在2000年代初期,普林斯頓大學(xué)的兩位物理學(xué)家提出了一種宇宙學(xué)模型,根據(jù)該模型,宇宙大爆炸并不是一個獨(dú)特的事件,但是時空在宇宙誕生之前就已經(jīng)存在了。
在周期性模型中,宇宙會經(jīng)歷一個無限的自我維持循環(huán)。在1930年代,愛因斯坦(Albert Einstein)提出了宇宙可以經(jīng)歷無休止的大爆炸和大壓縮循環(huán)的想法。我們宇宙的膨脹可能是先前宇宙崩潰的結(jié)果。在這種模型的框架內(nèi),我們可以說宇宙是從其前身的死中重生的。如果是這樣,那么大爆炸并不是什么獨(dú)特的東西,它只是無數(shù)其他爆炸中的一個小爆炸。周期性理論不一定能取代“大爆炸”理論;相反,它試圖回答其他問題:例如,大爆炸之前發(fā)生了什么?為什么大爆炸會導(dǎo)致一段快速擴(kuò)張的時期?
Paul Steinhardt和Neil Turok在2001年提出了一種新的宇宙周期性模型。斯坦哈特描述這個模型在他的文章中被稱為“宇宙的循環(huán)模型”。在弦理論中,膜或“膜”是存在于多個維度的物體。根據(jù)Steinhardt和Turok的說法,我們看到的三個空間尺寸對應(yīng)于這些金屬。可以并行存在兩個3D黃銅,它們之間有一個額外的隱藏尺寸。這些黃銅-可以被認(rèn)為是金屬板-可以沿著這個額外的維度移動并相互碰撞,從而產(chǎn)生了宇宙大爆炸,從而形成了宇宙(就像我們的宇宙一樣)。當(dāng)它們碰撞時,事件按照標(biāo)準(zhǔn)的“大爆炸”模型展開:制造熱物質(zhì)和輻射,迅速膨脹,然后一切降溫-并形成諸如星系的結(jié)構(gòu)。恒星和行星。但是,斯坦因哈特和圖羅克認(rèn)為,這些皮骨之間總是存在某種相互作用,他們稱之為皮間骨:它將它們拉在一起,使它們再次碰撞并產(chǎn)生下一個大爆炸。
但是,斯坦因哈特和圖羅克的模型對“大爆炸”模型的某些假設(shè)提出了挑戰(zhàn)。例如,根據(jù)他們的說法,“大爆炸”不是時空的開始,而是從進(jìn)化的早期階段過渡。如果我們談?wù)摰氖恰按蟊ā蹦P?,那么它表示該事件?biāo)志著空間和時間的立即開始。另外,在這個碰撞的黃銅周期中,宇宙的大規(guī)模結(jié)構(gòu)必須由壓縮階段決定:也就是說,這是在它們碰撞之前發(fā)生的,而下一個大爆炸發(fā)生了。根據(jù)大爆炸理論,宇宙的大規(guī)模結(jié)構(gòu)由爆炸后不久發(fā)生的快速膨脹(膨脹)時期決定。此外,大爆炸模型無法預(yù)測宇宙將存在多長時間,在斯坦哈特模型中,每個周期的持續(xù)時間約為一萬億年。
關(guān)于宇宙的循環(huán)模型的好處是,與大爆炸模型不同,它可以解釋所謂的宇宙常數(shù)。該常數(shù)的值與宇宙的加速膨脹直接相關(guān):它解釋了為什么空間如此迅速地膨脹。根據(jù)觀察,宇宙常數(shù)的值很小。直到最近,人們一直認(rèn)為它的價值比標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸理論所預(yù)測的要少120個數(shù)量級。長期以來,觀察與理論之間的這種差異一直是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最大的問題之一。但是,不久前獲得了有關(guān)宇宙膨脹的新數(shù)據(jù),據(jù)此數(shù)據(jù)膨脹的速度超出了人們的想象。等待新的觀察和確認(rèn)(或反駁)已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)仍然是等待。
史蒂芬·溫伯格(Steven Weinberg),1979年諾貝爾獎獲得者,試圖用所謂的人類原理來解釋觀察和預(yù)測模型之間的區(qū)別。據(jù)他介紹,宇宙常數(shù)的值是隨機(jī)的,并且在宇宙的不同部分是不同的。我們生活在如此罕見的區(qū)域中,我們只觀察到很小的這個常數(shù),我們不應(yīng)該感到驚訝,因為只有有了這個數(shù)值,恒星,行星和生命才能發(fā)展。但是,由于缺乏證據(jù)表明該值在可觀測宇宙的其他區(qū)域不同,因此一些物理學(xué)家對該解釋不滿意。
美國物理學(xué)家拉里·阿伯特(Larry Abbott)在1980年代開發(fā)了類似的模型。但是,在他的模型中,宇宙常數(shù)降至低值的時間是如此之長,以至于在這樣一個時期內(nèi)宇宙中的所有物質(zhì)都將散布在整個空間中,實際上是空的。根據(jù)Steinhardt和Turok的宇宙周期模型,宇宙常數(shù)之所以這么小是因為它最初非常大,但是隨著時間的推移,每個新的周期都會減小。換句話說,每發(fā)生一次大爆炸,宇宙中的物質(zhì)和輻射量就被“置零”,而不是宇宙常數(shù)。在許多周期內(nèi),它的值下降了,今天我們恰好觀察到該值(5.98 x 10-10 J / m3)。
在一次采訪中,尼爾·圖洛克談到了他和斯坦因哈特關(guān)于循環(huán)宇宙的模型,如下:
“我們提出了一種機(jī)制,其中超弦理論和M理論(我們的量子引力的最佳組合理論)使宇宙能夠通過大爆炸。但是要了解我們的假設(shè)是否完全一致,還需要進(jìn)一步的理論工作?!?/p>
科學(xué)家希望,隨著技術(shù)的進(jìn)步,有可能與其他人一起檢驗這一理論。因此,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型(ΛCDM),在大爆炸之后不久,出現(xiàn)了一個稱為通貨膨脹,使宇宙充滿萬有引力波。2015年,記錄了重力波信號,其形狀與兩個黑洞合并的廣義相對論的預(yù)測相吻合(GW150914)。在2017年,物理學(xué)家Kip Thorne,Rainer Weiss和Barry Barish獲得了這一發(fā)現(xiàn)榮獲諾貝爾獎。隨后還記錄了兩個中子星(GW170817)合并產(chǎn)生的引力波。但是,尚未記錄到來自宇宙膨脹的引力波。而且,斯坦因哈特和圖羅克指出,如果他們的模型正確,那么這種引力波將太小而無法被“檢測到”。
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