物理学家提出新理论支持循环宇宙模型

2011-7-18 11:04 来源: 新浪科技
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我们的宇宙正处于加速膨胀过程之中,现在理论物理学家进一步提出,这种膨胀速率可能将达到非常极端的程度,甚至将导致亚原子粒子被撕裂,形成所谓的“大撕裂”。(图像版权:NASA)


  这是在暗能量作用下,宇宙未来的三种命运走向,即其密度随着时间推移降低,维持不变,或者增加。

  北京时间7月15日消息,据物理学家组织网站报道,根据现有的宇宙学观测结果和理论,我们所能观测到的“可见物质”仅仅占据宇宙质量的很小一部 分,占据主导地位的是暗能量。而在这种神秘物质诸多让人困惑的性质之中,有一条是它们的密度似乎是不随时间改变的。这就意味着,即便宇宙随时间推移不断膨 胀,暗能量将不会随之被稀释。这一点和普通物质存在重大的差异。

  也就是说,随着宇宙膨胀,暗能量似乎会从真空中“无中生有”般不断被“创造”出来,填补宇宙膨胀后留下的空挡并维持暗能量总体密度的不变。因此很明显可以看到随着时间推移,暗能量将在宇宙中占据更加主导的位置,而现在它已经占据了全宇宙质量的73%。

  对此的一种最简单的解释或许是认为暗能量其实是时空的一种固有属性,因此当宇宙膨胀,时空增加,暗能量便同样随之产生出来,从而维持其密度不 变。这还是可以接受的,因为我们必须认为暗能量这个名字是具有误导性的,它并非是一种真正的“能量”,否则我们赖以为科学基石的热力学三大定律就失效了。

  有一种最简单的理论来解释宇宙呈现的均匀膨胀,那就是假设暗能量具有负压力,这其实也是膨胀的固有属性。

  从实际观测数据上来看,宇宙呈现明显的平直性,这意味着暗能量的压力和密度比约为1,或者更准确的说,是-1,因为这里讨论的是负压力。这种关系被称为暗能量的状态方程。

  对于宇宙的未来命运,一种简单的解决方法就是假定暗能量的性质将保持不变,并且其压力/密度比同样保持-1的水平。

  但是如果这个比值会出现变化呢?比如不再是-1了呢?如果出现这样的变化,情况就会有很大的不同。

  如果暗能量的密度随时间降低,宇宙的膨胀速率将出现下降,如果其压力/密度比达到-1/3,那么宇宙的膨胀甚至会出现停滞。反过来,假如暗能量密度增长,随之其压力/密度比达到-1下方,如-2或-3,则会出现幽灵能量模型(phantom energy scenario)所描述的情形。不过这里要指出的是,幽灵能量的概念目前仅仅存在于理论推算中,是一种假设。

  但不管怎样,我们就先假设随着宇宙的膨胀,一切遵循幽灵能量模型进展,暗能量密度上升,那么它就有可能使宇宙尺度在有限的时间内膨胀至无限大,物质连接物,原子和分子等基本粒子,甚至亚原子粒子都将被撕裂,出现所谓的“大撕裂”(Big Rip)。当暗能量的压力/密度比达到-1.5,这种情形将在短短220亿年内发生。

  物理学家弗兰普顿(Frampton)等人提出了一种与此不同的替代方案,称为“小撕裂模型”(Little Rip scenario)。在这一模型中,他们假设这种压力/密度比将随着时间变动,物质的链接,基本粒子也同样会被撕裂,但是其中的不同点在于他们限定这种比率的变动将不会导致宇宙尺度达到无限。

  这一模型支持循环宇宙模型,因为它可以解决熵的问题。在传统的大爆炸-大反冲循环宇宙模型中会面临一个熵的悖论问题。因为随着所有物质都在引力作用下相互结合,宇宙中将不再残留自由能,那么最后你在大反冲的最终阶段仅仅能得到一个巨型黑洞而已,循环缺乏动力。

  而“小撕裂模型”给了这一理论一条出路:既然所有的物质都被撕裂了,那么它们还能再次聚合在一起,形成新的恒星和星系,循环往复。