有四个空间维度的超 宇宙 ,能够在我们熟知的大爆炸之前就已经存在。我们能够联想,这个四维超 宇宙 充斥着四维 恒星 和四维星系。当高维 恒星 耗尽燃料的时期,就会像我们的三维 恒星 雷同,塌缩成 黑洞 ,而我们这个 宇宙 的一切,包括光阴,或者就始于这个四维 黑洞

撰文 「 尼亚耶什·阿弗肖迪、罗伯特·曼、拉兹·帕哈桑翻译 「 易疏序我们或许正生活在一个巨大的世界穴洞中,这个穴洞在万物之初就涌现了。按照准则说法,世界是由一个密度无限大的点始末大爆炸而爆发的。但通过近来转机的一些盘算处事,我们不妨会将世界的诞生追溯到大爆炸之前的纪元里,那时的空间要比而今的世界空间多出一个维度。即将转机的一些天文观测,不妨会找到这个“原初世界”留住的一些蛛丝马迹。

以往的经验奉告我们,世界有三个空间维度和1个年华维度,我们将这种几何组织界说为“三维空间世界”。

但在我们的新六合模型里,这个三维六合不外是一个四维六合的投影。

分明来说,我们举座 宇宙 诞生于高维 宇宙 中的一次 恒星 塌缩。这回塌缩在四维 宇宙 中爆发了一个四维 黑洞 黑洞 的三维外貌,便是我们生活的 宇宙

我们干嘛要提出这样一个听起来很神怪的理论?这有两个原由。第一,我们的理论并非妙想天开,它有牢固的数学根源,从而可能切确刻画时空。

往日几十年,物理学家发展出了完善的全息理论。他们有一套数学器材,可能将某个维度上的物理过程,转而在另一个维度上描绘。举例来说,二维空间中的流体动力学方程相对单一,研究职员就可能解出方程,并欺诳这些二维解来明白一些更繁杂的编制,比如三维 黑洞 的动力学过程。在数学上来说,这两种描绘是疏导的—人们可能用流体来完美类比难以捉摸的 黑洞

全息理论的成功使许多科学家信赖,它可以是一个深层次、根本性的理论,而不仅仅是一个数学改动那么单一。也许,分别维度之间的鸿沟,并不像我们联想得那么难以逾越;也许,天下基本原理是存在于另一个维度中的,然后被调换到我们看到的这个三维天下中;也许,就像柏拉图寓言中的罪人,平常阅历欺骗了我们,让我们误以为天下是三维的,只有当我们把眼光眼神投向第四个维度时,一切才会豁然开朗。

四维寰宇假说值得关注的另一个原因是,通过严谨地研究四维寰宇,或者没关系补贴我们会意寰宇的实质,回答寰宇起源之谜,譬喻创世的明灭—大爆炸之谜。现代寰宇学认为,在大爆炸之后,寰宇紧接着进入了空间极速伸展的时期—暴胀,在此期间早期寰宇的体积添加了一十倍以上。不过,暴胀学说仍没能回答,是什么导致了大爆炸。相比之下,四维寰宇模子回答了这个最终谜题:寰宇到底从何而来?

大发作:大质量 恒星 爆炸会产生一个 黑洞 以及一团由气体和尘土组成的云,这团云叫超新星遗迹。在高维寰宇中,相仿的发作不妨产生我们的三维寰宇。

已知与未知的天下我们查究四维天下恰是为了解决三维天下中存在的问题。现代天下学已经取得了巨大的胜利,但胜利的光环下,却潜伏着深切而复杂的谜团。对这些谜团的求索,让查究人员料到了全息理论。

天下学家用几个简单的方程和五个单独参数,就能刻画完全天下的史乘—从这日一块儿回溯到大爆炸后的一刹那。这5个单独参数为:遍及物质、暗物质和暗能量各自的相对能量密度,以及早期天下量子涨落的幅度和功率谱。他们用一个准则的天下学模型—Λ 冷暗物质模型,刻画了数百个以致没关系是数千个视察数据点,这些数据围困的空间尺度从百万光年到百亿光年,抵达了可见天下的边缘处所。不外,视察上的成功并不代表我们对天下的考究大功告成了。考究人员猜想的这一天下演化版本,依然有良多令人觉得棘手的罅隙。我们遇到了有关天下本色的最基础底细问题,而且到目前为止,我们仍无法对这些问题做出解答。

问题1:我们并不知道这五个参数让我们来想想寰宇中物质和能量的密度吧。哪怕只是数十年夙昔,天文学家都还信赖,遍及物质是寰宇质量能量的紧要形式。厥后的寰宇学观测彻底颠覆了这个概念。我们当前理解,在寰宇整个能量密度中,遍及物质只占5%,暗物质则占到了25%。暗物质是一种未知的物质形式,科学家议决引力功用推测出了它们的存在。寰宇中剩下的70%是暗能量,遍及物质的引力功用理应让寰宇的膨胀减慢,而暗能量这种诡秘的东西却加速了寰宇的膨胀。暗物质和暗能量是什么?它们何以能占据25%和70%的寰宇身分?这些问题我们不得而知。

假若我们能更好地理解大爆炸,恐怕就能懂得这些问题的谜底了。在一团由光和粒子组成的、温度高达10℃的等离子体中,年华和空间忽然创生。很难联想,在那样一种极端境遇下创生的寰宇,公然会演化成我们今天所看到的这种情状—温度几乎处处无别,在大尺度上具有平直的空间曲率。

暴胀可能是让我们懂得全国大尺度结构的最好假说了。暴胀能“拉直”全国,抹常日空的屈曲部分,让全国的温度变得平均。就像全国放大镜类似,暴胀也把全国初期微小的能量密度量子涨落放大到全国学尺度。这些涨落终极造成大尺度结构的种子,也即是星系、 恒星 、行星和包含我们在内的生命的种子。

暴胀学说是一个被广大选用的胜利理论。数十年来,天地学家议定视察天地微波背景辐射来检查暴胀学说的百般预言。CMB记录了早期天地的密度扰动处境。欧洲空间局的普朗克卫星迩来的视察结果,证实了我们的天地是平直并且平均的—这两点都是暴胀学说的首要预言。别的,人们以为原初物质涨落是暴胀将量子涨落放大得来的,卫星视察到的原初物质的涨落功率谱和幅度,与理论预期相符得特别好。

问题二:我们并别国真正明白暴胀我们不妨会问:是什么驱动了暴胀的发作?怎样供应这么大的能量?在我们的联想中,在大爆炸解散后极短的时间内,天下充溢了能量,这些能量以一种假想粒子的形势存在,即“暴胀子”。近来,科学家在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上发现的希格斯粒子,与“暴胀子”这一假想粒子有很多类似的性质,不妨是“暴胀子”的候选者之一。“暴胀子”不单能注解天下早期的加速伸展,也能注解如今的天下结构,因为在早期天下中,  “暴胀子”场能量的微小量子涨落,是唯一能导致显着的能量密度分别的机制。

不外,“暴胀子”并不克解决我们的问题,它只是把问题又向前促成了一步。我们不知道“暴胀子”的性质,不知道它从何而来以及何如找到它,我们以至不确定它是否果真存在。

此外,物理学家不知道暴胀是怎么自然地松手的—这便是所谓的“斯文退场疑难”。假如一种能量场驱动了 宇宙 以指数级膨胀,那么,是什么让这个能量场猛然“紧闭”?同时,在Λ-CDM模型中的五个 宇宙 学参数,此中少许参数必须被正确地调剂到此刻数值,不然我们观测到的 宇宙 会面目全非,但对付这五个参数的发源,我们也别国一个令人信服的评释。而且,对付暴胀发生之前的 宇宙 宇宙 诞生的最初万亿亿亿亿分之一秒内,我们也别国一个确定的描绘。

问题三:我们不懂得大爆炸是怎样发轫的世界学领域的最大挑战是,怎样懂得大爆炸本身的性质:在一个密度无穷大的点—奇点,一切光阴、空间、物质突然剧烈地喷薄而出。奇点是一个令人难以懂得的“怪物”,光阴和空间蜷缩于个中,在那边根本无法分辨昔时和另日,一切物理定律也都失效。奇点是一个他国秩序、他国法规的世界。从奇点中跳出任何器械,在逻辑上都是树立的。但从奇点中跳出来一个像我们看到的世界一样有秩序的世界,是不太可能发生的。

我们能够想象的情状是,从奇点中有没关系跳出一个高度混乱的六合,谁人六合的特点是,温度有激烈的空间涨落,也就是说,在六合空间中,不同点的温度有着庞大的区别。而且,谁人六合里的暴胀没关系不克将这些涨落抹平。事实上,倘使温度的涨落太大的话,暴胀没关系都他国机遇产生。因而,奇点的问题不克全靠暴胀来解决。

奇点虽然古怪,但并非极其少见,我们在另一个地点— 黑洞 的主旨,也能望见其魅影。 黑洞 是巨星塌缩的遗骸。总共的 恒星 都是核聚变反应炉,在那儿那边,轻元素聚合成重元素。核聚变进程供应了 恒星 平生的大部分能量。不外最终,核燃料耗尽,引力开端起主宰功用。在引力功用下,一颗比太阳至少重一十倍的 恒星 会爆发塌缩,然后引爆超新星发生。假如 恒星 再大极少,抵达15~20个太阳质量或许更大的质量,超新星发生收场后会留下一个致密的焦点,这个焦点会失控地塌缩,造成 黑洞

黑洞 是一片连辉煌都无法逃走的空间区域,而光速是任何形式的物质不妨达到的速度上限,所以任何物质只要跨过了 黑洞 的界限—一个被称为变乱视界的二维面,便有去无回。一旦 恒星 物质或是其他什么器材落入了这个界限,它们与寰宇中的其他部分也就切断了干系,会被冷血地拉向 黑洞 大旨的奇点。

正如在世界大爆炸起始物理定律会失效,在 黑洞 的奇点处,已知的物理规律也同样不再适用。与大爆炸区别的是, 黑洞 的奇点被视界包围着。视界的功效就像是一层牢靠的包装纸,防止任何奇点信息流露透露出去。 黑洞 的视界盖住了 黑洞 外部的观察者,使他们无法观察到奇点的那些不可思议的性子[这便是所谓的世界监督假使]。

奇点被视界包裹,这一点极度要紧,它使我们没关系用熟谙的物理定律来描画和预测我们所能视察到的天地。对于一个远处的观察者而言, 黑洞 具有单一、平滑、均匀的时空结构,以是仅仅用质量、角动量以及电荷就不妨充分描画了。物理学家把这戏称为“ 黑洞 没有毛”—除了质量、角动量和电荷之外,就没有不妨区分分歧 黑洞 的细节了。

黑洞 中的奇点相反,大师普遍认为,大爆炸的奇点没有被包裹,它没有事件视界。我们也希望有一种办法,比如存在某种相像视界的器材,能够把这个令人不惬意的奇点与我们隔离开。

我们的理论正是供应了云云一个主意,在这个理论中,全国大爆炸其实是一个幻境。我们的理论能够将大爆炸的奇点包裹起来,正如事件视界将 黑洞 奇点包裹起来雷同。云云我们就避让了可骇的大爆炸奇点。

四维天地中的 黑洞 与普遍的事故视界比拟,大爆炸奇点的“隐身斗篷”有一个关节的不同之处。因为我们感知到的这个天地有三个空间维度,以是遮蔽天地大爆炸主题奇点的器械也应该是三维的,而不应该像视界一样是二维的。 黑洞 的二维事故视界是三维空间的 恒星 塌缩发作的,那我们也可以做出如此一种倘若:遮蔽大爆炸奇点的三维事故视界,就应该是四维天地里的 恒星 塌缩发作的了。

分外维理论要求空间维数超越直观的三维,这一想法的提出岁月,几乎与广义相对论类似长远。它最早由特奥多尔·卡卢察于1919年提出,在上世纪二十年代,奥斯卡·克莱因进一步扩展了这一理论。但在此后的半个多世纪里,他们的想法基本被人们遗忘了,直到上世纪八十年代才被查究弦论的物理学家从新拾起。比来,科学家诳骗分外维的思想设立了所谓膜全国的 宇宙 学理论。

膜世界理论的基本思维是,我们的三维寰宇是一个子寰宇,它嵌在一个更大的四维空间中。这个三维寰宇被称为膜,它所嵌入的大寰宇被称为体。我们所知的总共物质和能量形势都束缚在这个三维膜之上,宛如片子投影到银幕上—就像柏拉图寓言中,洞窟中的囚徒认为,墙壁上的投影便是真实世界。但引力例外,它能渗透到更高维的“体”之中。

让我们来考虑一下“体”—有四个空间维度的超天下,它可能在大爆炸之前就已经存在。我们可以想象,这个四维超天下中充斥着四维 恒星 和四维星系。当这些高维 恒星 耗尽燃料的功夫,就像我们的三维 恒星 相仿,它们就会塌缩成 黑洞

四维 黑洞 是什么脸色的?它也会有一个事变视界,一个有去无回的畛域,一旦落入此中连光子都无法脱逃。有所不同的是,广大 黑洞 的视界是二维的,四维 黑洞 则会发作一个三维的事变视界。

在模拟了四维 恒星 的塌缩进程之后,我们觉察,在许多境况下,四维 恒星 塌缩进程中抛射出的物质,实在会在三维事变视界的方圆形成一个缓慢伸张的三维膜。我们的寰宇即是这个三维膜,是一个即将塌缩成 黑洞 的四维 恒星 的全息图。寰宇大爆炸的奇点被三维事变视界永恒遮挡着。

四维寰宇确切吗?

我们的模子有许多上风,首先它防止了寰宇诞生时的裸奇点。不外,对付那些长久自此困扰人们的寰宇学困难,比如寰宇为什么会有近乎平直的空间曲率和高度平均性,我们的模子能否解决呢?由于四维体寰宇不妨已经存在了无尽长的时间,经过充沛长的时间后,体寰宇中任何的热点和冷点都达到了平衡。这样自此,四维体寰宇就变得平滑,我们的三维膜寰宇就承袭了它的平滑性。别的,由于四维 黑洞 几乎没有任何细节特性,因而我们的三维膜寰宇也应该是平滑的。四维 恒星 的质量越大,三维膜就越平整。我们寰宇之所以平整,是由于它是一颗很重的四维 恒星 的塌缩古迹。

如许,我们这种全息论的大爆炸模子,不单没有用暴胀就解决了平均性和平整性困难,并且还防止了六合大爆炸起点的裸奇点。

这个方法听起来也许很专横,不过有几种方法不妨来查验它。一种方法是研究世界微波配景辐射。在我们三维膜世界之外,不妨存在着少许分外的四维体物质—它们是被四维 黑洞 的引力拉过来的。这些分外物质的热涨落会在三维膜世界上形成涨落,从而给世界微波配景辐射带来微细的但可探测的扭曲。我们的计算结果和欧洲空间局普朗克卫星的视察结果有4%的差异。不过,这个差异不妨是由我们尚未正确建模的次级效应形成的。

其余,若是四维 黑洞 有自旋,那么我们的三维全国就不会在各个方向上看起来都是无别的。在差别方向上,我们全国的大尺度布局会稍有差别。天文学家也许可以经过议定细致地考究全国微波配景辐射来发掘这种方向性。

固然,即便我们的全息论大爆炸理论解决了最大的问题,它也会带来一系列的新问题,个中最大的一个问题便是:我们天地的母天地从何而来?

为了回答这个问题,我们或者要再一次从柏拉图哪里物色灵感。当柏拉图寓言中的罪犯走出穴洞时,太阳会灼伤他们的眼睛,他们需要时光来适应洞外明亮的天下。当初,罪犯们只能辨认出影子,不久他们就没关系看到玉环和星星。最终,他们会得出结论,太阳是“我们所看的到一切事物的创始人”—日间、黑夜、四序和影子。柏拉图故事中的罪犯们无法懂得太阳背后的力量,正如我们无法懂得四维体 宇宙 相像。不外,我们至少已经知道,该去那里寻找谜底了。