早期宇宙是否膨胀？镜像宇宙逆向而行或许是一个更简单的解释

Josiah02 · 发表于 2024-10-25 20:09:44

我们生活在一个了解宇宙的黄金时代。我们最强大的望远镜已经揭示，宇宙在最大的可见尺度上出奇地简单。同样，我们最强大的“显微镜”——大型强子对撞机，在最小的尺度上也没有发现任何与已知物理学的偏差。
这些发现并非大多数理论家所预料的。如今，主流理论方法结合了弦理论（一个强大的数学框架，目前还没有成功的物理预测）和“宇宙膨胀” ——宇宙膨胀的早期阶段，宇宙的体积急剧膨胀。弦理论和宇宙膨胀结合起来预测宇宙在微小尺度上极其复杂，在非常大的尺度上完全混乱。
预期的复杂性的性质可能呈现出令人眼花缭乱的各种形式。基于此，尽管缺乏观察证据，许多理论家仍提出了“多元宇宙”的概念：一个不受控制、不可预测的宇宙，由许多宇宙组成，每个宇宙都有完全不同的物理特性和规律。
到目前为止，观测结果恰恰相反。我们应该如何看待这种差异？一种可能性是，宇宙表面上的简单性仅仅是我们今天可以探测的尺度范围有限的偶然结果，当观测和实验达到足够小或足够大的尺度时，所宣称的复杂性就会显现出来。
另一种可能性是，宇宙在最大和最小尺度上都非常简单和可预测。我相信这种可能性应该得到更认真的对待。因为，如果这是真的，我们可能比我们想象的更接近理解宇宙最基本的谜题。而且一些答案可能已经摆在我们面前了。
弦理论和通货膨胀的问题
目前的正统理论是数千名严肃理论家数十年努力的结晶。根据弦理论，宇宙的基本构成要素是微小的振动环和亚原子弦。根据目前的理解，该理论只有在空间维度多于我们所经历的三个维度时才有效。因此，弦理论家认为我们无法探测到它们的原因是它们很小而且卷曲。
不幸的是，这使得弦理论很难检验，因为小维度卷曲的方式几乎多得难以想象，而每一种方式都会在剩下的大维度中产生一组不同的物理定律。
与此同时，宇宙膨胀是20 世纪 80 年代提出的一种假设，用来解释为什么宇宙在我们能看到的最大尺度上如此光滑平坦。这种想法认为，婴儿宇宙很小，而且凹凸不平，但一次极度快速膨胀使它膨胀到巨大的尺寸，使其变得光滑平坦，与我们今天所见的一致。
暴胀理论之所以受欢迎，还因为它有可能解释为什么早期宇宙中能量密度在不同地方略有不同。这一点很重要，因为密度较大的区域后来会在自身引力的作用下坍缩，从而催生出星系。
在过去的三十年里，通过绘制宇宙微波背景（来自大爆炸的辐射）和绘制星系的三维分布，密度变化得到了越来越精确的测量。
在大多数膨胀模型中，早期极端的膨胀爆发使宇宙变得平滑和平坦，同时也产生了长波长的引力波——时空结构的涟漪。如果观测到这种波，那么它将成为证实膨胀确实发生的“确凿证据”。然而，到目前为止，观测未能探测到任何此类信号。相反，随着实验的不断改进，越来越多的膨胀模型被排除在外。
此外，在膨胀期间，太空的不同区域会经历非常不同的膨胀程度。在非常大的尺度上，这会产生一个由膨胀后的宇宙组成的多元宇宙，每个宇宙都有不同的物理特性。
膨胀情景基于对现有能量形式和初始条件的假设。虽然这些假设解决了一些难题，但它们也带来了其他难题。弦论和膨胀理论家希望在广阔的膨胀多元宇宙中的某个地方，存在一个空间和时间区域，其属性恰好与我们所见的宇宙相匹配。
然而，即使这是真的（而且目前还没有找到这样的模型），公平的理论比较应该包括一个“奥卡姆因子”，量化奥卡姆剃刀，它惩罚具有许多参数和可能性的理论，而不是更简单、更具预测性的理论。忽略奥卡姆因子就等于假设除了复杂、不可预测的假设之外没有其他选择——我认为这种说法毫无根据。
在过去的几十年里，有很多实验和观察机会来揭示弦理论或膨胀的具体信号。但什么都没有看到。一次又一次，观察结果比预期的更简单、更微不足道。
我认为，现在是承认这些失败、从中吸取教训并开始认真寻找更好的替代方案的时候了。
更简单的替代方案
最近，我的同事莱瑟姆·博伊尔和我试图建立更简单、更易于测试的理论，以摆脱膨胀和弦理论。根据观察结果，我们试图用最少的理论假设来解决一些最深奥的宇宙谜题。
我们的首次尝试取得了超出我们最乐观的期望的成功。时间将告诉我们它们是否经得起进一步的审查。然而，我们已经取得的进展让我相信，很有可能存在标准正统观念的替代方案——这已经成为我们需要打破的束缚。
我希望我们的经验能鼓励其他人，尤其是年轻的研究人员，在简单观察的指导下探索新方法，并对长辈的先入之见持更怀疑的态度。最终，我们必须向宇宙学习，并让我们的理论适应它，而不是相反。
我和博伊尔首先要解决宇宙学中最大的悖论之一。如果我们利用爱因斯坦的引力理论和已知的物理定律追溯宇宙膨胀的历史，空间就会收缩到一个点，即“初始奇点”。
在试图理解这个密度无限大、温度极高的开端时，包括诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯在内的理论家指出，光和无质量粒子的基本定律中存在着深刻的对称性。这种对称性被称为“共形”对称性，这意味着光和无质量粒子实际上都不会经历大爆炸时空间的收缩。
利用这种对称性，我们可以追溯光和粒子的起源。通过这种方式，波义尔和我发现我们可以将初始奇点描述为“镜子”：时间的反射边界（时间在一侧向前移动，在另一侧向后移动）。
将大爆炸描绘成一面镜子，可以巧妙地解释宇宙的许多特征，否则这些特征可能会与最基本的物理定律相冲突。例如，对于每个物理过程，量子理论都允许一个“镜像”过程，其中空间被反转，时间被逆转，每个粒子都被其反粒子（在几乎所有方面都与其相似，但带有相反电荷的粒子）取代。
根据这种强大的对称性（称为 CPT 对称性），“镜像”过程应以与原始过程完全相同的速率发生。关于宇宙的最基本谜题之一是，它似乎 [违反 CPT 对称性]，因为时间总是向前流逝，而且粒子比反粒子多。
我们的镜像假说恢复了宇宙的对称性。当你照镜子时，你会看到镜子后面的镜像：如果你是左撇子，镜像就是右撇子，反之亦然。你和镜像的组合比你单独时更加对称。
同样，当波义尔和我通过大爆炸推断我们的宇宙时，我们发现了它的镜像，一个大爆炸前的宇宙，其中（相对于我们而言）时间倒流，反粒子数量超过粒子。要使这幅图景真实，我们不需要镜像宇宙在传统意义上是真实的（就像镜子中的图像不是真实的一样）。
量子理论统治着原子和粒子的微观世界，它挑战了我们的直觉，所以在这一点上，我们能做的最好的事情就是将镜像宇宙视为一种数学装置，确保宇宙的初始条件不违反 CPT 对称性。
令人惊讶的是，这张新照片为了解宇宙中一种未知物质——暗物质的本质提供了重要线索。中微子是一种非常轻的幽灵粒子，通常以接近光速的速度移动，并在移动过程中旋转，就像微小的陀螺一样。
如果你用左手拇指指向中微子移动的方向，那么你的四个手指指向的就是中微子旋转的方向。观测到的轻中微子被称为“左手”中微子。
重的“右手中性”中微子从未被直接观测到，但根据轻的左手中性中微子的观测特性，可以推断出它们的存在。稳定的右手中性中微子将是暗物质的完美候选者，因为它们不与除引力之外的任何已知力耦合。在我们开展这项研究之前，人们还不知道它们是如何出现在炎热的早期宇宙中的。
我们的镜像假设使我们能够精确计算出将形成多少个镜像，并表明它们可以解释宇宙暗物质。
随后出现了一个可检验的预测：如果暗物质由稳定的右手中微子组成，那么我们已知的三种轻中微子中必定有一个完全没有质量。值得注意的是，现在正在使用大规模星系调查对物质引力聚集的观测来检验这一预测。
宇宙的熵
受此结果的鼓舞，我们开始着手解决另一个大难题：为什么在可见的最大尺度上，宇宙如此均匀、空间平坦，而不是弯曲？毕竟，宇宙膨胀场景是理论家为解决这个问题而发明的。
熵是一个概念，它量化了物理系统排列方式的数量。例如，如果我们将一些空气分子放入一个盒子中，最有可能的配置是那些使熵最大化的配置——分子或多或少地平滑地分布在空间中，并或多或少平等地分享总能量。这些论点用于统计物理学，该领域是我们理解热量、功和热力学的基础。
已故物理学家斯蒂芬·霍金及其合作者将统计物理学推广到包括引力在内的领域，这是众所周知的。他们使用一个优雅的论证计算出了黑洞的温度和熵。利用我们的“镜像”假设，波义尔和我成功地将他们的论证扩展到宇宙学，并计算出了整个宇宙的熵。
令我们惊讶的是，熵值最高的宇宙（意味着最有可能，就像盒子里散开的原子一样）是平坦的，并以加速的速度膨胀，就像真实的宇宙一样。因此，统计论证解释了为什么宇宙是平坦而光滑的，并且具有较小的正加速膨胀，而不需要宇宙膨胀。
通常归因于膨胀的原始密度变化是如何在我们对称的镜像宇宙中产生的？最近，我们展示了一种特定类型的量子场（零维场）在没有膨胀的情况下产生了我们观察到的密度变化类型。重要的是，这些密度变化并不伴随着膨胀所预测的长波长引力波——而且这种引力波还没有被观测到。
这些结果非常令人鼓舞。但还需要做更多的工作来证明我们的新理论在数学上是合理的，在物理上也是现实的。
即使我们的新理论失败了，它也给了我们一个宝贵的教训。对于宇宙的基本属性，可能存在比标准正统理论更简单、更有力、更易于检验的解释。
通过直面宇宙学的深层谜题，以观察为指导并探索尚未探索的方向，我们或许能够为基础物理学和我们对宇宙的理解奠定更为牢固的基础。

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