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物理人生(72)--弹它几下又如何? 精选

已有 9259 次阅读 2009-1-6 00:01 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:学者

 

 

宇宙大爆炸(big bang)理论诞生很久了,结合相对论宇宙学和量子力学宇宙学在一起,终于逼近了宇宙产生那一刻附近的岁月。一个很需要科普的大问题是:大爆炸之前宇宙是否存在?是个啥样子?不才最近情绪低落,到处闲逛,结果在New Scientist杂志上看到一篇文章,介绍这个问题的一个美妙研究进展,感觉非常有趣。因此,准备在这里做一回二道贩子,将这篇文章的精神贩卖给各位。因为我们人生不过是浩瀚宇宙的一颗尘埃,所以还是放在“物理人生”系列吧。

 

这篇文章的链接如下:

http://www.newscientist.com/article/mg20026861.500-did-our-cosmos-exist-before-the-big-bang.html?full=true

 

2006年美国宾州州立大学的阿什特卡尔(Abhay Ashtekar, 其貌绝对像一位西方歌剧演员http://www.gravity.psu.edu/people/Ashtekar/ )博士及其合作者在Physical Review Letters ( http://link.aps.org/abstract/PRL/v96/e141301 )上发表了一篇论文,报告了他们在研究宇宙大爆炸前后过程时的一个结果。这一工作利用计算机模拟宇宙时间倒流过程,浩瀚宇宙不出所料开始收缩,“体积”越来越小,密度越来越高,正向大爆炸起始阶段推进。然而,令人奇妙而大跌眼镜的结果不是宇宙回到了大爆炸这个奇异点,而是在非常靠近大爆炸时出现回弹,开始了新的膨胀过程(注意是时光倒流)

 

我们直观地演绎这个过程是:宇宙在大爆炸之前发生的事件并非是一团糊涂,而是一个旧的宇宙不断收缩到一个密度极高体积极小的状态后,发生大爆炸,进而膨胀形成我们现在的宇宙。

 

据说阿什特卡尔得到这个结果后很是沮丧,不知道世界到底怎么了。难道宇宙是一个球?在上帝的手上这样不停地弹起弹落?假定一个球体与平地发生弹性碰撞,那么球与地碰撞相当于big bang,而弹起的过程相当于宇宙膨胀,落下的过程相当于宇宙收缩,如下图所示!浩瀚缥缈的宇宙原来是如此弹起弹落的,你我想到了这一层吗?!

 

 

 

 

示意图:宇宙就像一个(广义相对论的)球,落到地面相当于大爆炸,弹离地面相当于大爆炸之后的膨胀,回落地面相当于下一次大爆炸之前的收缩(版权所有哦)。

 

 

这一奇妙的宇宙学演化理论是基于所谓的回路量子宇宙学模型(Loop Quantum Cosmology, LQC,鲍得海老师说应该叫圈量子宇宙论)。这个模型似乎成功地复原了宇宙诞生的那段艰苦岁月,而爱因斯坦的广义相对论都未能做到这一点。事实上,在2003年就已经有人提出,我们现在的宇宙可能源于大爆炸前另外一个宇宙。类似的想法大家都可以提,反正也不会违反法律和世俗。大爆炸并不意味着密度必须达到无穷大、尺度必须达到无穷小,而是在前一个宇宙收缩到一定密度和尺度时就可发生,导致新的宇宙大爆炸、膨胀、到最后再收缩。从年纪上看,目前的宇宙相当于人的40岁不到,仍然是壮心不已、日思进取的年纪。因此,我们似乎大可以放心地恣意我们的青春。

 

回路量子宇宙学理论实际上源于更早的回路量子引力理论(鲍得海老师说应该翻译成圈量子理论),后者无非是将爱因斯坦的引力理论与量子力学概念结合起来的产物。之所以要爱因斯坦的广义引力理论与量子力学结合,原因在于要借助量子力学来处理大爆炸临近时宇宙处于密度非常高、尺度非常小(microscopic volume)状态的引力行为。这时物质之间的交互作用必须要借助量子力学来处理。其基本概念是:宇宙的时空结构是由一系列引力线组成的回线,这与电磁学中的磁通回线有异曲同工之妙。宇宙事实上是由一系列时空薄片组成的,每个薄片单元面积为10-35平方米,称为quanta。看看,这一定是量子力学的世界!它告诉我们,宇宙的最高密度大约不会超过普朗克密度:5*1096kg/m3

 

我们感到郁闷的是,茫茫宇宙竟然如同佛家的人生一般,既无开始、也无终了。我们必须要经历转世轮回、潮起潮落!当然,这一理论给我们的积极意义是人生高低踉跄、起起落落,因此低潮时不气馁,高潮时别傲孤。正所谓“弹它几下又如何?!”呵呵。

 

 

 

宇宙大爆炸的计算机模拟结果:Image: MEHAU KULYK/SPL

 

 

 

 

 

今个儿宇宙的形貌

 

 

 

 

 

 

1,示意图将宇宙画成有边界是不确的。

2,亚辉老师说他儿时就听说这个理论,但是这是物理模拟第一次揭示这一点(2006年)。





注:

http://blog.sciencenet.cn/blog-915-208749.html

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