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时间起源的秘密被发现

时间:2020-03-21 14:40:16 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读
199古生物学家报告说,他们发现了一个扁平龟壳的化石,可能是恐龙“踩”的,它们的脚印直接穿过岩石层。这种罕见的相关化石的发现可能将两个过去的物种追溯到同一时间和地点。

类似于宇宙学家推断宇宙历史的方法。像化石一样,天体不是随机分布在太空中的。更具体地说,星系等物体位置之间的空间相关性讲述了古代历史的详细故事。古生物学家推断恐龙的存在,以便对奇怪的骨骼结构做出合理的解释。今天,我们研究太空中的模型,并推断宇宙的历史来解释它们。

几十年来,宇宙学家所知的一个奇怪模式是,宇宙充满了相互关联的成对物体:早期宇宙地图上看到的成对热点当今宇宙中的银河对或星系团或超星系团;每隔一段时间就有一对。通过移动天空地图上的标尺,你可以看到这些“两点关联”。当一端有物体时,宇宙学家发现这增加了另一端有另一物体的可能性。

对这种相关性的最简单解释是,它们可以追溯到大爆炸开始时空间指数扩大时出现的量子粒子对。早期出现的粒子对移动得最远,在今天的天空中产生了彼此远离的物体对。后来的粒子对分离得更少,现在形成更紧密的物体对。像化石一样,天空中看到的两种相关性编码了时间的流逝——在这种情况下,是时间的开始。

的宇宙学家认为,在宇宙诞生的时候,也应该发生罕见的量子波动,包括三个、四个甚至更多的粒子。这些可能会导致今天天空中物体的更复杂配置:星系的三角形排列、四边形、五边形和其他形状。望远镜还没有发现这些统计上微妙的“高点”关联,但是找到它们将帮助物理学家更好地理解大爆炸后的初始时刻。

然而,直到最近,理论家们才发现计算这些信号的样子是一项挑战。在过去的四年里,一小组研究人员以一种新的方式研究了这个问题。他们发现这种联系形式直接遵循对称性和其他深奥的数学原理物理学家

采用了一种叫做“自助法”的方法这种方法只考虑了数理逻辑和自然规律本身的自洽性,而不是基于经验证据,从而推导出自然规律。研究者运用自助的法律哲学,推导并求解了一个简洁的数学方程,指出了天空中不同原始成分可能导致的相关模式。也许这部作品最引人注目的方面是它对时间本质的暗示在新的指导方程中没有“时间”变量然而,它预测了宇宙中各种大小的三角形、矩形和其他形状,并讲述了量子粒子在时间之初出现和演化的合理故事。

这表明宇宙起源的版本可能是一种幻觉。时间可以被视为一个“涌现”的维度,一个由宇宙空间相关性产生的全息图,它本身似乎来自基本的对称性简而言之,这种方法可能有助于解释时间为什么开始,为什么结束。1980年,宇宙学家艾伦·格斯思考了一系列宇宙学特征,提出大爆炸始于突然的指数膨胀,即所谓的“宇宙膨胀”两年后,许多世界顶级宇宙学家聚集在剑桥,解决新理论的细节问题。在为期三周的拉菲尔德研讨会上,包括格斯、斯蒂芬·霍金和未来的皇家天文学家马丁·里斯在内的一群人拼凑出了时间之初短暂的通货膨胀的影响研讨会结束时,几位与会者分别计算出宇宙膨胀期间的量子抖动可能确实以正确的速度发生并以正确的方式演化,从而导致观测到的宇宙密度变化

为了理解这个过程,我们可以想象驱动宇宙膨胀的假想能量场,即所谓的“膨胀场”“当这个能量场为空间的指数膨胀提供能量时,成对的粒子就会自发地出现在这个能量场中这种配对总是发生在量子场中,暂时借用海森堡测不准原理所允许的能量场通常情况下,波纹会很快消失并返回能量。但这在通胀期间不太可能发生。随着空间的扩大,波纹像太妃糖一样扩散开来,然后被撕开。它们像密度的双峰一样“冻结”在田野里。随着过程的继续,这些峰在所有范围内形成嵌套模式。

扩张结束后(开始后的一瞬间),空间密度的变化仍然存在一项名为宇宙微波背景辐射的古代光研究发现,早期宇宙的密度差约为万分之一——虽然不多,但已经足够了。在接下来的138亿年里,重力将物质拉向致密恒星,从而增强了这种反差:银河系和仙女座星系的密度现在是宇宙平均密度的100万倍。

然后在20世纪80年代和90年代,宇宙学家开始思考在宇宙膨胀期间除了膨胀场之外还可能存在什么其他场,以及这些场如何改变模式。众所周知,膨胀场至少与引力场相互作用。因为在量子力学中,场经常互相渗透,当一对粒子出现在膨胀场中,并被宇宙的膨胀拉开时,偶尔其中一个会自发地被引力场激发,引力场是两个重子这对粒子,以及剩余的膨胀粒子,将继续在空间中分离和冻结,形成一个集中能量的三角形排列。同时,如果一对原始粒子波存在,然后每个粒子衰变成另外两个粒子,这将产生四个关联

,然而,尽管望远镜可以清楚地看到两点之间的相关性,但这三点与较高点之间的相关性预计会较小,因此更难被发现。到目前为止,这些信号一直隐藏在噪音中,尽管在未来的十年里会有几个强大的望远镜在线,并且有机会区分它们。

宇宙学中的化石猎人通过绘制张玉舟地图并在上面移动三角形模板来寻找这些信号对于模板的每个位置和方向,他们测量三个角的宇宙密度并乘以数字如果答案与计算的平均宇宙密度不同,它与三点有关。在测量了天空中特定模板的三点相关强度后,他们用其他尺寸和相对边长的三角形模板、四边形模板等重复了这个过程。作为不同形状和大小的函数的宇宙相关强度的变化被称为“相关函数”,它编码了宇宙诞生期间粒子动力学的丰富信息。

然后在2002年,高级研究所的理论物理学家胡安·马尔达·塞纳成功地计算了由膨胀子和引力子相互作用产生的三点相关模型玛尔达·塞纳的计算开辟了一个新领域。研究人员利用他的技术计算了其他膨胀模型的特征,这些模型假设除了膨胀子和引力子之外,还有其他相关的粒子。

简单对称

2年3月014日,BICEP2望远镜的科学家宣布,他们在宇宙膨胀期间发现了一个以一对引力子为标志的天空涡旋旋涡模式很快被确定为来自银河尘埃,而不是时间开始时的事件,但在崩溃的过程中,许多物理学家开始重新考虑膨胀的问题。

结合他们的专业知识,物理学家们意识到他们可以把宇宙的膨胀看成一个超级强大的粒子对撞机。膨胀场的能量将促进大量粒子对的产生,它们之间的相互作用和衰变将产生更高的相关性,类似于欧洲大型强子对撞机碰撞中产生的粒子级联。

在正常情况下,这种重新定义是没有用的;粒子之间的相互作用可以以无数种方式进行,而预测最可能结果的标准方法是一项困难的任务。然而,粒子物理学家最近发现了一个使用自举程序的捷径。通过使用对称性、逻辑原理和一致性条件,他们通常可以在不考虑复杂粒子动力学的情况下确定最终答案。这些结果表明,粒子物理学的传统图景——粒子在空间和时间中的运动和相互作用——可能不是对正在发生的事情最深刻的描述。一些粒子碰撞的结果非常简单地遵循一个几何体积,即所谓的振幅面。考虑到这些发现,物理学家可以对宇宙膨胀期间的动力学有更简单的理解。他们利用的事实是,根据膨胀宇宙学,指数膨胀的宇宙几乎与“德西特空间”的几何形状完全相同,德西特空间是一个有10个对称的球形空间,或者可以通过变换保持不变。有些对称性我们很熟悉,今天仍然存在。例如,你可以向任何方向移动或转弯,物理定律保持不变。Desit空间也尊重扩展对称性:当您放大或缩小时,所有物理量保持不变或最多按一个常数重新缩放最后,设计空间在“特殊保角变换”下是对称的

他们发现这10个膨胀宇宙的对称性严重限制了膨胀所能产生的宇宙相关性。为了找出宇宙中可能冻结的空间模型,研究人员将德克斯特空间的10个对称性转化为简单的微分方程,并给出了最终答案。在2015年的一篇论文中,他们在非常窄的三角形和四边形的“压缩极限”下解决了这个方程,但是他们不能完全解决它。

他们发现一个特定的四点相关函数是关键,因为一旦他们解了描述这个函数的微分方程,他们就能指导所有其他函数。哈佛大学宇宙学家陈心刚说:“他们基本上已经证明了对称性,只需要一些额外的要求就能告诉你完整的答案。”“

到目前为止,这些计算已经涉及到宇宙膨胀的可能空间模式其他关于宇宙诞生的理论应该有不同的高点特征。在过去的五年里,人们对反弹宇宙学表现出新的兴趣,反弹宇宙学将大爆炸重新定义为前一个时代的大反弹。新的基于对称性的方法可能有助于区分膨胀宇宙和反弹宇宙之间的高度相关性。

时间是从哪里来的

从永恒几何学的角度来看,许多物理学家发现了一种解释,时间一定是突然的——一种我们感知到的变量,它出现在我们对自然的粗糙描述中,但不包括现实的终极法则

这种预感的主要原因是大爆炸

大爆炸是我们知道突然出现的时间。真正理解最初的时刻似乎需要一个耗时的视角。因此,物理学家寻求永恒的数学来创造一个看起来像进化的宇宙。最近的研究给了我们一瞥这是如何工作的。

的物理学家从设计空间的10个对称性开始对于任何给定的展开分量,这些对称性产生一个微分方程方程的解是一个相关函数,解释了每个特定形状的相关强度如何随尺寸、内角和相对边长的函数而变化。为了得到这些表达式并求解这个方程,考虑这个方程的奇异性是很重要的。等式

通常是奇异的。例如,在四边形的两条相邻边互相折叠的限制下,四边形接近三角形的形状。然而,三角形(即三点相关)也可以用作方程的解因此,研究人员要求四点相关函数的“折叠极限”与该极限中的三点相关函数相匹配。该要求选择特定的解决方案作为正确的四点相关函数

此功能正在振荡这种振荡有一个时间上的解释:膨胀场中产生的粒子对相互干扰。当它们这样做时,它们衰减的概率随着它们之间的时间(和距离)而变化。这给他们留下了天空中四种相关的振荡模式。“因为振荡是时间进化的同义词,所以对我来说,它是时间最明显的例子,”现任阿姆斯特丹大学教授的鲍曼说。

在这个例子和其他例子中,时间进化似乎直接来自对称性和奇点

然而,目前,自举方程仍然是一个相当奇怪的数学和物理的混合体。方程中的边长有一个动量单位,而相关函数将不同位置的物理量联系起来。艾哈迈德正在寻找一个更简单、更纯粹的数学几何公式。如果被发现,他可以提供对时间的可能发生和它背后的原理的进一步洞察。例如,对于振幅面描述的粒子相互作用,合理的结果由一个称为正定性的原理保证,该原理定义振幅面的内部体积

回想一下,膨胀的宇宙几乎具有德克斯特空间的几何形状,但并不完全是这样在完美的德西特空间中,时间没有变化,整个向外延伸的几何图形同时存在。随着时间的推移,膨胀场的能量慢慢减少,引起变化,从而打破了时间的对称性。鲍曼认为这是创造宇宙学的必要条件。“根据宇宙学定义,我们想要的是随时间变化的东西,”他说。“在设计空间,没有变化”他把原始宇宙比作水或磁铁这样的系统,非常接近它经历相变的临界点。

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