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宇宙暴脹的根源

2017-01-22 16:52蔡慶宇
自然雜志 2017年6期
關(guān)鍵詞:惠勒太陽系天體

蔡慶宇

中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所, 武漢 430071

宇宙暴脹的根源

蔡慶宇?

中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所, 武漢 430071

標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型認(rèn)為宇宙起源于大爆炸,并且經(jīng)歷了暴脹階段。然而,為什么早期宇宙會暴脹,存在不同的理論假設(shè)。一個理想的模型是宇宙起源于真空,并演化為今天的宇宙。通過求解量子宇宙學(xué)方程,并使用德布羅意-玻姆量子軌道理論,可以獲得真空暴脹解。隨著微波背景輻射觀測精度的提高,這一模型的正確性有望獲得實驗檢驗。

真空暴脹;量子效應(yīng);Wheeler-DeWitt方程

1 宇宙學(xué)的起源

探尋宇宙起源是人類文明亙古不變的追求。初唐詩人張若虛在《春江花月夜》中寫到“江畔何人初見月,江月何年初照人”,即是對宇宙起源的追問。早于三國時期,中國即有盤古開天辟地的神話故事流傳。春秋時期《道德經(jīng)》中的“道生一,一生二,二生三,三生萬物”也是對宇宙起源的哲學(xué)思考。何謂宇宙? 文子《文子?自然》篇有云:“往古今來謂之宙,四方上下謂之宇”,給出了宇宙的定義。一般說來,宇宙是時間、空間以及物質(zhì)的總和。然而,近代科學(xué)出現(xiàn)之前,對于宇宙的研究只能停留在神話故事或哲學(xué)思考的階段,無法進行科學(xué)的研究或解釋。目前我們所稱的宇宙學(xué),是一門研究宇宙如何起源并演化的學(xué)科。

牛頓于1687年寫下了不朽名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》,其中提出了萬有引力定律,第一次將行星運動這一天上的規(guī)律和物體下落這一地上的規(guī)律統(tǒng)一起來,標(biāo)志著天文學(xué)從此進入科學(xué)研究階段。根據(jù)萬有引力理論,任何物質(zhì)之間總是互相吸引,除非宇宙是無限大,否則塌縮是不可避免的命運。由于在人類感知中宇宙一直穩(wěn)定存在,牛頓的無限靜態(tài)時空觀因此被廣泛接受。雖然牛頓的這一宇宙觀也曾產(chǎn)生一些問題,比如,對于無限大的宇宙會存在奧爾勃斯佯謬(即夜晚為什么會黑的問題),但是人們并沒有因此懷疑靜態(tài)宇宙論的正確性。

2 大爆炸理論

1917年愛因斯坦發(fā)表了一篇關(guān)于宇宙學(xué)的論文《Cosmological Considerations of the General Theory of Relativity》,首次將廣義相對論應(yīng)用對象推廣到宇宙層次,開創(chuàng)了現(xiàn)代理論宇宙學(xué)研究之先河。然而,由于受靜態(tài)宇宙觀的影響太深,為了得到一個靜態(tài)時空,愛因斯坦不惜修改引力場方程,即在引力場方程中加入一個常數(shù)(被稱作宇宙學(xué)常數(shù))。這個常數(shù)不破壞愛因斯坦場方程的協(xié)變性而且可以產(chǎn)生斥力,因此可以給出一個宇宙有限且靜態(tài)的解,這樣科學(xué)家使用廣義相對論解決了奧爾勃斯佯謬。

1929年哈勃(Edwin Powell Hubble)發(fā)表了著名的哈勃定律,即來自遙遠(yuǎn)星系光線的紅移(即星系的視向速度)與該星系到我們的距離成正比。哈勃定律表明宇宙正在膨脹,終結(jié)了長久以來靜態(tài)宇宙這一深入人心的錯誤觀念。其實,早在1922年,理論物理學(xué)家弗里德曼(Alexander Friedmann)就得到了愛因斯坦場方程的動態(tài)時空解。根據(jù)他的計算,宇宙將先膨脹后收縮。1927年勒梅特(Georges Lemaitre)提出宇宙大尺度空間隨著時間膨脹的思想。但是由于當(dāng)時缺少觀測資料,以及人們普遍接受靜態(tài)宇宙的觀點,動態(tài)解并沒有受到人們的重視,包括愛因斯坦本人,都錯過了在理論上率先預(yù)言宇宙膨脹的機會。

1948 年伽莫夫(George Gamow)提出了大爆炸模型。這一研究將宇宙學(xué)理論與粒子物理研究相結(jié)合,使人們開始把宇宙這一最大物體(宇宙本身)和基本粒子聯(lián)系在一起。這不但是理論方法的進步,同時也對實驗觀測宇宙學(xué)研究給予新的內(nèi)涵。大爆炸模型認(rèn)為宇宙是在一段有限時間內(nèi),由一個密度極大且溫度極高的太初狀態(tài)演變而來,經(jīng)過不斷的膨脹到達今天的狀態(tài)。伽莫夫本人是核物理學(xué)科學(xué)家,他通過計算得到了兩個非常重要的實驗觀測預(yù)言:①宇宙早期產(chǎn)生的氦元素豐度按質(zhì)量記約為25%;②早期高溫的物質(zhì)隨著宇宙的膨脹逐漸冷卻,電子和原子核結(jié)合成為原子之后光子與物質(zhì)退耦,宇宙對于光子變得透明,輻射在宇宙空間中得以相對自由的傳播,到現(xiàn)在這個殘留的輻射(宇宙微波背景輻射)溫度大約為10 K。

1965年,美國貝爾電話公司的彭齊亞斯(Armo Penzias)和威爾遜(Robert Woodrow Wilson)為接受“回聲”衛(wèi)星信號建立了一臺喇叭形狀的天線。他們發(fā)現(xiàn),在波長為7.35 cm 的地方一直有一個各向同性的信號存在,這個信號既沒有晝夜的變化,也沒有季節(jié)的變化,因而可以判定與地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)無關(guān)。在排除各種其他因素后,他們發(fā)表了題為《在4080兆赫處剩余天線溫度的測量》的論文正式宣布了這個發(fā)現(xiàn)(彭齊亞斯和威爾遜因此獲得了1978年諾貝爾物理學(xué)獎)。同時迪克(Robert Dicke)、皮伯斯(P.J. E. Peebles)、勞爾(P. G. Roll)和威爾金森(D. T.Wilkinson)在同一雜志上發(fā)表了題為《宇宙黑體輻射》的論文,闡明了這個測量結(jié)果的物理意義:這個額外的輻射就是伽莫夫大爆炸理論所預(yù)言的宇宙微波背景輻射。同時期的天文觀測也表明,宇宙中的確普遍存在著豐度為20%~30%的氦元素。宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)在近代天文學(xué)上具有非常重要的意義:自此大爆炸模型被絕大多數(shù)物理學(xué)家與天文學(xué)家所接受,而觀測大爆炸模型預(yù)言的微波背景輻射也成為研究早期宇宙的重要手段。

3 暴脹理論

大爆炸宇宙模型雖然取得了巨大的成就,仍有諸多困難無法解決,如視界困難、平直性困難、磁單極困難,以及宇宙早期粒子產(chǎn)生、元素起源等問題。為了解決這些困難,1979—1981年斯塔若彬斯基(Alexi Starobinsky)、古斯(Alah H.Guth)、林德(Andrei Linde)等人先后提出了宇宙暴脹理論。暴脹理論認(rèn)為宇宙在大爆炸時期經(jīng)歷了一個短暫的加速膨脹過程(隨時間接近指數(shù)加速長大),在這期間宇宙膨脹了約e60倍。暴脹理論解決了大爆炸模型無法解決的困難,例如:它可以解釋為什么宇宙在大尺度上呈各向同性,為什么宇宙微波背景輻射會大致均勻分布,為什么我們的宇宙空間如此平坦,為什么現(xiàn)在宇宙中探測不到磁單極子,等等。鑒于此,早期宇宙演化經(jīng)歷暴脹階段這一假說被廣泛接受。此后,科學(xué)家們不斷提出各種暴脹模型,大多暴脹模型都需要假設(shè)早期宇宙中存在一個或者多個標(biāo)量場,這些標(biāo)量場的能量推動了早期宇宙的暴脹。由于對早期宇宙的觀測手段相當(dāng)缺乏,因此現(xiàn)在還無法準(zhǔn)確判定各種暴脹模型的正確性。甚至,早期宇宙是否存在理論上假設(shè)的標(biāo)量場,也無法判定。

4 真空暴脹理論

目前的觀測表明,整個宇宙中引力和物質(zhì)總能量為0(引力為負(fù)能量),總電荷為0。考慮到宇宙年齡有限且遵守守恒律,那么宇宙最初狀態(tài)也應(yīng)該是總能量為0,總電荷為0,即極早期宇宙應(yīng)該是處于真空狀態(tài)。換句話說,當(dāng)今的宇宙應(yīng)該是從真空狀態(tài)演化而來[1]。問題在于,如果早期宇宙是一個小真空,那么它應(yīng)該經(jīng)過一個暴脹過程,然后演化為當(dāng)今的宇宙。一般認(rèn)為,由于真空沒有物質(zhì)場,沒有場的驅(qū)動,真空無法暴脹。然而,最近的一項工作證明,小真空可以在自身量子效應(yīng)驅(qū)動下暴脹[2]。

由于早期宇宙體積很小,理論上它具有很強的量子效應(yīng),因此科學(xué)家不能使用愛因斯坦的場方程研究早期宇宙,而是應(yīng)該使用量子宇宙學(xué)方程或者稱之為惠勒-德威特方程。該方程于1967年由德威特提出,是對廣義相對論進行正則量子化得到的方程,也是早期建立量子引力理論的一種嘗試。該方程在忽略量子效應(yīng)時可以過渡到愛因斯坦場方程。一般認(rèn)為,宇宙的狀態(tài)應(yīng)該由滿足惠勒-德威特方程的波函數(shù)(也稱宇宙波函數(shù))描述,宇宙波函數(shù)包含宇宙演化的所有信息。因此,惠勒-德威特方程被一些物理學(xué)家視為量子宇宙學(xué)的基本方程。由于采取了ADM分解,惠勒-德威特方程不含時,無法描述宇宙的含時演化,也就是說,惠勒-德威特方程無法直接用于研究宇宙暴脹。為此,研究人員通過引入德布羅意-玻姆量子軌道理論,成功地把惠勒-德威特方程轉(zhuǎn)換為量子哈密頓-雅克比方程,從而可以描述宇宙演化。理論發(fā)現(xiàn),小真空在其量子效應(yīng)推動下,可以隨時間指數(shù)加速長大。一旦小真空長到足夠大,其量子效應(yīng)減弱,加速膨脹停止。量子效應(yīng)扮演了愛因斯坦假設(shè)的宇宙常數(shù)項或者目前科學(xué)家假設(shè)的暗能量的角色,驅(qū)動早期宇宙暴脹[2]。

真空暴脹理論的美妙之處在于:首先,它允許宇宙從真空狀態(tài)自發(fā)產(chǎn)生出來,不需要假設(shè)存在一個場推動宇宙暴脹,這樣就可以避免“creation”問題,否則大家就會追問這個暴脹場是如何產(chǎn)生出來的;其次,在宇宙長大之后其量子效應(yīng)減弱,暴脹自動退出,但在所有標(biāo)量場推動宇宙暴脹的模型中,都必須假設(shè)存在一個暴脹退出機制。因此,真空暴脹是一個簡單(假設(shè)最少)而且優(yōu)美的理論。其實,宇宙產(chǎn)生于真空這一思想,最早可見于《道德經(jīng)》第四十章“天下萬物生于有,有生于無”,也就是我們?nèi)粘K^的“無中生有”。

在真空暴脹模型中,宇宙初始是沒有物質(zhì)的。在宇宙暴脹時期,宇宙加速膨脹因此會產(chǎn)生視界(視界外的光都無法被觀測到)。視界處可以輻射粒子,其機制類似于黑洞輻射(霍金輻射)。與黑洞輻射不同的是,暴脹宇宙視界處可以向視界內(nèi)部輻射粒子,其物理機制是由于真空存在量子漲落會產(chǎn)生虛粒子對,而空間暴脹使得兩個粒子還沒來得及湮滅之前就被迅速分離開來變?yōu)閷嵨锪W?。?jīng)過理論計算,真空暴脹宇宙模型能夠大致給出和當(dāng)前觀測相符的物質(zhì)密度。更重要的是,真空暴脹模型預(yù)言了微波背景輻射無高階起伏[3]。一旦該理論預(yù)言被實驗觀測證實,不僅可以證明宇宙很可能是從真空演化而來,而且可以給惠勒-德威特方程提供第一個實驗支持證據(jù)?;堇?德威特方程提出已經(jīng)50年,到目前為止還沒有任何一個實驗觀測能夠證實或者否定該方程的正確性。真空暴脹模型給出的觀測預(yù)言,首次給出了檢驗惠勒-德威特方程正確性的可能性。隨著微波背景輻射觀測精度的提高,原則上可以有效區(qū)分宇宙暴脹的各種理論模型,并確定宇宙暴脹的物理機制。

5 真空暴脹與宇宙自發(fā)產(chǎn)生

雖然大爆炸模型已經(jīng)提出多年,然而,為什么會發(fā)生大爆炸,以及早期宇宙為什么會經(jīng)歷一個暴脹階段,目前科學(xué)家還不甚了解。因此,需要在理論上繼續(xù)探尋宇宙暴脹的物理根源。真空暴脹這一模型不僅簡單優(yōu)美,而且可以給出實驗觀測預(yù)言。伴隨著理論研究的深入以及觀測精度的提高,早期宇宙為何暴脹的答案終究會水落石出。

(2017年6月23日收稿)

[1] TRYON E P. Is the universe a vacuum fluctuation? [J]. Nature, 1973,246(5433):396-397.

[2] HE D, GAO D, CAI Q Y. Spontaneous creation of the universe from nothing [J]. Physical Review D, 2014, 89(8): 083510.

[3] HE D, GAO D, CAI Q Y. Scalar and tensor perturbations in vacuum inflation [J]. Class Quant Grav, 2017, 34: 105013.

科學(xué)家或發(fā)現(xiàn)首個“星際來客”

遍布于世界各地的望遠(yuǎn)鏡都在熱烈歡迎然后揮手告別一個新的太陽系訪客—— 一顆快速移動的小行星,或者可能是一顆彗星。美國宇航局(NASA)2017年10月26日宣布,這可能是人類觀測到的第一個造訪太陽系的星際物體,該天體已被天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)并觀測到。

這顆不尋常的“星外來客”是由檀香山夏威夷大學(xué)運營的“泛星計劃”1號望遠(yuǎn)鏡10月19日發(fā)現(xiàn)的,當(dāng)時該望遠(yuǎn)鏡正在執(zhí)行為NASA尋找近地物體的例行夜間巡天任務(wù)。

據(jù)美國媒體報道,夏威夷大學(xué)博士后研究員Rob Weryk最先發(fā)現(xiàn)了這個運動的物體,并上報了NASA下屬小行星觀測中心。同時歐洲空間局(ESA)在加納利群島的特內(nèi)里費望遠(yuǎn)鏡也證實了該天體的存在。該天體直徑約400 m,移動速度很快,被暫時編號為A/2017 U1。

該天體的進入速度為25.5 km/s,它是如此極端,以至于天文學(xué)家認(rèn)為它不是太陽系內(nèi)部那種典型的小行星或彗星。

與此同時,Weryk查閱“泛星計劃”1號望遠(yuǎn)鏡拍攝的數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),A/2017 U1在頭天晚上的運行數(shù)據(jù)也被記錄下來。Weryk同樣認(rèn)為,它的運行軌跡不同于普通太陽系小行星或彗星,應(yīng)該來自太陽系之外。

“這是我所見過的最極端的軌道?!奔永D醽喼菖了_迪納市NASA噴氣推進實驗室(JPL)軌道專家Davide Farnocchia在一次新聞發(fā)布會上表示,“它的運行速度非???,在這樣的軌道上,我們可以滿懷信心地說,這個物體正在向太陽系外飛去,并且不會再回來?!?/p>

JPL近地小天體研究中心繪制了A/2017 U1的軌跡,發(fā)現(xiàn)它來自天琴座方向,從幾乎垂直于太陽系各行星軌道平面的角度,以25.5 km/s的高速向太陽系靠近。9月2日,該物體在水星軌道范圍內(nèi)穿過太陽系行星軌道平面。9月9日,在太陽重力作用下,這個本來逐漸遠(yuǎn)離太陽系的物體在行星軌道平面之下來了個急轉(zhuǎn)彎,從地球運行軌道之外、距地球約2400萬km處穿回太陽系行星軌道平面之上,朝飛馬座方向飛去。

這樣的太空巖石或者彗星的存在并不讓人感到奇怪——有科學(xué)家預(yù)計,這樣的天體正在銀河系中游蕩,是行星形成后噴射的產(chǎn)物。當(dāng)然天文學(xué)家還需要進行更多的觀察以證實它的起源。最終,這個訪問者需要一個名稱,而目前還沒有命名這樣的太陽系訪客的規(guī)則。

“我們一直推測應(yīng)該存在這樣的天體,因為在行星形成的過程中,許多物質(zhì)都被行星系統(tǒng)噴射出來。而最令人驚訝的是,我們之前從來沒有見過星際天體經(jīng)過。”Karen Meech說。他是夏威夷大學(xué)天文學(xué)研究所的天文學(xué)家,專門研究小型天體及其與太陽系形成的關(guān)系。

由于這是迄今所發(fā)現(xiàn)的第一個此類天體,所以命名這類天體的規(guī)則需要由國際天文學(xué)聯(lián)合會確立。

“為這一天,我們已經(jīng)等了幾十年了?!盝PL近地天體研究中心主任Paul Chodas說,“長期以來,人們一直在推測這些天體的存在,即這些小行星或彗星在恒星之間移動,偶爾也會穿過我們的太陽系,但這是第一次獲得這樣的發(fā)現(xiàn)?!盋hodas指出:“到目前為止,一切都表明這很可能是一個星際天體,更多的數(shù)據(jù)將有助于證實這一點?!?/p>

[關(guān)毅 編譯]

The source of inflation

CAI Qingyu
Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China

The standard cosmological model says that the universe originates from the Big Bang, including an accelerating expanding process called inflation. The vacuum inflation model states that the universe comes from a small vacuum bubble derived the quantum effects of its own. A mathematical proof is given for the inflation of vacuum which may be tested by the future observation on the cosmic microwave background.

vacuum inflation, quantum effect, Wheeler-DeWitt equation

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.06.007

?通信作者,國家杰出青年科學(xué)基金獲得者,研究方向:量子密碼、黑洞信息以及量子宇宙學(xué)。E-mail: qycai@wipm.ac.cn

(編輯:溫文)

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