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为什么物理学家会认为我们所处的时空隐藏着一个“镜像宇宙”?

新浪科技2020-07-07 10:04:370阅
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更早些时候,宇宙形成我们所能看到最古老的事物——宇宙微波背景辐射(CMB),它是在宇宙大爆炸37万年后形成的,当时宇宙从一种炽热、不透明的等离子体中冷却下来。

新浪科技讯 北京时间7月7日消息,据国外媒体报道,如果颠倒时空会发生什么?是否隐藏着一个“镜像宇宙”?

之前许多报道称,美国宇航局发现了来自另一个平行宇宙的粒子,在这个平行宇宙中存在时间倒流。事实上,这些观点是不正确的,真实的故事更令人兴奋和惊异,包括:一个神秘历程从大爆炸进入再从另一端进来,犹如一个镜像宇宙。

2018年一篇研究报告表示,我们的宇宙可能在时空上存在镜面反射,存在超越大爆炸的一个宇宙伙伴。如果是这样的话,就可能解释一个神秘信号,暗示一种全新粒子正在从南极洲冰层破冰而出。

事实上,美国宇航局发现平行宇宙的观点似乎是凭空捏造,是由英国小报《每日星报》首次发布的。

“宇宙镜像”

为了理解《每日星报》如何得出这一怪异理论,有必要先了解2018年两项研究报告的观点。

第一项研究报告是由加拿大艾伯塔省圆周研究所物理学家莱瑟姆·博伊尔(Latham Boyle)和同事发表的,他们提出了一个镜像宇宙概念,我们的宇宙在时空上存在镜面反射。该报告发表在2018年12月出版的《物理评论快报》杂志上。

第二项研究报告合著作者、美国夏威夷大学天体物理学家约翰·勒尼德(John Learned)称,我认为没有人能完全理解宇宙镜像的构成。据悉,勒尼德是博伊尔理论的创建者。

博伊尔的研究工作旨在填补该理论的漏洞,使用蓝姆达冷暗物质理论(ΛCDM)揭晓宇宙起源之谜。ΛCDM基于两个关键因素解释宇宙如何形成:一是未知暗能量会导致宇宙膨胀,将膨胀的时间回溯至足够远的区域,整个宇宙占据了空间的某一个点;二是一种无形暗物质通过引力牵引宇宙中的物质,但它并不发光,该观点认为暗物质占据宇宙质量的绝大部分。

勒尼德说:“ΛCDM理论在很多情况下都非常有效,但在建模过程中出现一些令人不安的结果。”

例如:对宇宙膨胀的测量并不会随着时间的推移而改变,因此基于早期宇宙数据的测量结果与使用现代宇宙数据的测量结果并不一致。此外,ΛCDM理论无法解释为什么宇宙物质会存在,因为该理论预言宇宙大爆炸之后物质和反物质会以相等比率存在和相互湮灭。

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博伊尔研究小组认为,可以将今天的宇宙想象成为一个宽而平的圆形结构,位于昨天稍小的圆形结构之上,而昨天的圆形结构则位于前天更小的圆形结构之上。

博伊尔研究小组认为,可以将今天的宇宙想象成为一个宽而平的圆形结构,位于昨天稍小的圆形结构之上,而昨天的圆形结构则位于前天更小的圆形结构之上。

当天文学家深入观察太空时,实际上是追溯过去,迄今我们所能看到最遥远的星系是GN-z11,其存在已有134亿年,或者是大爆炸之后4亿年。

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当天文学家深入观察太空时,实际上是追溯过去,迄今我们所能看到最遥远的星系是GN-z11,其存在已有134亿年,或者是大爆炸之后4亿年。

在此之前,宇宙拥有一个持续数百万年的“黑暗时代”,该时期我们看不到任何足够明亮的物质。更早些时候,宇宙形成我们所能看到最古老的事物——宇宙微波背景辐射(CMB),它是在宇宙大爆炸37万年后形成的,当时宇宙从一种炽热、不透明的等离子体中冷却下来。

望远镜无法观测宇宙微波背景辐射之前的任何事物,博伊尔称,像这样追溯宇宙时空,就像透过“宇宙锥体”向下观测。

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望远镜无法观测宇宙微波背景辐射之前的任何事物,博伊尔称,像这样追溯宇宙时空,就像透过“宇宙锥体”向下观测。

从这个角度来看,ΛCDM理论聚焦于隐藏在宇宙微波背景辐射的一个单点,博伊尔理论观察了微波背景辐射在不同时间形成的不透明墙,并对微波背景辐射获得不同的结论。

博伊尔指出,标准观点认为宇宙微波背景下炽热稠密时期(从我们在宇宙锥体上的有利位置来看)或多或少是一个“大混乱时期”。在ΛCDM理论宇宙学中,这是被称为“膨胀纪元”的加速宇宙膨胀时期,该理论认为,当时的宇宙处于一片混沌之中。

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标准观点认为宇宙微波背景下炽热稠密时期(从我们在宇宙锥体上的有利位置来看)或多或少是一个“大混乱时期”。

但宇宙微波背景辐射并不混乱,其结构较简单,依据ΛCDM理论,在混乱状态消失之后,将出现一个强烈压扁过程。博伊尔称,我们迫切探索一种更简单的宇宙图像,在这种宇宙图像中,你可以更注重证据的表面价值。虽然我们无法看到大爆炸的全过程,但我们能够非常近距离地观测,使该过程变得超级简单,如果我们仅注重这些观测结果的表面价值会怎样呢?

他指出,从时空角度来看,在宇宙微波背景辐射之后仍可能隐藏着一个大爆炸事件,这就像一个宇宙镜像,但它比爱因斯坦引力论中出现的大多数奇点要简单得多,这是一种非常特殊的超简单奇点类型,你可以通过奇点追踪(控制时空的方程式)来解决。

然而,相应的观测数据并不比宇宙微波背景辐射更早,正常的宇宙学模型的预测时间更早一些,但仍趋向于在大爆炸时停止,在博伊尔的理论方案中却并非如此。

博伊尔说:“你会发现该理论的推断和延伸,伴随着研究分析继续进行,物理学家会说宇宙是一个双锥体,很可能在时空上存在第二个宇宙,从大爆炸之后一直延续下来。这似乎是我们所看到的宇宙最自然、最简单的延伸。”

第二锥体中的宇宙在太空中过于纵深,我们无法观测,时空似乎从我们的参照系回溯,在这个宇宙镜像中,时间从大爆炸中流逝,就像我们的宇宙一样。宇宙镜像中的“远离大爆炸”与我们宇宙的时间方向相反,但它并不像我们想象的“时间倒退”。

“零粒子状态”

博伊尔称,当前我们并没有反射宇宙存在的证据,然而一旦发现相关的证据,你就会发现这个宇宙存在一个额外的对称性,这是你只看宇宙锥体上半部分时无法观测到的,对称性敲响了物理学家的警钟,暗示着宇宙存在更深层的真理。

而这种宇宙双锥体可以帮助物理学家解释困扰他们多年的宇宙对称裂缝谜团,宇宙对称问题也被称为“电荷、宇称和时间对称状态(CPT)”,勒尼德说:“人们通常认为这种宇宙对称性是不可避免的。”

最终在1956年,哥伦比亚大学物理学家吴建雄(音译)带领一项实验证明了CPT对称不是绝对的。吴建雄的实验表明,CPT对称状态中的“电荷对称”是不完美的,进一步实验显示,一些粒子会同时破坏电荷平衡和宇称平衡。但是尽管CPT对称被打碎了,大多数物理学家认为CPT对称在普通情况下仍然存在,而且还没有发现粒子能够同时打破这三种要素,但在粒子层面,宇宙呈现出CPT对称性。

但是ΛCDM宇宙理论模型自身缺少CPT对称性,这与时空曲率和奇特量子真空有关,博伊尔将这种宇宙特征称为“零粒子状态”,当宇宙清空粒子时的空间属性并不确定,宇宙CPT对称性遭到破坏。

博伊尔称,他的理论模型保留了宇宙CPT对称性,在时空上添加了第二个锥体,同时,零粒子状态处于不确定性,从而实现宇宙CPT对称性修复。此时需要看上去似乎宇宙违背了CPT对称性,但实际上我们并没有看到宇宙全局,如果宇宙真的存在CPT对称,就真实包含两个时空锥,而不是一个,这对物理学的其他部分意味着什么呢?

“NASA科学家”真实探测的真相

宇宙CPT对称性的最实际结果是对暗物质的一个简单解释,关于无形宇宙物质的流行理论依赖于未被探测的第四种中微子,它们通常被称为惰性中微子。博伊尔的CPT对称性似乎指明这个方向,目前已知三种中微子类型:电子中微子、介子中微子和tau中微子,它们都是“左撇子”,这意味着它们在没有右撇子配对的情况下飞来飞去。标准模型假设称,与其他粒子不同的是,中微子没有这样的伙伴,但是CPT对称的宇宙结构不同意这种观点。

博伊尔和同事发现他们的宇宙学理论意味着在标准模型中存在对称结构,也就是说每一个左撇子中微子的存在,就意味着存在一个右撇子中微子,它们之间是对称镜像存在的。但是与左夸克和右夸克不同的是,左撇子和右撇子中微子不会粘合在一起。相反,右撇子中微子在宇宙早期就已消失,人们无法探测到它们。

博伊尔称,目前还不清楚这三种已知中微子中哪一种存在匹配对称,但它们存在一种特殊的能量特征——480皮电子伏(PeV),这是一种粒子质量的测量值。而480PeV中微子或将解释宇宙中缺失的暗物质。

关于CPT对称宇宙如何产生480PeV的细节非常棘手,勒尼德称,除了博伊尔和他的研究团队之外,几乎没有物理学家了解这些中微子,但博伊尔并不是疯子,他们是该领域值得尊敬的领军人物,他们知道自己在做什么。

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研究人员准备发射“南极脉冲瞬变天线(ANITA)”实验,该实验利用南极上空气球接收看似不可能存在的粒子信号。

40年前,南极上空的粒子探测器发现一些物理学无法解释的现象,南极脉冲瞬变天线(ANITA)两次捕捉到高能粒子的信号,这些粒子似乎直接从南极冰层中射出。

像这样的高能粒子是不应该存在的,所有已知标准模型粒子都不应该出现在地球上空,并以如此高的能量爆发出来,但南极脉冲瞬变天线探测到该现象。2020年6月,主流解释理论认为,南极脉冲瞬变天线探测到了惰性中微子。曾参与该项目的勒尼德发现480皮电子伏(PeV)与南极脉冲瞬变天线的勘测结果非常吻合。

如果这些高能粒子真的来自太空,之后穿过地球产生这种异常现象,那么它们一定是在南极表面之下发生衰变,形成大量较轻的微粒,从而使南极脉冲瞬变天线探测到高能粒子从冰中冒出来。博伊尔的480皮电子伏暗物质中微子正好可以解释南极脉冲瞬变天线衰变神秘粒子的质量范围。

勒尼德和其他研究人员组成的研究团队制定了一个方案,在该方案中,480皮电子伏暗物质中微子可以实现该目标,他们在2018年发表的论文《ANITA事件可作为CPT对称宇宙的证据》中阐述了这个方案。

如果ANITA粒子真的符合博伊尔的假设方案,那么双锥宇宙理论就是成立的,但是该假设方案仍是一个大胆推测,他们必须解决最重要的问题是:如何使粒子足够接近南极洲。模型显示,像480皮电子伏等级的中微子暗物质撞击地球后,会落在地球中心位置,没有足够的区域使ANITA粒子出现异常。

研究人员认为,或许是近期与一个巨大、无形的暗物质圆盘相遇,搅动了地球上480皮电子伏等级的中微子,导致一些中微子在地球表面附近徘徊。(叶倾城)

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