物理学对时间有什么看法?

我们可以在哲学领域里无休止地讨论这个问题,但是目前的宇宙学观测支持什么呢?
2016年1月25日

采访

罗伯托·特罗塔博士,伦敦帝国学院

在探索时间是否真的有起点的过程中,星星里的问题格雷哈·杰克逊需要找到更多关于哪个理论与目前的宇宙学观测支持的理论相匹配的信息。罗伯托·特罗塔带着格雷哈带着千层面周游了宇宙……

罗伯托-我们知道宇宙是随着时间膨胀的因为如果我们用望远镜观察我们的周围我们观察遥远的星系,我们看到大多数遥远的星系都在远离我们因为时空的结构同时在各个方向被拉伸。但是,如果现在是这样的话,如果我们倒回去看那部电影,如果我们回到过去,你会看到所有的星系,如果我们回到过去,在过去是越来越近的。如果我们回到足够远的地方,所有的星系都聚集在一个点,这个点我们称之为大爆炸,时间零点,一个奇点。

Graihagh -那么有没有什么理论可以说明这个奇点之前是什么,或者这个奇点是如何形成的呢?

罗伯托-投机理论,是的。对于宇宙大爆炸的起源有不同的看法。其中一种可能性是,大爆炸实际上并不是大爆炸,而是宇宙历史上一个阶段的反弹。所以,与其认为时间是从大爆炸开始的,我们可以认为时间基本上是一样的。之前的宇宙会重新坍缩成一个大压缩,这有点像大爆炸,然后当它接近奇点时,它会再次反弹出来我们会经历我们自己的大爆炸。所以,这是一个循环宇宙的图像,它永远在反弹。这幅图在今天实际上是有疑问的,因为我们现在知道我们的宇宙在未来不会再次坍缩,它实际上会以不断加速的速度永远膨胀。

grahagh -我们怎么知道的?对不起。我们怎么知道我们的宇宙会再次坍缩?

罗伯特-那是因为暗能量。我们宇宙的70%是由一种未知的力或能量构成的,我们称之为暗能量,它对宇宙的主要影响是使宇宙随着时间的推移而加速膨胀。所以,今天的宇宙不仅随着时间的推移而增长,而且还在以不断加速的速度增长,不会再坍缩。我们的宇宙不会发生大的崩塌。在遥远的未来,我们宇宙的尽头将是一片黑暗,所有的星系都将关闭,所有的物质都将被黑洞吸走,宇宙将是一个非常寒冷,非常黑暗,非常无聊的地方。

Graihagh -一个有点吓人的空间。听起来像是科幻电影里的情节。

罗伯托-是的,但那是200亿年后的事了,所以没有什么好担心的。

格雷哈-所以这个理论是有疑问的。那么,还有什么其他理论更有说服力呢?

罗伯托:有些想法是相当不同的。他们有效地假设平行宇宙的存在。所以,我们的宇宙是由三个空间维度和一个时间维度组成的——所以我们所经历的是一个四维的宇宙,但如果还有一些额外的维度,我们自己实际上无法穿透,但它们可能距离我们的现实只有一毫米的几分之一。这是一个非常科幻的概念,我们可以把它做得更明显一点,更具体一点用千层面做个简单的类比。所以为什么我们不过去把千层面放到烤箱里然后我们会有一个类比,一个有趣的关于早期宇宙的类比关于推测的平行宇宙可能是什么样子。

grahagh -太好了,我已经饿了。

罗伯托-让我们给平行宇宙四分钟。

Graihagh -所以当这很快升温的时候。这是为了展示各种平行宇宙。这是一层又一层的蔬菜——因为我注意到这是一份素食千层面——然后是一层又一层的意大利面和奶酪。那么这里是什么意思呢?

罗伯特-好的。我们做的千层面是由一层又一层的意大利面构成的这些意大利面代表着不同的平行宇宙,如果你愿意的话。所以,我们自己的宇宙将是其中一层,然后被某种东西隔开,在这种情况下是蔬菜填充物,你会有其他的层,它们只是和我们一样的宇宙,但它们在第五维度上与我们分开,这就是填充物所处的维度——宇宙学家称之为体积。然后你有所有这些平行的宇宙相互叠加在一起,我们称之为平行的宇宙它们是千层面,意大利面层,我们称之为大脑。

格莱哈-啊,好吧,好吧,我明白了。所以当这个出来的时候——我很好奇——你打算用它做什么?

罗伯托:我们只是想看看,我们只是想让大爆炸发生,把两个平行宇宙混在一起,看看会发生什么。

格雷哈-所以我们要把千层面炸开?

罗伯托-是的,恐怕是一团糟。啊,准备好了。现在我们要从中间切开千层面来展示我们的平行宇宙。是的,我们可以看到大约有四五个平行宇宙,所以我只是挑出了千层面的顶层,所以这里的大脑将是我们的宇宙。如果剥开千层面的表层,我将看到另一个平行宇宙——就在它的下面,是我们的另一层千层面面片。现在的想法是,如果我们让重力穿过两层千层面,这两层意大利面就会被压在一起它们会相互吸引当它们像这样撞在一起时,它们会把所有的酱汁都溅出来这将是大爆炸。我们把它描述为我们大学的诞生,但实际上它只是两个面食层在高维宇宙中碰撞在一起。

Graihagh -所以每个平行宇宙都是这样被创造出来的吗?这种重力的渗透意味着在平行宇宙中可能会有无限的大爆炸?

罗伯托-没错,有些人把它们描述为大脑的气体。所以大脑的宇宙和房间里的原子一样多。

Graihagh -其他的宇宙,和我们的宇宙一样吗?

罗伯托-我们不知道-这是个很好的问题。它们可能与我们的宇宙大不相同。它们可能有不同的物理定律或不同的性质。当然,这是一种推测,有一些观点认为其他宇宙应该与我们的宇宙大不相同。

Graihagh -我们有什么办法可以判断或者我们有什么证据可以收集到来支持这个理论吗?

罗伯托:我在厨房里准备了另一个小实验,这个实验也许能帮助我们理解,如果不存在这样的平行宇宙,存在其他可能与我们的宇宙混合在一起的宇宙,我们是如何判断的。

巧克力球;其中一个代表我们的宇宙另一个代表另一个宇宙。现在,我们要做的是——我这里有一些浓奶油……我要把球状的球蘸一下……

grahagh -不是把它们扔了……

罗伯特-不是把它们扔了……不知怎么的,我觉得浓奶油会让它们浮起来……

格莱哈-我觉得你得先把它们搅拌一下。

罗伯托-是的。很好的观点……完美的。现在我给这两个宇宙涂上了一层奶油——全是白色的。这层白色奶油代表宇宙微阵列背景。也就是说大爆炸的残余辐射。那是大爆炸本身的发光回声我们可以用望远镜和卫星捕捉到,137亿年后的今天,我们可以在地球上观察到。我还在上面撒上巧克力粉,这里的巧克力粉代表了大爆炸遗留辐射中的不规则现象这些辐射来自奇点本身的量子涨落。现在我要小心地把这些宇宙粉碎在一起,所以,你可以看到在它们接触的这一边,奶油上留下了一点斑点....

Graihagh -哦,是的,就像那些更轻的补丁…

罗伯托-对,没错,没错,再来一次。

Graihagh——巧克力粉被擦掉的地方,下面还有奶油,这就是剩下的,对吧?

罗伯特-是的,没错。完全正确。这是早期不同宇宙碰撞留下的一种瘀伤。稍后,我们仍有可能发现这些擦伤这些擦伤是在奇点附近碰撞产生的,如果我们能做到这一点,那么也许,仅仅是也许,我们就能找到碰撞发生在时间之初的证据。

Graihagh -我们怎样才能发现那个小小的白色斑点呢?

罗伯托:这是一项具有挑战性的任务,因为,当然,还有很多很多其他的影响会在这个发光的回声上留下不同种类的斑点和斑点图案,所以这是一个有效的统计问题。它是关于分析我们在天空中看到的那些斑点,寻找早期碰撞留下的潜在瘀伤,当然,我们不知道我们在寻找什么。我们不知道那里有多少瘀伤,有多大,在天空中的哪个位置。所有这些都是完全未知的,所以这真的就像大海捞针一样。我们知道一个签名可能是什么样子的但是它有很多不同的可能性所以我们必须用统计的方式来寻找所有的可能性,看看是否有什么东西出现,在这种情况下,它可能是一个暗示,表明类似的事情在过去发生过。

Graihagh -我从你那里得知,也许最受欢迎的理论可能是平行宇宙的场景,因为它实际上是我们可以测试和观察的东西?

罗伯托:就可测试性而言,它很有希望,因为如果它留下了我们可以捕捉到的特征,即使只是在原则上,也许不是今天,不是今天的技术但如果它能在原则上被证明,那么它就成为一个可测试的理论,然后它就成为一个有趣的理论,因为我们可以出去看看我们是否可以拒绝它或可能证实它。我认为这是非常令人印象深刻的,能够说我们现在可以以高度的保真度重建宇宙的历史,从今天137亿年后的大爆炸到最开始——大爆炸后大约10的负32次方秒,非常精确。因此,剩下的有待检验的只是宇宙大爆炸后10的负32次方秒这一小段时间。所以,从某种意义上说,处于研究前沿的科学家的工作就是不断突破未知的极限,所以现在我们真正触及的是,非常困难、非常深刻、非常基本的问题。

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