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研究称宇宙大爆炸后显示混沌性

2010-09-15
科学探索,宇宙大爆炸,混沌性
研究称宇宙大爆炸后显示混沌性

2010年09月15日 10:59 新浪科技
  新浪科技讯 北京时间9月9日消息,据国外媒体报道,7年前,美国西北大学的物理学家安迪尔森·莫特(Adilson E. Motter)做出这样的推测,那就是宇宙在大爆炸时期的膨胀具有高度的混沌性。最近,莫特和他的一位同事合作,给出了这一假设的严格数学证明。

  这篇发表在《数学物理学通讯》(Communications in Mathematical Physics)上的论文不仅证明了这一混沌是绝对的,并且还同时给出了可以对其存在性进行检测的数学方法。当你将这种方法与目前主流的宇宙演化模型相结合进行推算,你便会注意到早期宇宙显示出混沌性。

  物理学中有几项事实是绝对的。比如光速,它对于空旷宇宙中的任意观测者都是一致的。而其他很多事实则是相对的。想象一辆救护车呼啸而过,它呼啸的警报声音高会逐渐由高变低。混沌,是指在一个随时间演变的系统中,比如说我们的宇宙,一个微小的事件会导致巨大的变化。物理学中长期以来面对的一个问题就是:一个由广义相对论主导的体系中,时间本身也成了相对的,那么在这样一个系统中,混沌应当具有相对性还是绝对性?

  关于这一问题的具体意义涉及一个人的判断,他必须毫不含糊的辨别宇宙作为一个整体是否曾经表现出混沌性。如果按照原先的假设,即混沌具有相对性,那么这一问题将没有答案。因为这种相对性意味着宇宙中不同的观察者将观察到完全相反的结果,因为他们之间存在相对运动,而且他们处于不同的时间点。

  “有一种解释是:混沌其实根本不是被观察系统的属性,而是观察者本身的属性,”莫特说,他是这一论文的作者之一,在西北大学韦恩伯格艺术和科学学院担任物理学和天文学助理教授。“我们的研究显示,不同的观察者必须首先统一他们各自对系统中混沌本质的定义。”这项工作对于宇宙学具有重要意义,它尤其说明早期宇宙显示的在红移及蓝移之间的无规律变动事实上混沌性的体现。

  莫特的此项工作是和前来西北大学的访问学者,来自巴西里约热内卢联邦大学的数学家卡特里·吉尔福特(Katrin Gelfert)共同完成的。这位数学家认为,解决这一问题所使用的数学方法非常具有启发性,可能将导致数学学科的进一步发展。

  关于宇宙学,存在一个非常重要的问题等待解决。那就是,宇宙如此广袤,如此多的星系和其他天体,互相绝无可能有任何相互作用,可是为什么在我们可观测的宇宙中,各处都如此相似?

  “有人可能会说‘这很简单嘛,因为大尺度的宇宙在产生之初就是均匀的’,”莫特说,“但是对于物理学家来说,任何事情都不能用这样想当然的想法来进行解释。”

  50年前,物理学家们相信这一问题的答案存在于大爆炸之后几分之几秒的那一瞬间。于是科学家们试图证明宇宙极早期的无序状态可以演变成今天宇宙的状态,虽然这样的努力失败了,但是他们发现了一个更加有趣的可能性,那就是宇宙作为一个整体,或许从一开始就是混沌的,我们现在的宇宙仅仅只是继承了这种混沌性而已。

  莫特进一步解释道,我们今天的宇宙在各个方向膨胀,这样的结果是我们在全部三个维度上都观测到遥远光源的红移现象。前面提到的救护车警报声的例子可以类比解释红移的概念:之所以救护车呼啸而过,逐渐远离你的时候警报声音调会逐渐减低,是因为它和你(观察者)之间的距离拉长,声波的波长相应拉长,频率降低。在物理学中,这一现象称为“多普勒效应”。同样的,当遥远的天体和地球上的观察者之间做相对运动(互相远离)其发出的光波的波长会被拉长,频率降低,从地球上获取其光谱,会注意到整个光谱段向长波方向偏移(红光方向),称为“红移”;相反,如果遥远天体在接近我们,它的光谱将呈现“蓝移”。红移和蓝移是天文学上判断遥远天体是接近还是远离我们的重要依据。

  与此不同的是,早期宇宙只在两个维度上膨胀,而在第三个维度上收缩。这便导致了在两个方向上观测到红移,而在第三个方向上观测到蓝移。然而在这样一个系统中,这一显示收缩的方向并不确定,它会在X,Y或Z轴之间毫无规律的变化。

  莫特解释说:“根据经典的广义相对论,早期宇宙经历了无限次的震荡,其膨胀和收缩的方向不断变化。这意味着宇宙早期的演化对于大爆炸那一时刻所具备的初始条件非常敏感。”

  这一问题在22年前得到了进一步的发展。当时的另两位研究者:吉尔森·弗朗西斯(Gerson Francisco)和乔治·马特萨斯(George Matsas)发现,对于同一事物的不同描述会导致最后对早期宇宙混沌本质的不同结论。因为不同的描述正代表了不同观测者不同的视角。这一发现对于先前的假设直接提出了挑战。这一假设基于这样一个前提:不同的观察者必须统一他们各自对系统中混沌本质的定义。在广义相对论的理论系统中,这种一致性被称为“相对论性不变量”。

  “就技术上而言,我们已经建立起了一种情形,在这种情形下,混沌的标志物是相对论性不变量,”莫特说,“我们的数学计算也解释了其中存在的争议性结果,它们是由时间坐标选择的奇异性产生的。”(晨风)

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