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“原初标准时钟”有望揭示时空起源真相

理论学家提出揭示宇宙起源的新方案

王一 发表于  2016-01-29 16:05

最新研究表明,原初宇宙中重粒子的振荡可以被用来作为标准时钟,以此揭示宇宙大爆炸的起源。图片来源:王一、陈新刚

(Christine Pulliam 撰文,王一 编译)宇宙是怎样起源的?大爆炸前又发生了什么?自从发现宇宙正在膨胀以来,科学家一直在寻找这些问题的答案。可是秘密隐藏在宇宙的深处,就算用最先进的天文望远镜,发现它们也不是一件易事。尽管如此,经过不懈的努力,宇宙原初时的秘密开始逐渐展示在我们面前。最近,理论学家提出一个新的方案,希望通过天文观测来决定,在关于时空起源的不同理论中,哪一个才是正确的。

关于宇宙的起源,最流行的理论是暴胀理论。在这个理论里,原初宇宙在最早的一瞬间以指数增长的速率膨胀着。但是,理论学家也提出了一些完全不同的理论模型。在有些理论中,原初宇宙一开始是收缩的,经过反弹后才进入大爆炸阶段。决定哪一个理论正确的关键在于实验证据。

关于宇宙起源的一个非常宝贵的实验数据来源是“宇宙微波背景辐射“(CMB) —— 这些从大爆炸中遗留下来的辉光充满着整个空间。这些辉光粗看起来是均匀分布的,但是高精度的测量揭示出其中许多细微的空间变化。这些空间变化起源于原初宇宙中的量子涨落,随着宇宙的膨胀,这些量子涨落被拉扯到现在的宏观尺度。

根据鉴别不同理论的常规方案,科学家正在CMB中努力寻找原初宇宙留下的引力波痕迹。“这里我们提出一个新的方案,它可以允许我们从天体物理信号里直接揭示出原初宇宙演化的历史。不同的历史对应不同的原初宇宙理论,”研究合作者、美国哈佛-史密松天体物理中心和德克萨斯大学达拉斯分校的陈新刚(Xingang Chen)这样说道。

现有的实验和理论研究提供了许多关于原初宇宙空间变化的信息,但是对于另一个关键的因素——时间演化的信息——我们一无所知。没有一个滴答作响的时钟测量原初宇宙中时间的流逝,我们无法确认宇宙演化的历史。

“设想你取出电影里的每一帧画面并将它们随机叠在一起。如果这些画面没有任何时间标记,你就无法将它们按时间顺序排列。原初宇宙是收缩的还是膨胀的?如果你不知道这电影是应该向前还是向后播放,你无法看出其中的区别,”陈新刚解释道。

新的研究结果表明,这样的“时钟”确实存在,它可以被用来记录宇宙诞生初期时间的流逝。这些时钟以很多重粒子的方式存在着。在统一量子力学和广义相对论的“终极理论”中,这样的重粒子比比皆是。它们被称作“原初标准时钟”。

这些亚原子大小的重粒子就像钟摆一样,有规律地来回振荡着。这种振荡甚至不需要任何原始的动力,而是可以直接起源于量子涨落。这些滴答作响的时钟将时间的标记加入到前面提到的电影画面里。

“滴答摇摆的原初标准时钟会在宇宙微波背景辐射中诱发相应的振荡模式。不同的模式对应不同的原初宇宙理论,”研究合作者、香港科技大学的王一这样说道。

虽然现有的数据还没有精确到能看到这些细小的变化,正在进行的很多实验将提供相当可观的前景。哈佛-史密松天体物理中心的项目,BICEP3和凯克阵列(Keck Array),以及国际上大量其它相关的实验,将在寻找引力波痕迹的同时收集到高精度的CMB数据。如果原初标准时钟产生的振荡模式信号足够强的话,在10年内就会被发现。证据也可能从其他不同类型的实验中产生,这些实验测量宇宙在大尺度上的结构分布,这些结构大到星系,小到氢原子。

另外,因为原初标准时钟是“终极理论”的一部分,它的发现也将突破现有粒子物理模型的框架,它所能达到的能量也是地面加速器可望而不可及的。

这一研究成果的细节,将发表在《宇宙学和天体物理学学刊》(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)上。(编辑:Steed

编译来源

哈佛-史密松天体物理中心官网,Theorists Propose a New Method to Probe the Beginning of the Universe

热门评论

  • 2016-01-29 23:24 Metaverse 录音爱好者,万有青年养成计划入围选手

    原初标准时钟……这好像暗示整个宇宙有一个普适的绝对时标,这跟相对论没有绝对时间的论断是不是有矛盾。。。

    [11] 评论
  • 2016-01-30 20:24 梦游侠

    看完了,依旧是一塌糊涂,文章到底说了啥?

    来自 果壳的壳
    [10] 评论

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全部评论(16)
  • 1楼
    2016-01-29 16:32 金汞齐

    [0] 评论
  • 2楼
    2016-01-29 19:11 国产零零七

    理论学家提出了能够在宇宙早期标示出时间流逝的“原初标准时钟”。如果未来的天文观测能够找到它们留下的信号,或许就能够判断有关时空起源的诸多理论中,哪一种才是正确的。

    ==

    [1] 评论
  • 3楼
    2016-01-29 19:56 天降龙虾

    这“终极理论”是超弦理论么????

    [1] 评论
  • 4楼
    2016-01-29 22:02 godisnothing

    我感觉我的世界观又要更新了

    [2] 评论
  • 5楼
    2016-01-29 22:53 反向延长线.

    时间的箭头指向…

    来自

    果壳的核
    [0] 评论
  • 6楼
    2016-01-29 23:24 Metaverse 录音爱好者,万有青年养成计划入围选手

    原初标准时钟……这好像暗示整个宇宙有一个普适的绝对时标,这跟相对论没有绝对时间的论断是不是有矛盾。。。

    [11] 评论
  • 7楼
    2016-01-30 17:16 qufuliao

    坐等

    [0] 评论
  • 8楼
    2016-01-30 20:24 梦游侠

    看完了,依旧是一塌糊涂,文章到底说了啥?

    来自 果壳的壳
    [10] 评论
  • 9楼
    2016-01-31 01:10 af52
    引用@Metaverse 的话:原初标准时钟……这好像暗示整个宇宙有一个普适的绝对时标,这跟相对论没有绝对时间的论断是不是有矛盾。。。

    再仔细看看,类似CMB,并不矛盾。

    [0] 评论
  • 10楼
    2016-01-31 11:54 大头米少

    鸽子比较大。只知道这个科学界可能出现的Big Bang会挑战现在最流行的Big Bang理论

    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 11楼
    2016-01-31 12:56 Metaverse 录音爱好者,万有青年养成计划入围选手
    引用@af52 的话:再仔细看看,类似CMB,并不矛盾。

    意思是原点只有一个,但从原点出发的不同坐标的时间线有无限条,各自的流逝速度依旧不一样,是这样吧?

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  • 12楼
    2016-01-31 14:18 Nautiloidea
    引用@Metaverse 的话:原初标准时钟……这好像暗示整个宇宙有一个普适的绝对时标,这跟相对论没有绝对时间的论断是不是有矛盾。。。

    一百个物理学家就有一百种物理学

    [0] 评论
  • 13楼
    2016-01-31 16:22 喜欢新玩意儿_28941
    引用文章内容:没有一个滴答作响的时钟测量原初宇宙中时间的流逝,我们无法确认宇宙演化的历史。

    这里是不是物理概念方面有点不清楚?“时钟概念”与“时间概念”貌似不相同吧?

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  • 14楼
    2016-01-31 22:52 牙丸阿不思

    物理学越来越反科学了

    [0] 评论
  • 15楼
    2016-02-01 14:17 xyuzhang

    字都认识,连在一起就不懂了

    [0] 评论
  • 16楼
    2016-02-09 15:11 学无所成的学与术

    假如是宇宙在扩大,那我们如何形容那个情况,这么说对吗:是由于热辐射还是星体之间的斥力?

    [0] 评论

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王一
王一 香港科技大学物理系助理教授,本文所述研究的合作者之一

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