宇宙起源或将改写?诺奖得主彭罗斯:宇宙在循环,证据已找到

宇宙是循环的?

连续两年诺贝尔物理学奖颁给了天文学相关领域的研究者,上一次是宇宙学和行星天文学,而这回则是颁给了黑洞领域的相关研究者。其中,霍金的师兄罗杰·彭罗斯获得了2020年的诺贝尔物理学奖,这次获奖主要是表彰他从正面解释了奇点存在的可能性,分享了一半的诺贝尔物理学奖的奖金。

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这位新晋的诺贝尔物理学得主最近发表了一篇重量级论文《Apparent evidence for Hawking points in the CMB Sky》,翻译过来就是《微波辐射中存在霍金点的明显证据》。那这篇文章能说明什么呢?

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彭罗斯通过这篇文章得出了一个惊人的结论:宇宙是循环的。实际上,类似的观点在彭罗斯出版的科普书《时间周期:宇宙的非凡新观点》当中就有提到。如果这个结论如果成立,很可能会颠覆现有的宇宙学理论。那具体是咋回事呢?

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宇宙的五个终局

这要从爱因斯坦1915年发表的广义相对论说起,在广义相对论当中有个著名的引力场方程。爱因斯坦发现这个方程预示着宇宙正在发生膨胀。

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这和爱因斯坦的宇宙观是不相符的,因为在爱因斯坦之前,人们普遍相信宇宙是永恒的,不会随着时间的推移而发生大的变化,也就是说,宇宙是没有开端,更不会有结局,它就应该是一直存在着的。于是,爱因斯坦在方程加入了宇宙常数,这个常数只要进行合理的取值,宇宙就可以不发生膨胀。

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当时还有很多人提出反对的意见,他们认为爱因斯坦这样做并不符合科学精神。不仅如此,在接下来的宇宙学发展过程中,爱因斯坦被啪啪打脸,哈勃通过观测发现了宇宙真的在发生膨胀。据说得知这个消息之后,爱因斯坦特别后悔,他认为这是它一生犯过最大的错误。

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后来,宇宙学基于爱因斯坦的广义相对论继续往前发展。最终,标准宇宙模型被提出来,如今这个模型被称为Λ-CDM模型。这里的Λ指的是宇宙学常数,它和暗能量有关,CDM指的是暗物质。这个模型的前身是宇宙大爆炸模型,之所以如今更名,主要是因为未来宇宙的演化主要是暗物质和暗能量来主导,只不过这两种物质都是我们观测不到。但是它们占据了宇宙物质总量的大头,已知的物质只有不到5%。

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暗能量提供的是促使宇宙膨胀的斥力,而暗物质和已知物质一样都是引力。因此,未来宇宙的走向本质上是斥力与引力的博弈。由于科学家没有办法直接观测到暗物质和暗能量,因此想要直接通过研究暗物质和暗能量来推导宇宙的终局很难。

后来,有一位科学家叫做爱德华·哈里森,他想到了利用空间曲率K宇宙常数Λ相互结合来推导宇宙的终局。

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科学家基于爱德华·哈里森的研究,进一步推导得到了宇宙终局的5种假说。这5种假说最终导向哪一种取决于宇宙密度Ω。总的来说,宇宙的死亡分两大类,一类是热死亡,一类是冷死亡。

所谓的热死亡,说的是未来宇宙可能膨胀到一定程度后,会再收缩回去,这也就是大挤压。

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在这种情况下,科学家又推导出了两种可能性。有科学家认为收缩过程中由于能量巨大,很可能会触发第二次大爆炸,这也就是大反弹

于是,科学家就进一步提出,既然会发生大反弹,那可能宇宙就是在无穷无尽的“膨胀-收缩-大反弹”的循环中振荡。

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所谓的冷死亡,是说未来宇宙会继续膨胀下去,最终连原子结构都被撕裂开,这种解决也叫作大撕裂

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在冷死亡中,还有一种假说叫做热寂说,这种假说认为宇宙未来会发生处处温度都相等,不再有热传递,也就没有信息的传递,宇宙陷入一片死寂。

所以,热死亡对应三种宇宙终局,而冷死亡对应两种宇宙终局,加起来一共是5种。

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彭罗斯的“宇宙循环假说”

要了解彭罗斯的假说,我们就得先搞清楚什么是霍金点?

彭罗斯从普朗克卫星的宇宙微波背景辐射途中,找到了大概30个点。彭罗斯认为这30个点是黑洞蒸发之后留下的痕迹。由于黑洞蒸发理论是由霍金提出来的,因此这也被称为霍金点。

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彭罗斯根据共形循环宇宙学模型提出:这些点都携带之前宇宙发生大挤压,黑洞蒸发之后留下来的信息。而且根据彭罗斯使用的共形循环宇宙学模型,彭罗斯认为宇宙不会仅仅大挤压或者大撕裂,而应该是不断地循环,在“膨胀-收缩-大反弹”的循环中振荡。

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彭罗斯vs暴涨理论

客观地说,彭罗斯的理论并没有得到学术圈的广泛认同。这是因为他的理论和如今主流的暴涨理论是相互矛盾。在上世纪80年代,物学家阿兰·古斯提出了著名的暴涨理论,这个理论可以解决标准宇宙模型中宇宙微波背景辐射分布均匀、宇宙平坦和磁单极子等问题。这个理论一经提出就被广泛接受,成为了主流的科学理论。

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不过,彭罗斯并不认同暴涨理论,他认为阿兰·古斯的理论就好比是“缺啥补啥”的填空式的理论。但是彭罗斯自己也没有办法拿出证伪暴涨理论。相反,彭罗斯的理论倒是听起来很离经叛道,如果他的理论能成立,那将会颠覆标准宇宙模型。好在,如今还没有任何强有力的证据可以证明彭罗斯是对的。

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