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北卡罗拉纳大学杰克•吴:挑战时空量子泡沫理论 我们的宇宙很光滑
北卡罗拉纳大学杰克•吴:挑战时空量子泡沫理论 我们的宇宙很光滑
2015/6/13 0:30:29 | 浏览:979 | 评论:0

[摘要]量子力学“时空泡沫”理论认为时空不是光滑的,呈不稳定的泡沫状。而最近科学家使用多个望远镜观测遥远类星体发现,时空泡沫理论并不完全适用。

北卡罗拉纳大学杰克•吴:挑战时空量子泡沫理论 我们的宇宙很光滑

时空泡沫:在微小尺度上时空呈现泡沫状,并且非常不稳定。

为了更深入地了解时空的本质,一个科学家小组观察了遥远宇宙天体的X射线和伽马射线。他们的研究结果为当前认识的量子本质——即在非常微观的尺度上呈现“泡沫”状设定了限制。

这项研究的数据来自于多个望远镜,包括美国宇航局钱德拉X射线望远镜、费米伽马射线空间望远镜、地基甚高能辐射成像望远镜阵。在可测的长度尺度和时间尺度上,时空——即三维空间与时间的叠加——呈现出光滑性和无结构性。

然而,这却与量子力学的某些方面不相符。为了解释原子和亚原子粒子的物理性质,科学家们建立了高度完美的量子力学理论。在目前的理论中科学家认为时空不是光滑的,相反,它的本质是不稳定的泡沫状,由很多不断变化的小区域构成,在这些区域中空间和时间不再受限定,而是不断波动的。

“为了描述时空泡沫,你可以假想正在乘坐飞机从海洋上方飞过。海洋看上去是完全光滑的,然而当飞机飞得足够低时你可以看到海浪,再继续低时你可以看到不断波动的微小泡沫。”佛罗里达科学研究院的埃里克•珀尔曼说,“更进一步说,这些泡沫如此之小甚至达到了原子级别,而我们则试图从非常高的飞机上观察它们。”

据估计,时空泡沫的尺度是氢原子核直径的亿分之一,因此难以直接探测得到。然而,如果时空的结构是泡沫状的,那么距离的精确测量将变得受限,因为光线所经过的大量量子泡沫的规模会波动变化。当光线经过大尺度宇宙距离时,无论采用那种时空模型,距离测量的不确定性都将以不同的速度累积。

研究人员通过观察遥远类星体的X射线和伽马射线来检验时空泡沫模型。发表该研究的论文作者预测当光线传播数十亿光年时,累计产生的距离不确定性将大大降低图片质量,导致目标物体不可观测。根据不同的时空模型,图像在某个特定波长下呈现不可观测性。

钱德拉X射线望远镜在数十亿光年之外探测到类星体,这排除了一种模型——根据这种模型,光子在时空泡沫中随机扩散,就像光线在雾中漫射一样。费米伽马射线望远镜在较短的伽马波长探测到了类星体,地基甚高能辐射成像望远镜阵在更短波长也探测到类星体,这都排除了另一个模型——全息模型。

“我们观测的数据排除了与时空泡沫理论相关的两个不同模型,”北卡罗拉纳大学教堂山分校的杰克•吴说,“因此我们得出结论,认为时空并不像之前预料的那么地泡沫化。”X射线和伽马射线的数据显示,时空在氢原子核千分之一的尺度上就变得光滑起来。

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