礎。在這樣一個連續的時空中,空間上的兩點可以儘可能地接近,兩個事件在時間上也可以儘可能地接近。

  然而,在所謂的因果集理論中,時空被重新想像成一系列離散的塊,即時空“原子”。該理論將嚴格限制事件在空間和時間中的距離,因為它們不可能比“原子”的大小更近。例如,如果你看著電腦屏幕閱讀這篇文章時,一切似乎都是平滑和連續的;但如果通過放大鏡觀看同一個屏幕,你可能就會看到分割空間的像素;你會發現,讓屏幕上兩個圖像的距離小於單個像素是不可能的。

  這個物理學理論使布魯諾·本托受到了啟發。“發現這個理論讓我很激動,它不僅是在做儘可能基本的嚐試——這實際上是一個重新思考時空本身概念的量子引力理論——而且也賦予了時間某種核心作用,揭示了時間的流逝在物理上意味著什麼,你的過去到底有多真實,未來是否早已存在,”本托說道。

  宇宙開始的時間

  因果集理論對時間本質有重要的啟示。

  在很大程度上,因果集哲學認為時間流逝是一種物理現象,不應該被歸因於某種突發的假象,或者發生於我們大腦中,讓我們認為存在時間流逝的事情;這一過程本身就是物理理論的一種表現,因此,在因果集理論中,一個因果集一次就會增加一個“原子”,並變得越來越大。

  因果集方法巧妙解決了大爆炸奇點的問題,因為在該理論中,奇點是不存在的。物質不可能壓縮到無窮小的點——它們的大小不能小於一個時空原子。

  如果沒有大爆炸奇點,宇宙的起源會是什麼樣子?從這個問題入手,物理學家探索了因果集理論對宇宙初始時刻的解釋,研究成果發表於9月24日的預印本數據庫arXiv(這篇論文尚未在同行評議的學術期刊上發表)。

  這篇論文分析了因果集方法中是否一定存在開端,從經典的角度來說,在最初的因果集公式和動力學中,一個因果集從虛無中發展成為我們今天看到的宇宙。而在研究中,沒有大爆炸作為開始,因為因果集對過去而言是無限的,所以總有一些事件在之前發生。

  這項研究暗示宇宙可能根本就沒有“開始”,而是一直存在。我們所感知的大爆炸可能只是這個始終存在的因果集演化中一個特殊的時刻,而不是一個真正的開端。當然,研究者仍有許多工作要做。這種沒有“開端”的因果集理論是否允許我們用常規的物理理論來描述宇宙大爆炸期間的複雜演變,目前還沒有定論。

  人們仍然有疑問,因果集方法是否能以一種合理的方式來理解,或者這種動態在更廣泛的意義上意味著什麼,但無論如何,這樣一個框架確實是可能的,至少在數學上,這是可以說得通的。

  換句話說,這也是一個新的開始。(任天)

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