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宇宙为何如此“平坦”
物理学家提出，宇宙或许经历了“回弹”周期，能解释暗物质和宇宙的“平坦性”问题。
物理学家团队提出的新模型表明，宇宙并非经历了大爆炸后随之而来的膨胀，而是经历了一个“回弹”周期。尽管这一观点距离被证实还很遥远，但作者们认为，这可能有助于解答一些宇宙奥秘，包括暗物质问题和“平坦性问题”。
你可能已经注意到，宇宙学和物理学中存在一些未解之谜，科学家们正在努力研究。除了暗物质和暗能量的问题外，宇宙看起来似乎也是“平坦的”。那么，什么是平坦？
NASA解释说：“宇宙的密度也决定了它的几何形状。如果宇宙的密度超过临界密度，那么宇宙的几何形状是闭合且正弯曲的，像球体的表面。这意味着，最初平行的光子路径会慢慢汇聚，最终相交，并回到它们的起点(如果宇宙能持续足够长时间的话)。如果宇宙的密度低于临界密度，那么空间的几何形状是开放的(无限的)，负弯曲，类似马鞍的表面。如果宇宙的密度恰好等于临界密度，那么宇宙的几何形状是平坦的，像一张纸一样，并且是无限的。”
在一个平坦的宇宙中，平行线始终保持平行。而我们似乎正生活在这种类型的宇宙中。尽管这种形状让我们研究宇宙变得相对简单，但它也带来了自己的问题。宇宙的形状取决于其中物质的平均密度。
NASA进一步解释道：“如果物质的密度低于所谓的临界密度，宇宙是开放且无限的。如果密度高于临界密度，宇宙是闭合且有限的。如果密度等于临界密度，宇宙是平坦的，但仍然可能是无限的。”
在宇宙的现阶段，密度看起来非常接近“临界密度”，这使得宇宙非常接近平坦。当“平坦性问题”首次被提出时，这对大爆炸模型来说是个不小的问题，因为热而密的大爆炸应该会导致超出临界密度的状态，那么为什么它产生了我们今天看到的平坦宇宙呢？
尽管膨胀模型可以通过非常快速的膨胀来解释这一点，但一些科学家仍在寻找其他可能的解释。诺贝尔奖获得者物理学家Roger Penrose提出了共形循环宇宙学的想法(这一观点还远未被广泛接受，但非常有趣)，另一个想法是宇宙经历了多个“回弹”周期。
正如弦理论或修正牛顿动力学理论(MOND)一样，这种理论也有多个不同版本。在一篇新论文中，研究团队探讨了“非奇点回弹宇宙学”，其中宇宙在一个热而密集的状态与我们今天看到的宇宙之间反复回弹。
“这一宇宙学模型没有膨胀宇宙学中存在的初始奇点问题，同时也解决了标准热大爆炸(HBB)理论中的平坦性和视界问题，”团队在论文中声称，“并在大尺度上产生了尺度不变的曲率功率谱，因此与宇宙微波背景辐射(CMB)观测结果相兼容。”
团队还研究了原初黑洞(PBHs)如何融入这一模型。
“有趣的是，PBHs可以作为探测替代理论和引力学模型的新途径，”团队解释道。
“我们发现了一个新的与模型无关的机制，解释了PBH在HBB辐射主导阶段形成的过程，这是在非奇点物质回弹宇宙学的背景下实现的。特别是，在物质收缩阶段，超视界曲率扰动的增强，以及从物质收缩到HBB扩张宇宙的短暂过渡期的结合，能够在HBB阶段的小尺度上形成增强的曲率扰动，最终坍缩形成PBHs。”
团队指出，在这一模型中，不同大小的黑洞会形成，而不仅仅是我们通过观测确认的恒星质量和超大质量黑洞。
“有趣的是，我们发现的原初黑洞质量可以位于目前观测上尚未约束的小行星质量窗口中，可能解释了全部的暗物质。”
原初黑洞此前曾被提出作为暗物质的一种潜在解释，但在这一模型中，它们是大爆炸(或回弹)前的遗留物，由宇宙早期阶段的微小扰动造成的。
尽管这一观点很有趣，我们也应该对替代理论持开放态度，但目前膨胀模型仍然是我们最好的解释。不过，团队确实提供了潜在的途径来寻找支持或反对这一理论的证据。
“值得注意的是，增强的曲率扰动在坍缩形成原初黑洞的同时，也能产生随机的引力波背景，未来的实验，特别是SKA、PTAs、LISA和ET，或许能够探测到这些引力波，从而成为探测早期宇宙回弹性质的新途径。”
本文译自 IFLScience，由 BALI 编辑发布。