早期宇宙可能只以2维形式存在

2011-3-28 10:02 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网近日报道,美国两所大学的物理学家从理论上论证了宇宙中存在更低维度的可能性,即在宇宙早期,可能只有2维,也就是1维空间加1维时间,当时的宇宙比现在更小但能量水平和温度要高得多。他们通过观察宇宙射线,发现了一些与低维度概念相关的实验证据,并提出了一种能在实验中探测低维度的方法。该研究发表在最近出版的《物理评论快报》上。

  根据某些理论推测,宇宙要超出我们已知的4维时空(3维空间加1维时间),可能有5维、10维、26维甚至更多。这些超维度“隐藏”在我们所看到的3维空间中,但都未能在实验中探测到,其存在只是一种数学上的预测。研究低维时空的重要意义在于一种科学范式的变化,也是解决这些长期存在的物理学问题的全新途径。

  去年,包括纽约州立大学布法罗分校(SUNY at Buffalo)科学家在内的几个物理小组提出了一种低维时空理论框架,即只有1维空间加1维时间,宇宙是直线的形式,而以某种方式“缠绕包裹”形成了现在这个看起来是3维加1维的时空。

  科学家并不知道宇宙维度在什么时候发生了变化,但他们认为,宇宙能量水平和大小直接决定了它的维数。根据预测,当宇宙能量约为100特电子伏(1特电子伏=1万亿电子伏)或更低时,宇宙从1维空间加1维时间变成了2维空间加1维时间;在宇宙能量变为1特电子伏之后,从2维空间加1维时间变成了3维空间加1维时间;而现在宇宙的能量约为0.001特电子伏。

  纽约州立大学布法罗分校和洛约拉马利蒙特大学洛杉矶分校物理学家乔纳斯·穆瑞卡合作,研究了来自太空的宇宙射线粒子族系,发现当能量超过1特电子伏时,能量流动主要呈现为2维平面的样子。这意味着当超过一定能量水平时,粒子是以2维而不是3维的形式传播,宇宙在高能水平时可能以更低维度的形式存在。

  最近,他们还提出了另一种探测低维度是否存在的实验。该实验基于平面化的2维空间加1维时间,在这一时期,万有引力的自由度消失,万有引力波和引力子无法产生。他们认为,将来万有引力波探测仪深入到太空深处时,可能会发现早期的万有引力波在超过一定频率后无法产生,而这一频率代表了维度的转变。向过去追溯,可能会显出空间的一个维度“消失了”。

  尽管要检测到1维空间加1维时间的存在很难,但不是没可能。研究人员认为,如果从2维到1维的转变尺度是10特电子伏的话,这还在LHC(大型强子对撞机)和宇宙射线实验的能力范围之内。

  对于宇宙学家来说,高能低维有很多优势。比如在2维空间加1维时间和1维空间加1维时间中的量子万有引力模型能克服在3维空间加1维时间中的一些困扰,减少时空维数还能解决宇宙常数的问题,此时宇宙常数能适应观察者而不用去配合理论推算。甚至还有一种可能,就是存在某种能量隐藏在目前这个折叠的3维空间加1维时间之间,未来宇宙能量水平降低到另一个转折点,4维空间加1维时间可能出现。