@ 2022.01.04 , 12:09

时空结构破碎、因果关系分离、终点就是起点?来了解一下彭罗斯的共形循环宇宙学

“最后一颗恒星会慢慢冷却并消失。随着它的消逝,宇宙将再次变得虚无,没有光、没有生命或意义。”BBC最近的系列纪录片《宇宙》中,物理学家布赖恩·考克斯说道。

最后一颗恒星的陨落将只是无限长的黑暗时代的起始。所有物质最终都会被巨大的黑洞吞噬,而黑洞又会蒸发成最微弱的微光。

空间将不断向外扩展,直到即使是昏暗的光线也变得过于分散而无法相互作用。运动将停止。

或者会吗?奇怪的是,一些宇宙学家认为,像遥远的未来这样一个寒冷黑暗的空宇宙可能就是大爆炸的源头。

原初

但在我们开始之前,让我们先看看“物质”——物理物质——是如何产生的。如果我们的目标是解释由原子或分子组成的稳定物质的起源,那么在大爆炸期间肯定没有这种物质,哪怕过去了几十万年之后也没有。

事实上,我们确实非常详细地知道,一旦条件冷却到足以使复杂物质稳定下来,第一个原子是如何由更简单的粒子形成,以及这些原子后来如何在恒星内部融合成更重的元素。但这种知识并没有解决物质如何从无中生有。

所以让我们回想一下。最早的长寿命物质粒子是质子和中子,它们共同构成了原子核。这些出现在大爆炸后大约一万分之一秒。

在此之前,确实没有任何我们熟悉的词义上的物质。但是物理学让我们继续追溯时间线——追溯到任何稳定物质之前的物理过程。

这将我们带入了所谓的“大统一阶段”。到目前为止,我们已经进入了推测物理学的领域,因为我们无法在实验中产生足够的能量来探测当时正在发生的那种过程。

但一个合理的假设是,物理世界是由短寿命基本粒子组成的汤——包括夸克,质子和中子的组成部分。

物质和“反物质”的数量大致相等:每种类型的物质粒子,例如夸克,都有一个反物质“镜像”伴星,它与自身几乎相同,仅在一个方面有所不同。

然而,物质和反物质在相遇时会在能量的闪光中湮灭,这意味着这些粒子不断地被创造和摧毁。

但是这些粒子最初是如何存在的呢?量子场论告诉我们,即使是真空,据说对应于空旷的时空,也充满了能量波动形式的物理活动。这些波动会导致粒子突然出现,但很快就会消失。

这听起来像是数学上的奇技淫巧而非真实的物理,但在无数实验中已经发现了这样的粒子。

时空的真空状态正在沸腾,粒子不断地被创造和摧毁,显然是“无中生有”。但也许这一切真正告诉我们的是,量子真空(尽管有它的名字)是“有”,而不是“无”。

假设我们问:时空本身是从哪里产生的?然后我们可以继续把时钟调得更远,进入真正古老的“普朗克时代”——宇宙历史上的一个时期如此之早,以至于我们最好的物理学理论崩溃了。

这个时期发生在大爆炸之后的一万亿分之一秒的一万亿分之一。在这一点上,空间和时间本身开始受到量子涨落的影响。

物理学家通常分别研究支配粒子微观世界的量子力学和适用于大宇宙尺度的广义相对论。但要真正理解普朗克时代,我们需要一个完整的量子引力理论,将两者结合起来。

我们仍然没有一个完美的量子引力理论,但是有一些尝试——比如弦理论和圈量子引力。在这些尝试中,普通的空间和时间通常被视为涌现的,就像深海表面的波浪一样。

我们所体验的空间和时间是在更深的微观层面上运行的量子过程的产物——这些过程对我们作为植根于宏观世界的生物来说没有多大意义。

在普朗克阶段,我们对空间和时间的通常认知崩溃了,所以我们也不能再依赖于我们对因果关系的理解。

尽管如此,所有候选的量子引力理论都描述了普朗克阶段发生的一些物理现象。但它们是从哪里来的?

甚至因果关系也不再简单适用,仍然有可能用另一套理论来解释普朗克阶段的宇宙。不幸的是,到目前为止,即使是我们最好的物理学也无法完全提供答案。在我们朝着“万物理论”取得进一步进展之前,我们将无法给出任何明确的答案。

在这个阶段,我们最多可以自信地说,物理学到目前为止还没有发现任何从无到有的证实实例。

从“几乎没有”开始的循环

为了真正回答如何从无到有的问题,我们需要解释普朗克阶段开始时整个宇宙的量子状态。

所有这样做的尝试仍然是高度投机的。其中一些像造物主一样接近于超自然力量。但其他候选解释仍属于物理学领域——例如包含无数平行宇宙的多元宇宙,或宇宙的循环模型,不断重生。

2020 年诺贝尔奖获得者物理学家罗杰·彭罗斯提出了一个有趣但有争议的循环宇宙模型,称为“共形循环宇宙学”。

彭罗斯的灵感来自于一个非常热、密集、小的宇宙状态——就像在大爆炸时——和一个极其寒冷、空洞、膨胀的宇宙状态——在遥远的未来——之间的有趣数学联系.

他解释这种对应关系的激进理论是,当这些状态达到极限时,这些状态在数学上变得相同。尽管看起来很矛盾,但物质的完全缺失可能会导致我们在宇宙中看到的所有物质。

在这种观点下,大爆炸几乎是从虚无中产生的。这就是当宇宙中的所有物质都被吞噬成黑洞时剩下的东西,而黑洞又被蒸发成光子——消失在虚空中。

因此,整个宇宙起源于某种东西——从另一个物理角度来看——几乎是一无所有。但那也算不上真的一无所有。它仍然是一个物理宇宙,无论多么空。

从一个角度看,同一个状态怎么可能是一个寒冷、空旷的宇宙,而从另一个角度看又是一个炽热的密集宇宙?答案在于一个称为“共形重新缩放”的复杂数学过程,这是一种几何变换,它实际上改变了对象的大小,但保持其形状不变。

彭罗斯展示了冷致密态和热致密态如何通过这种重新标度相关联,以便它们与时空的形状相匹配——尽管不与它们的大小相匹配。

诚然,当两个物体具有不同的规模时,很难理解它们如何以这种方式相同——但彭罗斯认为,作为一个概念的尺寸在如此极端的物理环境中不再有意义。

在共形循环宇宙学中,解释的方向是从又老又冷到有年轻有火热:热致密态的存在是因为冷空态。但是这个“因为”并不是人们所熟悉的——原因结果在时间上相承。在这些极端状态下,不仅大小不再相关:时间也是如此。

冷致密态和热致密态实际上位于不同的时间线上。从观察者的角度来看,冷的空状态将永远持续下去,但它所产生的热致密状态却有效地占据了一个新的时间线。

它可能有助于理解以某种非因果方式从冷空态产生的热致密态。或许我们应该说,热稠态是从冷态、空态中出现,或立足于,或由冷态、空态来实现的。

这些独特的形而上学思想已经被科学哲学家广泛探索,特别是在量子引力的背景下,普通的因果似乎崩溃了。在我们知识的极限下,物理学和哲学变得难以解开。

实验证据?

共形循环宇宙学为我们的大爆炸从何而来的问题提供了一些详细的、尽管是推测性的答案。但是,即使彭罗斯的愿景被宇宙学未来的进步所证实,我们可能会认为我们仍未回答一个更深层次的哲学问题——一个关于物理现实本身从何而来的问题。

整个循环系统是如何产生的?然后我们最终得到了一个纯粹的问题,即为什么是存在而不是什么都没有——这是形而上学的最大问题之一。

但我们现在的重点仍然是在物理学领域内的解释。对于周期是如何开始的更深层次的问题,有三种广泛的选择。

它根本没有物理解释
。或者可能有无限重复的循环,每个循环本身就是一个宇宙,每个宇宙的初始量子状态由之前宇宙的某些特征解释。或者可能有一种循环,以及一个重复的宇宙,该循环的开始由其自身终结的某些特征来解释

后两种方法避免了对任何无因事件的需要——这赋予了它们独特的吸引力。没有什么是物理学无法解释的。

彭罗斯设想了一系列无休止的新循环,部分原因与他自己对量子理论的首选解释有关。在量子力学中,一个物理系统同时存在于许多不同状态的叠加中,当我们测量它时,只会随机“选择一个”。

对于彭罗斯来说,每个周期都涉及以不同方式发生的随机量子事件——这意味着每个周期都将与其前后不同。这对实验物理学家来说实际上是个好消息,因为它可能让我们通过普朗克卫星看到的大爆炸剩余辐射中的微弱痕迹或异常一瞥产生我们的旧宇宙。

彭罗斯和他的合作者相信他们可能已经发现了这些痕迹,将普朗克数据中的模式归因于前一个宇宙中超大质量黑洞的辐射。然而,他们声称的观察结果受到了其他物理学家的挑战,陪审团还未做出裁决。

无尽的新周期是彭罗斯自己愿景的关键。但是有一种自然的方法可以将共形循环宇宙学从多循环形式转换为单循环形式。然后物理现实包括在遥远的未来通过大爆炸到最大空状态的单次循环——然后再次循环到同一个大爆炸,再次产生完全相同的宇宙。

后一种可能性与量子力学的另一种解释一致,称为多世界解释。多世界解释告诉我们,每次我们测量一个叠加的系统时,这种测量不会随机选择一个状态。相反,我们看到的测量结果只是一种可能性——在我们自己的宇宙中出现的一种可能性。

其他测量结果都在多元宇宙中的其他宇宙中发挥作用,有效地与我们自己的宇宙隔绝。因此,无论某件事发生的几率有多小,如果它的几率非零,那么它就会发生在某个量子平行世界中。

世界上也有和你一样的人中了彩票,或者被台风卷入云层,或者自燃,或者三者同时进行。

有些人认为这样的平行宇宙也可以在宇宙学数据中观察到,因为另一个宇宙与我们的宇宙相撞造成的印记。

多世界量子理论为共形循环宇宙学带来了新的转折,尽管彭罗斯并不同意这种转折。我们的大爆炸可能是一个单一的量子多重宇宙的重生,其中包含无限多个同时发生的不同宇宙。一切可能的事情都会发生——然后它一次又一次地发生。

古老的神话

对于科学哲学家来说,彭罗斯的远见令人着迷。它为解释大爆炸开辟了新的可能性,使我们的解释超越了普通的因果关系。因此,它是探索物理学可以解释我们的世界的不同方式的一个很好的测试案例。它值得哲学家们更多的关注。

对于神话爱好者来说,彭罗斯的愿景是美丽的。在彭罗斯偏爱的多循环形式中,它复活了从灰烬中诞生无穷无尽的新世界的观念。在它的单循环形式中,它是对衔尾蛇或世界蛇的古老思想的一次惊人的现代重新调用。

在北欧神话中,巨蛇耶梦加得是聪明的洛基和巨人安格博达的孩子。耶梦加得吃掉自己的尾巴,而创造的圆圈维持着世界的平衡。但是衔尾蛇的神话在世界各地都有记载——包括远在古埃及。

一个循环宇宙的衔尾蛇确实是雄伟的。它的腹部包含我们自己的宇宙,以及量子物理学所允许的每一个奇怪而美妙的替代宇宙——在它的头部与尾部相遇的地方,它是完全空的,但温度为十亿亿万亿摄氏度。

https://www.sciencealert.com/how-did-the-big-bang-explode-out-of-nothing-this-could-be-the-way


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