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大爆炸理论的视界疑难 精选

已有 11920 次阅读 2016-1-6 08:49 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦

13. 视界疑难


爱因斯坦建立广义相对论已经100年了,以其为基础在宇宙学中提出的大爆炸理论也已经被物理学家们广泛接受。不过,在上世纪的80年代之前,大爆炸理论碰到了几个难以解决的问题,“视界疑难”的问题是其中之一。

“视界”一词的通俗对应物是“地平线”。不过,在天文、物理等领域中的不同场合下,经常用到这个词汇,需要小心加以区分。比如说,在黑洞物理中经常说到的“事件视界”是根据爱因斯坦场方程在特定条件下的史瓦西半径来定义的。

每个人都知道“地平线”是什么意思,当你坐船航行在大海上,放眼望去,视野中是一望无际的海洋,一直延伸到很远很远的地方,那儿有一条线,是天和水的交接之处,四面八方的线连在一起则形成一个圆圈,早上的太阳从圆圈的东方某处升起,黄昏时分的落日掉向圆圈的另一边。这个标志着天地相接处的圆周,就是地平线。

地球上观察者看到的地平线,与观察点离地面的高度h以及地球的半径R有关,见图13-1a。简言之,地平线就是“可观测区域”与“不可观测区域”的分界线。图中的圆周将地球表面分成了两个部分,观察者可以看得到圆周以上的地球表面,但看不到圆周以下的地球表面。

13-1a中的圆圈也被称为“真地平线”,是由地球的球面形状决定的。实际使用中还可以有一些别种“地平线”的定义。比如说,你站在被树木环绕的森林中,视线被挡住了,无法看见真正的地平线,但可以用“可见地平线”来代替,此外,在局部的天文观测中,还经常用到“天文地平线”的概念。

13-1:不同的“视界”

在宇宙学中也有地平线(视界),用以区分“可观测宇宙”和宇宙的其余部分。也类似于地面上地平线的不同定义,宇宙学中有“粒子视界”、“事件视界”、“哈勃视界”、“未来视界”等等不同的说法,我们在此不详细给出各种定义,本文所言“视界”,大多数情况下指的是光学意义上与“可见宇宙”相联系的“粒子视界”。所谓“光学意义上”,即仅以“光”作为观测手段,而不考虑其它诸如引力波或中微子探测的可能性。

地球上的观察者看不到真地平线之下,是因为地面的弯曲所致。宇宙学中的观测范围被“视界”所限制,是因为两个原因:一是因为宇宙的时间有起始点,二是因为光传播需要时间。有了这两条,即使宇宙不膨胀,也存在“可见”和“不可见”的分界限。

根据大爆炸理论,宇宙演化始于137亿年之前,但因为最后散射面之前的宇宙是“不透明”,即不可见的,因此,利用光学手段,我们顶多只能看见宇宙诞生38万年之后的景象。在图13-1b中,垂直向上的方向表示从大爆炸开始时间的流驶。横轴代表空间(只能用2维表示)。此外,根据狭义相对论,光以有限的速度传播。对于现在银河系的观察者而言,某些星系发出的光,还来不及到达我们的观测范围。比如说,考虑图13-1b中所画的三个星系:银河系、星系A、星系B。它们的世界线在图中分别被表示为蓝、黄、绿三条垂直的直线。图中还画出了与银河系及星系A在最后散射面上位置(YA)点相对应的“光锥”。比如说,对星系A而言,只有光锥以内的观察者,才有可能探测到A点发出的光。从图中可见,银河系的观察者,正巧位于A点光锥的边界上,因此刚好能够收到A点发出的CMB。比A点更远的,比如说B点发出的光,就还来不及到达我们的接收器了。换言之,银河系现在的观察者,只能接收到图中所画的以银河系为圆心,银河系到星系A距离为半径的圆圈以内的星系的信息。因而,这个圆(图上方的圆)便是现在的银河系观察者的“视界”。视界内的星系属于“可观测宇宙”,视界之外的星系(B),则不可见。虽然视界中包括的是现在的星系,但是实际上,“现在”接受到的CMB信息却是从137亿年之前的最后散射面发出的。也就是说,图示中的两个CMB结果(CMB-1CMB-2),是来自于图中所画的下面一个圆圈,更准确地说,是来自于三维空间中的一个球面(最后散射面),也就是年龄为38万岁时候的宇宙。

微波背景辐射的结果CMB-1CMB-2,分别是观测精度较低时接受到的各向同性CMB和精度提高后收到的各向异性CMB图。各向异性图中的温度也只有10-5的相对差异。因此,CMB的结果基本上(在10-4的精度下)是各向同性的,其原因被解释为:“最后散射面”对应的“婴儿宇宙”是一个3000K左右的等离子体热平衡状态。

如何才能达到热平衡呢?需要系统中的粒子互相碰撞而交换信息来达到能量平衡。也就是说,系统中不同的部分达到热平衡需要一定长的时间。交换信息最快的方式是“光”,所以,热平衡的过程中也存在一个“视界”的问题,达到热平衡的各个部分起码要互相处于对方的“视界”以内吧。如果彼此不能“看见”,连最快的“光”都传不过去的话,又如何互相交换能量呢?这点在我们通常实验室中所见的热平衡系统中不是问题,但在我们讨论的早期宇宙演化过程中就不一定了,必须加以仔细考察。以下的图文便是说明原来的标准大爆炸理论中的确存在上面描述的“视界问题”。


13-2:视界问题

13-1b中所画的光锥,是45度直线(锥面),因为没有考虑宇宙的膨胀。如果考虑宇宙的空间尺寸随着时间而变化的话,光线传播的路径不再是45度直线,而是由图13-2a中的红线所描述的“液滴”形状。图13-2a中使用的是宇宙物理空间的真实坐标。按照图中的假设,在最后散射面上互相距离为1格(大约38亿光年?)的YABCDE等星系,演化到现在时,两两之间的间隔变成了115亿光年。星系B位于银河系“现在视界”的边缘处,对应于可观测宇宙的半径大约为460亿光年左右。

如果像图13-2b和图13-2c中那样使用“共动坐标”的话,可以使图像看起来简单一些。共动坐标中星系的世界线可以表示为向上的垂直线,因为尽管宇宙在膨胀,但星系之间的共动坐标距离并不改变。真实距离则等于坐标距离乘以宇宙的膨胀因子a(t)。共动坐标中的光锥也仍然是45度的直线。从图13-2c可以看出,观察者的“视界”是随着时间改变的。因为宇宙有“起点”是形成视界的原因,使得人们的眼光顶多只能看到起始的那个时刻。那么,离起始点越远,便应该能看得越多的星系。比如说,图13-2c中离得最远的星系D(在Y的现在视界之外)最早期发出的光线,现在也还没有来得及到达银河系。但是,再过若干年之后将来的某个时刻,这束光线将会被银河系观察者接收到。所以,时间越往后,视界越来越大,会有越来越多的星系被看到。

如此一来,也可以反过来想:时间越靠近初始点,视界便会越来越小。视界太小的结果便会导致宇宙的部分之间失去关联。比如说,图13-2b中的银河系Y和星系B,它们互相位于对方的“现在视界”之内,也就是说,银河系现在的观察者可以接收到星系B过去发出的信息,星系B现在的观察者也可以接收到银河系过去发出的信息。但是,当我们追溯到宇宙38万岁时期的视界,就会发现,银河系Y及星系B相对应位置的视界是互相分离的,见图13-2c中下方的两个小三角形。当然,那时候的宇宙只是一片混沌,星系尚未形成,更谈不上观察者互相“看得见、看不见”的问题,但是因为宇宙的Y部分与B部分互相不在彼此的视界以内,其中的物质粒子或辐射也就不能互相交换能量,达到热平衡的说法便有了问题。没有热平衡,便难以解释CMB图像是如此高精度(10-4)的各向同性。换言之,现在银河系的观察者,能够同时接收到两个小三角形处发射的CMB。两个CMB代表的温度几乎完全一致,差别在10-4以内,说明“当年”这两个地点是热平衡的,但从它们的“当年视界”互相远离的事实,热平衡又似乎不可能,由此便造成了矛盾,谓之“视界疑难”。




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