物理学家挑战时间一开始的想法

admin 2018-05-15

物理学家在“广义相对论和引力论”中发表论文,建议消除对宇宙学时空奇点的需求,并争辩说目前的扩张阶段先于收缩(图片来源:NASA / CXC / M. Weiss)

“我相信宇宙大爆炸从来没有发生过,”巴西圣保罗州坎皮纳斯大学数学,统计和科学计算研究所(IMECC-UNICAMP)的物理学家JulianoCésarSilva Neves说。

尽管五十年来,宇宙大爆炸理论一直是宇宙起源和演化最为人所知和最受人们接受的解释,但它并不是科学家们的共识,Neves说,这是一群敢于想象不同的起源。

在最近发表在“广义相对论与引力”杂志上的一项研究中,Neves建议消除标准宇宙学模型的一个关键方面:需要称为宇宙大爆炸的时空奇点。

在提出这种可能性时,内维斯质疑时间有一个开始的概念,并重新引入目前扩张之前出现收缩的可能性。

对于Neves来说,快速的时空扩张阶段并不排除事先收缩阶段的可能性。而且,从收缩到扩张的转换可能不会破坏前一阶段的所有轨迹。

“谁知道,从前期的收缩阶段开始,正在进行的扩展中可能存在着黑洞,并​​且在完全通过反弹瓶颈之后,”Neves告诉AgênciaFAPESP。

正是在黑洞中,内维斯找到了他调查他所谓的“弹跳宇宙”的起点,其中收缩之后是扩张。

“弹跳宇宙的灵感来自一种数学技巧,以避免在黑洞中形成奇点,”他说。 “宇宙中有两种奇点。一个是所谓的宇宙奇点,或者是宇宙大爆炸。另一个隐藏在黑洞的事件视界之后。“

黑洞是最神秘的宇宙物体。一颗巨大的恒星爆炸后,一颗黑洞由剩下的内核组成。核心契约形成奇点,无限密度和已知存在的最强引力吸引点。没有东西可以逃脱,甚至没有光。

奇点位于黑洞的中心,隐藏在事件视界的后面,这是一个膜片,表明无法返回的点,没有任何东西可以逃脱被奇点吞噬和破坏的无法预知的命运。

“但并非所有的黑洞都必须包含奇点。至少,不是理论上的。在所谓的普通黑洞中没有奇点,“内维斯说。

1968年,美国物理学家詹姆斯巴丁使用数学技巧修改了描述黑洞的广义相对论方程的解。

这个技巧包括把黑洞的质量看作是一个常量,而不是像以前那样,而是作为一个函数,取决于到黑洞中心的距离。随着这一变化,从方程的解中出现了一个不同的黑洞,被称为常规黑洞。

“什么定义黑洞不是一个奇点,而是一个事件视界,”内维斯说。 “在常规黑洞的事件视界之外,没有发生重大变化,但在其内部,变化是深层次的。有一个不同的时空可以避免奇点的形成。规则的黑洞是允许的,因为它们不违反广义相对论。这个概念并不新鲜,近几十年来经常被重新审视。“

如果在广义相对论方程中插入数学技巧可以防止在常规黑洞中形成奇点,那么是否可以创建类似的技巧来消除常规反弹中的奇点?

“为了测量宇宙随着标准宇宙学扩展的速度,模型中有一个宇宙大爆炸,一个只依赖宇宙时间的数学函数,”Neves解释说。

这就是数学技巧出现的地方。内维斯和他的博士后监督Alberto Vazques Saa,IMECC-UNICAMP的正教授介绍了一个“比例因子”,它使得宇宙膨胀的速度不仅取决于时间,还取决于宇宙学扩展到描述宇宙几何的广义相对论方程的解。

这是最近发表的文章中提出的建议,该文章是“物理和时空几何”主题项目的一部分,Saa担任首席研究员。 Neves的博士后研究得到了FAPESP的奖学金的支持。

萎缩的遗迹

涉及比例因子的数学技巧的后果是什么?宇宙奇点或宇宙大爆炸不再存在。它不再是宇宙开始普遍扩张的必要条件。

“消除奇点或宇宙大爆炸将弹跳宇宙带回到宇宙论的理论阶段。在时空开始的时候缺乏单一性,这使得前一个收缩阶段的痕迹可能经受了相位变化,并且可能仍然与我们一起在宇宙的不断扩张中,“Neves说。

“宇宙有一个开始,还是没有?世界是否在黑洞内结束?今天,我们知道广义相对论理论允许一个非奇异的宇宙论,至少在理论上没有宇宙大爆炸。“

在现代科学中,如果无法验证,理论是毫无价值的,无论它是美丽的还是令人鼓舞的。你如何测试一个没有以奇点开始的大爆炸的假设?

“通过在收缩阶段寻找可能保持在扩张阶段的事件痕迹。什么痕迹?候选人包括来自前一阶段普遍收缩的黑洞残余物,可能在这次反弹中幸存下来,“内维斯说。

大爆炸

大爆炸理论开始于20世纪20年代后期制定,当时美国天文学家埃德温哈勃发现,几乎所有的星系都以更快的速度离开彼此。

这意味着他们在遥远的过去更接近。更确切地说,138亿年前,宇宙中的所有物质和能量都被压缩到了无限密度和温度的初始状态,传统的物理定律不再适用。

为了定义这种状态,宇宙学家自相矛盾地从数学中借鉴了奇点的概念,它指的是不确定性。在这种情况下,有一个原始的宇宙奇点,开始在138亿年前扩大。最初的奇点被称为大爆炸。宇宙中数以千亿计的星系是由最初的爆炸所喷射的物质和能量形成的。

在20世纪40年代以后,科学家们用爱因斯坦的广义相对论(用于解释宇宙现象)的理论构建了宇宙大爆炸以来进化的详细模型。该模型是基于这样一个假设,即膨胀最终可能会因宇宙的质量引力而减速。

这种假设可能导致三种可能的结果:宇宙会以更高的速度无限扩张;扩张将停止,宇宙将保持不变;或者扩张会相反,让位于星系会以更高的速度靠近在一起的收缩,直到它们在未来的大紧缩中合并为止。

如果是这种情况,当物质和能量在大紧缩时达到极端温度和密度时,这个过程可能会再次发生逆转,让位于另一次反弹的扩张并在宇宙中产生一个新的循环,等等没有结束。

“这个宇宙永恒演替的扩张和收缩阶段的图像被称为周期性宇宙,它来源于反弹宇宙学,”内维斯说。

出版物:J. C. S. Neves,“受普通黑洞启发的弹跳宇宙学”,“广义相对论与引力”,2017; DOI:10.1007 / s10714-017-2288-6

来源:AgênciaFAPESP


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