为了更好地理解宇宙,科学家试图模拟“宇宙”

来源:新浪科技发布时间:2018-03-19

这也许能发现新的物理理论。

为了更好地理解宇宙,科学家试图模拟“宇宙”

据国外媒体报道,科学家希尔珂·魏因富特纳(Silke Weinfurtner)正试图从无到有地创造一个宇宙。在诺丁汉大学的一间物理实验室里,她和同事们将共同研究一枚直径一米的巨型超导磁线圈。线圈内部有一小池液体,液体泛起的微弱涟漪便代表了形成当今宇宙各类结构的物质波动现象。

魏因富特纳并非什么邪恶的天才,打定主意要创造一个由自己主宰的世界。她仅仅想更好地了解现存宇宙的起源。

目前为止,宇宙大爆炸是最为广泛接受的宇宙起源理论,但即使是该理论的支持者,对爆炸发生的具体机制也难下定论。该理论的基础是,宇宙起源时存在一个假象中的量子场,以极快的速度将宇宙朝各个方向延伸,即我们所说的宇宙膨胀。但我们无法直接证实这一量子场是否存在过。正因为如此,魏因富特纳打算在实验室中模拟这一过程。

如果大爆炸理论是正确的,那么早期宇宙便产自微弱的“涟漪”,即所谓的“量子波动”。量子波动随着宇宙膨胀得到拉伸,最终形成了物质、辐射或光。科学家认为,这些波动最终扩大到了宇宙级尺度,播下了星系、恒星和行星的种子。魏因富特纳利用超大超导磁线圈想要模拟的正是这种微弱的涟漪。她在磁线圈内部放置了一个直径6厘米的圆形容器,并注入水和丁醇(这两种液体密度不同,因此会分层、而不会相融)。

接下来,该研究团队将进行人工引力干预。“磁场的强度会随位置变化。”该研究的共同作者之一、理查德·希尔(Richard Hill)指出,“我们将液体移至磁场的不同区域,有效引力便可随之增强或减弱,甚至方向变得完全相反。”

该团队希望通过改变引力、让液体产生涟漪,但与池塘中的涟漪不同,这种涟漪会出现在两种液体之间。“通过仔细调整涟漪的速度,我们便可建立一个膨胀宇宙的模型,”另一名团队成员阿纳斯塔西奥斯·阿弗古斯提蒂斯(Anastasios Avgoustidis)表示。在宇宙膨胀过程中,宇宙体积迅速扩张,物质涟漪以常速向外传播。而在此次实验中,液体体积不变,涟漪的传播速度迅速衰减。“两种情况下,描述涟漪传播速度的等式一模一样。” 阿弗古斯提蒂斯指出。

这一点很重要:如果这种波动似乎能激发与宇宙中类似的结构,我们也许便能对宇宙膨胀的机制多一分了解。

这并非科学家首次尝试模拟小规模的宇宙现象。各国天体物理学家纷纷投身实验室中,研究越来越复杂的实验装置,让声波模拟光波在强引力场中的传播情况,或用磁铁引发液体和气体波动等。

去年六月,魏因富特纳借助一个中间有出水口的大水槽,模拟了另一种难以观测的现象,即黑洞的超辐射。而在1981年,现任职于加拿大不列颠哥伦比亚大学的物理学家威廉·恩拉(William Unruh)最先提出了在实验室中模拟引力的概念。毕竟正如恩拉所说:“我们无法让时间倒流、回到宇宙刚刚形成的时候,就算我们能做到,也没人能活那么久。”

自恩拉的首次实验以来,模拟引力实验变得日益复杂。恩拉当时用液体模拟引力,认为这种“声学黑洞”事件边界对声音的影响就相当于真正的黑洞对光线的影响。换句话说,我们在实验室中的测量与表达结果可以用于探索真正的黑洞特性。就连著名的霍金辐射也可通过这种方法进行研究。霍金辐射是指,黑洞会不断向外辐射热量,最终彻底蒸发。几年前,以色列理工学院的杰夫·施泰因豪尔(Jeff Steinhauer)发现了霍金辐射的声学类似物。

科学家还利用模拟手段研究了宇宙膨胀的其它方面。几年前,由法国国家科学研究中心的克里斯托弗·韦斯特布鲁克(Christoph Westbrook)带领的研究团队通过“扭动”环状玻色·爱因斯坦凝聚态物质,分析了量子粒子的形成过程。在宇宙膨胀过程中,宇宙温度先是急剧下降,膨胀终止后再开始所谓的“重加热”过程,温度重新升高,随即进入正常的大爆炸扩张期。

去年十月,由美国国家标准技术研究所和马里兰大学共同成立的联合量子研究所同样利用玻色·爱因斯坦凝聚态观察了声波的拉伸,这类似于宇宙膨胀时的光线红移现象。该团队由物理学家史蒂芬·埃克尔(Stephen Eckel)带领。除声波拉伸现象外,他们还观察到了类似“重加热”过程的效应。

魏因富特纳表示,她的“全新”装置不需要借助玻色·爱因斯坦凝聚态物质。虽然恩拉认为,这将意味着系统温度过高、无法直接观察到量子波动现象。但该研究作者们指出,他们可以通过系统中的热噪声观察波动,因为热噪声便是量子噪声的类似物。

研究作者们表示,他们的方法能够模拟长期扩张,用专业用语表达,便是能达到“多个e-折时间”(一种用于衡量膨胀时间长短的参数)。研究人员认为,仅仅毫秒之间,宇宙便扩张到了原先的1026倍,或者说超过60个e折。这项新实验若能成功,模拟膨胀的时间将远超此前实验,“足以得出确凿无疑的结论”。纽卡斯尔大学的伊安·莫斯(Ian Moss)表示,“你需要给系统安排一些额外的时间,让系统忘掉原始状态,并充分适应膨胀波动期的状态。”

“他们也许能发现新的物理理论,对今后的宇宙模型有所启发。”埃克尔指出,“或者反过来检验未来宇宙模型的正确性。”

不过,并非所有人都相信,在实验室中模拟宇宙诞生初期的情况有助于发展宇宙学。马里兰大学的泰德·雅各布森(Ted Jacobson)认为,此类实验“无法有效验证我们不确定的理论,而更偏重在实验室中实施和观察。”为什么要在实验室中模拟宇宙呢?“因为这很有趣,而且也许暗含着某些宇宙学新现象。”

但哈佛大学天体物理学家阿维·勒伊布(Avi Loeb)则没有这么乐观。他认为魏因富特纳用两种液体之间的涟漪所做的类比无法扩展到量子波动的“物理本质”,因为该实验仅仅相当于把物理学家用来描述宇宙膨胀的等式重新推导了一遍。假如这些等式缺少了关键一环,该实验也无法发现这一点。“虽然实验室中开展的类比实验能表现出量子力学效应,但无法体现出黑洞和宇宙膨胀所涉及的量子力学与引力间的相互作用。

勒伊布补充道,魏因富特纳的实验是为了重演我们对宇宙膨胀的已有认知而设的,而不是为了对其进行检验。“除非我们在某个系统中出现了计算错误,才能发现实验与已有认知之间存在差别,否则根本无法从实验中学到新东西。”

勒伊布认为,唯有在实验室中创造出了推动宇宙膨胀的物质,才算是真正的检验。但这一做法所需的能量高达目前最强粒子加速器所能达到最高能量的一万亿倍。因此这种实验在短期内似乎无法实现。

“这就像闻闻食物的香味、但并不真的享用美食,”他指出,而只有“后者才具有实际价值。”

的确如此。但有时闻闻从厨房里飘出的香味,你就能猜到今晚吃什么。

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