美刊:看不見的鏡像世界讓宇宙擴張?

2022年06月23日18:20

參考消息網6月23日報導 據美國《大眾機械》月刊網站6月1日報導,一些科學家說,一個看不見的鏡像世界可能在讓我們的宇宙擴張。

報導說,我們的宇宙有些奇怪之處。天體物理學家一直在努力弄明白,為什麼一個有助於解釋宇宙自誕生以來的擴張過程的基本數字不像人們曾經認為的那麼可靠。這些年來,我們的數據收集儀器,包括地面和太空望遠鏡,一直在改進。

它們不斷提高的精確度揭示出的問題是,哈勃常數———宇宙擴張的預測速度———會根據所用的測量方法而發生變化。這一點令人不安的原因是,它意味著,宇宙可能比我們現在認為的要小,這會改變我們對宇宙的大部分認知。

在瑞士林塔爾地區群山之間觀察到的銀河系。新華社/歐新社
在瑞士林塔爾地區群山之間觀察到的銀河系。新華社/歐新社

但我們不必徹底放棄當前的宇宙模型。可能存在一個與我們自己的宇宙相似的鏡像宇宙,它正在對我們施加無形的影響。美國新墨西哥大學的弗朗西斯-揚·西爾-拉辛正試圖利用鏡像宇宙的概念來調和哈勃常數的不同數值。這個鏡像宇宙與我們的宇宙是一樣的,甚至在亞原子粒子層面都是一樣的,但它與我們的世界互動的唯一方式是通過其引力施加影響。西爾-拉辛有關可能存在一個鏡像宇宙的研究論文最近發表在美國《物理評論快報》週刊上。

很神奇的哈勃常數

哈勃常數是一個用於精確估算宇宙年齡的趁手工具。自大爆炸創造出我們所知道的宇宙以來,最初爆炸的能量和物質一直在向外擴張。而且,根據以恒星和星係為對象的一系列觀測結果,擴張速度在加快。這就是為什麼哈勃常數並非真正的常數。這個叫法更多地是指,宇宙在每個點以同一速度擴張,因此在任何給定時刻,宇宙中任何地方的擴張速度都是同樣的值。然而,這個速度本身在加快,因此哈勃常數會隨著時間的推移發生變化。

試圖瞭解宇宙發展進程的宇宙學家們用不同方式推導出哈勃常數:他們測量附近天體的運行速度;研究中子星或黑洞之間的相互作用產生的引力波;分析宇宙微波背景(CMB)輻射的量。CMB是一種自大爆炸以來充滿宇宙的電磁輻射。

科學家利用美國國家航空航天局超級精確的威爾金森微波各向異性探測器等射電望遠鏡尋找這種古老的輻射。威爾金森微波各向異性探測器非常精確,它不僅幫助確定了宇宙的年齡,還取得了許多驚人的發現,包括宇宙中所有原子的密度和首批恒星開始發光的時間。

從直覺上說,不管使用何種測量方法,哈勃常數應該是一樣的,但奇怪的是,情況並非如此。例如,通過測量遙遠超新星發出的光得出的數值就略低於通過分析CMB得出的值。

隨著時間的推移,不同的哈勃常數值慢慢向彼此靠攏,因為科學測量結果變得更精確———但數值之間仍存在令人費解的差距。經過校準的超新星數據顯示,哈勃常數比科學家之前認為的高8%左右。西爾-拉辛說:“超新星數據告訴我們,宇宙應該比CMB(數據告訴我們的)小21.5%左右。”他還說,這個差距在統計學上大到足夠讓我們問問其中的原因。

微妙且強大的影響

恒星和超新星等天體的觀測結果表明,宇宙正在以越來越快的速度擴張。是不是在極遙遠天體上觀測到的擴張速度較慢的現象導致錯誤估算了哈勃常數?但這不大可能。西爾-拉辛說,也不能怪罪測量設備和手段,因為它們現在都非常精確。

鏡像世界的概念可以追溯到20世紀70年代。當時,俄羅斯物理學家安德烈·薩哈囉夫最先思考了以下問題:是否可能存在一個時間運動方向與我們的宇宙相反的宇宙。現在,這或許可以用於解釋哈勃常數問題。西爾-拉辛說,儘管聽起來令人難以置信,但鏡像宇宙的概念可以解答粒子物理學中的這個重要問題。

鏡像世界的存在意味著,它擁有自己的力,比如引力。就像風吹動樹葉使其沙沙作響一樣,鏡像世界可能會攪動我們的整個世界———以一種無形的方式。此外,鏡像世界的存在可以使我們自己的宇宙以更快的速度擴張,同時幾乎不會改變其他關於我們自己的宇宙如何運轉的經過精確驗證的預測結果,比如宇宙中的電磁輻射量。西爾-拉辛解釋說:“因此,(鏡像世界)的所有粒子和我們世界的粒子一樣,只不過它們並不真正與我們世界的粒子直接互動。它們———這兩群粒子———彼此‘相見’的唯一方式是通過引力相互作用。”

西爾-拉辛的想法使得CMB數據與一個較小的宇宙的理論兼容了。需要指出的是,宇宙中的物質越多,所有物體受到引力的影響就越大。在一個擁擠的宇宙中,所有東西都被拉近了,宇宙變得更加緊密。

西爾-拉辛解釋說,在太陽系中也是如此。當太陽系內的物體具有更大質量時,太陽系往往會變得更加緊密。他解釋說:“因此,如果我希望較大的宇宙變小,就意味著需要往裡面添加一些東西;我需要向宇宙里添加物質和能量。”

然而,他說,人不能扮演上帝的角色,直接開始向宇宙中添加正常物質。我們的儀器讓我們對周圍的可見宇宙有了非常清晰的瞭解,我們也知道有多少正常物質,包括星系和恒星。西爾-拉辛說:“因此,需要添加暗物質,這些物質不能與光相互作用。”於是就出現了頗具影響力的鏡像宇宙概念,干擾了我們的哈勃常數。

宇宙美麗的對稱性

宇宙中的物理學定律具有一種美麗的對稱性。如果你讓宇宙變小,那麼恒星、星系、行星和星際物質就必須更緊密地聚在一起。西爾-拉辛說,這會動搖很多已知的物理學知識,包括CMB數據。

粒子物理學家幾十年來一直在思考,如果有一個鏡像宇宙能夠與我們的宇宙相互作用,會出現什麼情況。西爾-拉辛說:“即使在宇宙由正常物質構成的部分,也存在一批我們基本上從未看到的粒子。中微子可能是最好的例子。”

中微子不帶電荷,也幾乎沒有質量,但它們是宇宙中含量最豐富的粒子。西爾-拉辛說:“現在,可能有數十億個來自太空的中微子穿過我所在的這個房間,但我們看不到它們。我們也感覺不到它們。它們與我們的相互作用太小,基本上不會產生什麼影響。這與鏡像世界的情況非常相似。如果有一個鏡像世界的粒子穿過這個房間,我是不會知道的,因為它們與我們的物質的相互作用為零,或者非常、非常小。”

這聽起來有點怪異,但如果西爾-拉辛繼續完善他的鏡像宇宙模型,那麼有朝一日可能會破解哈勃常數值不一致之謎。

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