新研究正試圖為我們理解“萬(wàn)物起源”提供一個(gè)沒有“開端”的答案。
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一
在宇宙學(xué)教材里,大爆炸是萬(wàn)物的開端。
但在物理學(xué)家眼里,這卻是一個(gè)“無(wú)效”的計(jì)算結(jié)果。
根據(jù)廣義相對(duì)論,回溯到138億年前的那一刻,宇宙會(huì)坍縮成一個(gè)密度無(wú)窮大、體積為零的“奇點(diǎn)”。數(shù)學(xué)上,這叫發(fā)散;物理學(xué)里,這叫失效。我們最信賴的引力理論,在最重要的時(shí)刻,居然“崩潰”了。
最近,《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》上的一項(xiàng)新研究給出了一個(gè)大膽的答案:也許宇宙根本沒有經(jīng)歷過那個(gè)可怕的奇點(diǎn)。 所謂的“開端”,可能只是一個(gè)更宏大、更平滑的量子引力過程的自然結(jié)果。
二
廣義相對(duì)論是描述引力最成功的理論之一,它解釋了黑洞、引力波和宇宙的膨脹;甚至連GPS導(dǎo)航系統(tǒng)都依賴它修正時(shí)間誤差。但它卻有一個(gè)致命缺陷:當(dāng)能量密度無(wú)限大時(shí),便會(huì)失效。而宇宙誕生的那一刻,正是這樣一種極端環(huán)境。
這實(shí)際上意味著我們對(duì)宇宙起點(diǎn)的理解,建立在一個(gè)“理論空白區(qū)”上。
來(lái)自加拿大滑鐵盧大學(xué)、圓周理論物理研究所和約克大學(xué)的科學(xué)家,在論文中討論了一種被稱為“量子二次引力(Quadratic Quantum Gravity)”的新理論框架。
三
該框架的核心思想相當(dāng)簡(jiǎn)單:如果把引力方程寫得更完整一些,讓曲率項(xiàng)不僅是一階,還包含平方項(xiàng),那么在極高的能量狀態(tài)下,依然能夠保持可計(jì)算性。
經(jīng)過修改的理論不再在宇宙起點(diǎn)崩潰。它暗示我們,奇點(diǎn)問題可能只是原始理論不夠完整造成的假象。
現(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)為,宇宙在其誕生后的極短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷過一次劇烈的膨脹——宇宙暴漲。暴漲理論解釋了宇宙為何如此平坦,為何如此均勻,以及為何會(huì)出現(xiàn)原初結(jié)構(gòu)的種子。
四
但問題是,暴漲需要人為假設(shè)一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的場(chǎng)——暴漲場(chǎng)。至于它的本質(zhì)是什么?來(lái)自哪里?為何存在?卻沒有人知道。
新研究則認(rèn)為,暴漲可能根本不需要假設(shè)額外的場(chǎng)。它可以直接來(lái)自量子引力本身的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。
這意味著暴漲不再是一種“附加設(shè)定”,而是宇宙自然演化的一部分。
五
科學(xué)家提出過很多量子引力論,它們都很優(yōu)美,卻無(wú)法檢驗(yàn)。
而量子二次引力論明確預(yù)測(cè)——原初引力波的強(qiáng)度不能低于某個(gè)下限——它的張量-標(biāo)量比至少應(yīng)當(dāng)是0.01。
這意味著未來(lái)科學(xué)家可以在觀測(cè)中直接檢驗(yàn)該理論。如果觀測(cè)不到相關(guān)數(shù)據(jù),理論就會(huì)被排除;如果觀測(cè)到,那它將成為理解宇宙起點(diǎn)的重要線索。
可供驗(yàn)證,也可供證偽——這正是科學(xué)理論最理想的狀態(tài)。
六
研究人員稱,廣義相對(duì)論可能并非最終理論——它只在低能極限下有效。
就像牛頓力學(xué)并非錯(cuò)誤,只是適用于低速世界一樣,廣義相對(duì)論可能也只適用于低能宇宙——要描述宇宙誕生的時(shí)刻,需要新理論的參與。
而量子二次引力論可以成為候選者。
七
總而言之,如果該理論最終被證明成立,那么將意味著宇宙起點(diǎn)不再是數(shù)學(xué)奇點(diǎn),暴漲可能來(lái)自引力本身,廣義相對(duì)論只是近似理論,量子引力將進(jìn)入可觀測(cè)時(shí)代。
更重要的是,它把一個(gè)長(zhǎng)期停留在哲學(xué)層面的終極問題,變成了可供檢驗(yàn)的科學(xué)問題。
八
宇宙的最初一秒,決定了一切。
它決定了空間的結(jié)構(gòu)、星系的形成、元素的來(lái)源、時(shí)間的方向;甚至決定了今天我們?yōu)槭裁创嬖凇?/p>
理解宇宙起點(diǎn),本質(zhì)上是在回答一個(gè)問題——我們所理解的自然規(guī)律在最極端的條件下是否依然成立?
也許未來(lái)幾十年內(nèi),我們真的可以第一次看到宇宙誕生時(shí)刻留下的引力波痕跡。
那將是人類認(rèn)知的一次極為重要的躍遷。
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參考
Ultraviolet Completion of the Big Bang in Quadratic Gravity
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/6gtx-j455
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