循环模型:宇宙的无限重生
在2000年代初期,普林斯顿大学的两位物理学家提出了一种宇宙学模型,根据该模型,宇宙大爆炸并不是一个独特的事件,但是时空在宇宙诞生之前就已经存在了。
在周期性模型中,宇宙会经历一个无限的自我维持循环。在1930年代,爱因斯坦(Albert Einstein)提出了宇宙可以经历无休止的大爆炸和大压缩循环的想法。我们宇宙的膨胀可能是先前宇宙崩溃的结果。在这种模型的框架内,我们可以说宇宙是从其前身的死中重生的。如果是这样,那么大爆炸并不是什么独特的东西,它只是无数其他爆炸中的一个小爆炸。周期性理论不一定能取代“大爆炸”理论;相反,它试图回答其他问题:例如,大爆炸之前发生了什么?为什么大爆炸会导致一段快速扩张的时期?
Paul Steinhardt和Neil Turok在2001年提出了一种新的宇宙周期性模型。斯坦哈特描述这个模型在他的文章中被称为“宇宙的循环模型”。在弦理论中,膜或“膜”是存在于多个维度的物体。根据Steinhardt和Turok的说法,我们看到的三个空间尺寸对应于这些金属。可以并行存在两个3D黄铜,它们之间有一个额外的隐藏尺寸。这些黄铜-可以被认为是金属板-可以沿着这个额外的维度移动并相互碰撞,从而产生了宇宙大爆炸,从而形成了宇宙(就像我们的宇宙一样)。当它们碰撞时,事件按照标准的“大爆炸”模型展开:制造热物质和辐射,迅速膨胀,然后一切降温-并形成诸如星系的结构。恒星和行星。但是,斯坦因哈特和图罗克认为,这些皮骨之间总是存在某种相互作用,他们称之为皮间骨:它将它们拉在一起,使它们再次碰撞并产生下一个大爆炸。
但是,斯坦因哈特和图罗克的模型对“大爆炸”模型的某些假设提出了挑战。例如,根据他们的说法,“大爆炸”不是时空的开始,而是从进化的早期阶段过渡。如果我们谈论的是“大爆炸”模型,那么它表示该事件标志着空间和时间的立即开始。另外,在这个碰撞的黄铜周期中,宇宙的大规模结构必须由压缩阶段决定:也就是说,这是在它们碰撞之前发生的,而下一个大爆炸发生了。根据大爆炸理论,宇宙的大规模结构由爆炸后不久发生的快速膨胀(膨胀)时期决定。此外,大爆炸模型无法预测宇宙将存在多长时间,在斯坦哈特模型中,每个周期的持续时间约为一万亿年。
关于宇宙的循环模型的好处是,与大爆炸模型不同,它可以解释所谓的宇宙常数。该常数的值与宇宙的加速膨胀直接相关:它解释了为什么空间如此迅速地膨胀。根据观察,宇宙常数的值很小。直到最近,人们一直认为它的价值比标准的大爆炸理论所预测的要少120个数量级。长期以来,观察与理论之间的这种差异一直是现代宇宙学中最大的问题之一。但是,不久前获得了有关宇宙膨胀的新数据,据此数据膨胀的速度超出了人们的想象。等待新的观察和确认(或反驳)已经获得的数据仍然是等待。
史蒂芬·温伯格(Steven Weinberg),1979年诺贝尔奖获得者,试图用所谓的人类原理来解释观察和预测模型之间的区别。据他介绍,宇宙常数的值是随机的,并且在宇宙的不同部分是不同的。我们生活在如此罕见的区域中,我们只观察到很小的这个常数,我们不应该感到惊讶,因为只有有了这个数值,恒星,行星和生命才能发展。但是,由于缺乏证据表明该值在可观测宇宙的其他区域不同,因此一些物理学家对该解释不满意。
通货膨胀多元宇宙。具有不同特性的气泡在高能背景下形成并膨胀。我们生活在其中一个气泡中,只能观察到整个宇宙的一小部分,而宇宙由我们所知的物理学定律主导。
美国物理学家拉里·阿伯特(Larry Abbott)在1980年代开发了类似的模型。但是,在他的模型中,宇宙常数降至低值的时间是如此之长,以至于在这样一个时期内宇宙中的所有物质都将散布在整个空间中,实际上是空的。根据Steinhardt和Turok的宇宙周期模型,宇宙常数之所以这么小是因为它最初非常大,但是随着时间的推移,每个新的周期都会减小。换句话说,每发生一次大爆炸,宇宙中的物质和辐射量就被“置零”,而不是宇宙常数。在许多周期内,它的值下降了,今天我们恰好观察到该值(5.98 x 10-10 J / m3)。
在一次采访中,尼尔·图洛克谈到了他和斯坦因哈特关于循环宇宙的模型,如下:
“我们提出了一种机制,其中超弦理论和M理论(我们的量子引力的最佳组合理论)使宇宙能够通过大爆炸。但是要了解我们的假设是否完全一致,还需要进一步的理论工作。”
每次跳跃花费的时间越来越长,因此整个宇宙在我们今天看到的最低正Λ(宇宙学常数)上花费的时间要多于其他任何值。
科学家希望,随着技术的进步,有可能与其他人一起检验这一理论。因此,根据标准宇宙学模型(ΛCDM),在大爆炸之后不久,出现了一个称为通货膨胀,使宇宙充满万有引力波。2015年,记录了重力波信号,其形状与两个黑洞合并的广义相对论的预测相吻合(GW150914)。在2017年,物理学家Kip Thorne,Rainer Weiss和Barry Barish获得了这一发现荣获诺贝尔奖。随后还记录了两个中子星(GW170817)合并产生的引力波。但是,尚未记录到来自宇宙膨胀的引力波。而且,斯坦因哈特和图罗克指出,如果他们的模型正确,那么这种引力波将太小而无法被“检测到”。