欢迎您访问科普小知识本站旨在为大家提供日常生活中常见的科普小知识,以及科普文章!
您现在的位置是:首页  > 教育教学

宇宙诞生前到底什么样?

科普小知识2022-10-30 17:43:14
...

大爆炸理论认为,甚至在更早的时候,在某个时刻,整个宇宙(包括所有的恒星、所有的星系、所有的东西)只有桃子那么大,温度超过1万亿度。

宇宙诞生前到底什么样?

新浪科技新闻,北京时间5月6日,据国外媒体报道,在过去的几十年里,物理学家告诉我们,起初宇宙处于无限密度和温度的状态,可以想象为一个无限致密的球体。然后,这个小球体爆炸了,产生了我们今天看到的原子、分子、恒星和星系。

但是最近,新的理论物理研究发现了一个可能的窗口,可以看到非常早期的宇宙,并指出这个时期可能并不“非常早”。相反,这可能只是最新“爆炸-反弹”周期的一部分。这个循环至少发生过一次,可能会永远持续下去。

当然,在物理学家决定放弃大爆炸并选择“大爆炸-反弹”周期之前,这些理论预测需要大量的观察和测试。

大爆炸理论

科学家们已经对早期宇宙有了很好的理解,这就是我们熟悉并广泛接受的大爆炸理论。在这个模型中,很久以前的宇宙比现在小得多,热得多,密度也大得多。在138亿年前的早期宇宙中,构成今天我们所有人的所有元素都是在大约12分钟内形成的。

大爆炸理论认为,甚至在更早的时候,在某个时刻,整个宇宙(包括所有的恒星、所有的星系、所有的东西)只有桃子那么大,温度超过1万亿度。

令人惊讶的是,到目前为止所有的观察都证实了这个奇妙的故事。天文学家做了各种各样的工作,从观察年轻宇宙留下的电磁辐射到测量最轻元素的丰度,发现它们都符合大爆炸理论的预测。据我们所知,这是早期宇宙最准确的写照。

尽管如此,我们知道大爆炸理论的框架是不完整的——缺少一块拼图,而这块拼图是宇宙本身最早的时刻。

这是宇宙中最大的难题之一。

火宇宙

问题是我们用来理解早期宇宙的物理学(广义相对论和高能粒子物理学的奇妙而复杂的大杂烩)只能把我们带到大爆炸的时刻。当我们试图推进宇宙的第一个瞬间时,数学变得越来越困难,直到它不能被应用。

物理学家尚未探索的一个重要问题是大爆炸开始时的“奇点”,即密度无限的点。从表面上看,这告诉我们,在某个时刻,宇宙被塞进一个体积无限小、密度无限大的点。这显然是荒谬的。它真正的意思是我们需要新的物理学来解决这个问题——目前的理论工具还不够好。

为了解决这个难题,我们需要一些新的物理工具,一些可以在超高能下处理重力和其他力的东西。这正是弦理论所提倡的。它可以作为一个物理模型,能够在超高能量下处理重力和其他力。换句话说,弦理论声称可以解释宇宙的最初时刻。

弦理论最早的概念之一是“ekpyrotic宇宙”,它来自希腊语,意思是“火”。在这个概念下,我们对大爆炸的了解是由它之前的其他事件引发的——大爆炸不是开始,而是更大过程的一部分。

在“火宇宙”概念扩展之后,一个受弦理论启发的理论,即循环宇宙,诞生了。从技术上来说,宇宙不断循环的概念已经有几千年的历史了,比物理学还要早,但是弦理论已经为这个想法奠定了坚实的数学基础。正如人们通常想象的那样,这个“循环宇宙”不断在大爆炸和大紧缩之间反弹,这可能是回到过去的永恒,也可能是进入未来的永恒。

根据大反弹的理论,每个周期都从一个平滑的小宇宙开始,但它不可能像奇点一样小。此后,小宇宙逐渐扩大,变得越来越大,变得越来越扭曲,并在达到一定程度后开始崩溃。与此同时,它变得越来越平滑,最终减小到其初始体积。然后,相同的循环重新开始。

在开始之前

“圆形宇宙”理论听起来很酷,但是早期的数学模型很难与观测结果相匹配。当我们真正尝试做科学研究时,这是一个非常重要的问题。

主要障碍是如何匹配宇宙微波背景的观测结果。宇宙微波背景是宇宙诞生38万年后遗留下来的热辐射,被称为“宇宙中最古老的光”。虽然我们不能直接观察宇宙微波背景之前的一切,但如果我们想从理论上修复早期宇宙的物理学,这些“角落”模式就会受到影响。

因此,圆形宇宙似乎是一个简洁但不正确的概念。然而,多年来,科学家们一直携带着“火宇宙”理论的种子。在2020年1月发表在arXiv数据库上的一篇论文中,加拿大麦吉尔大学的物理学家罗伯特·勃兰登堡(Robert Brandenberger)等研究人员探索了这一理论的数学困难,并发现了一些以前没有注意到的因素。他们发现,在“反弹”的时刻,即当宇宙收缩到一个非常小的点并返回到大爆炸状态时,理论预测可以与观测试验的结果相一致。

换句话说,尽管这个关键时期的物理学非常复杂(理解仍然有限),但它确实允许我们对宇宙的时间和位置进行根本性的修正。当然,为了全面测试这个模型,我们必须等待新一代的宇宙学实验。在那之前,“宇宙诞生之前是什么”将是一个悬而未决的问题。

原标题:大爆炸前发生了什么?