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用爱因斯坦的引力理论来模拟宇宙可以解决宇宙难题

【博科园-科学科普】如果宇宙是一种汤,那么它就更像是一种粗糙的浓汤,而不是一种丝滑的番茄浓汤。宇宙由于引力的拉动而聚集在一起的物质是密集的星系团和细丝的网络结构,宇宙炖肉般丰盛的豆类和蔬菜。与此同时,相对荒凉的宇宙空间,被称为空洞,在它们之间弥补了一种稀薄的含水汤。

不考虑是否平滑的广义相对论宇宙模拟(如图所示)可能会改变宇宙的知识。图片:JAMES MERTENS

直到最近,对宇宙演变历史的模拟还没有给出应有的结果。这些质量聚集点是由阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的引力理论所描述的。但这个理论的方程复杂得难以解决。为了模拟宇宙如何形成和变化,科学家已经减少了近似值,比如由艾萨克·牛顿(Isaac Newton)设计的更简单但不精确的重力理论。

一些物理学家认为,依靠这样的近似,可能会与测量结果相比较,从而导致对宇宙内容的不正确的盘点。一个由物理学家组成的团体认为,对宇宙质量聚集点进行适当的计算可以解释物理学中最深奥的谜团之一:为什么宇宙在以越来越快的速度膨胀?

这种加速膨胀的公认解释是一种无形的压力——称为暗能量。在宇宙的标准理论中,暗能量占宇宙“物质”的70%——物质和能量。然而,科学家们仍然不确定暗能量是什么,找到它的来源是宇宙学中最棘手的问题之一。也许,暗能量怀疑论者认为,加速膨胀与暗能量无关。相反可能是在模拟这种虚无缥缈的现象。

然而,大多数物理学家认为,正确的计算方法不会产生如此巨大的影响。芝加哥大学的罗伯特·瓦尔德(Robert Wald)是广义相对论的专家说:“lumpiness”“永远不会贡献看起来像暗能量的东西”。到目前为止,对宇宙观察与基于近似的模拟预测非常一致。

1、越来越大的宇宙

宇宙在它的历史上逐渐变得越来越大。在膨胀过程中,快速膨胀把微小的量子涨落放大成微小的密度变化。随着时间的推移,由于额外质量的引力作用更强,额外的物质会进入密集的区域。在38万年之后,这些光点在宇宙微波背景中成为热点和冷点,这是宇宙中最古老的光。数十亿年的“肿块”继续增长,形成恒星,行星,星系和星系团。

宇宙膨胀演化示意图,图片版权:C. CARREAU/ESA

然而,随着观察变得更加详细,即使是在模拟中微小的不准确也会变得麻烦。天文学家已经详细地绘制了广阔的天空,并计划进行更广泛的调查。科学家需要精确地模拟宇宙的历史,将星空的影像转化为对宇宙中物质数量等性质的估计。如果质量聚集点的详细物理性质是重要的,那么模拟可能会有一些偏差,使估计偏离平衡。一些科学家已经提出,这是一个令人困惑的错配,即宇宙膨胀的速度。

研究人员正试图通过克服广义相对论的复杂性,并在其丰满的辉煌中模拟宇宙来消除争论。这确实是一个新的前沿,意大利帕多瓦大学的宇宙学家萨比诺·马特瑞斯(Sabino Matarrese)说:直到几年前,还被认为是科幻小说,在过去科学家们没有工具来完成这样的模拟,但现在研究人员正在整理新模拟结果首次公布的结果。到目前为止,暗能量还没有被解释清楚,但有些模拟表明,某些特别敏感的测量——宇宙中光线如何弯曲的测量可能会减少10%。

很快,模拟可能会最终回答这个问题:质量有多重要?宇宙学家可能错过了一个关于宇宙论中心问题的简单答案想法不断地引起一些怀疑论者的注意。对他们来说,改进的模拟结果不可能马上就够了。

2、平滑的宇宙

通过观察宇宙历史上不同时代的光,宇宙学家可以计算出宇宙的性质,比如它的年龄和膨胀率。但要做到这一点,研究人员需要一个描述宇宙内容的模型或框架,以及这些成分随着时间的演变。利用这个框架,宇宙学家可以对宇宙进行计算机模拟,以做出与实际观测结果相比较的预测。

宇宙的网络簇和丝状物质穿过一个模拟的宇宙20亿光年。这个模拟结合了爱因斯坦广义相对论的一些方面,在避免了全面的理论的困难的同时,允许了详细的结果。图片版权:JULIAN ADAMEK

在爱因斯坦1915年提出他的理论之后,物理学家开始着手研究如何用它来解释宇宙。这并不容易,这要归功于广义相对论难以解决的一系列方程式。与此同时,上世纪20年代所作的观察表明,宇宙并非如先前所预期的那样静止不动,而是在膨胀扩大。最终,研究人员汇集了爱因斯坦方程的一个解决方案,称为Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker度量(由它的发现者命名),FLRW指标描述了一个均匀和各向同性的简化宇宙,这意味着它在宇宙的每一个点和每个方向上看起来都是一样的。在这个理想化的宇宙中,物质是均匀分布的,没有团块。这样一个平滑的宇宙会随着时间的推移而扩大或缩小。

一个平滑宇宙近似是合理的,因为当我们观察大尺度的图像时,平均在星系簇和空洞的结构上,宇宙是非常均匀的。这和一勺意大利蔬菜汤差不多是肉汤或者大部分是豆子,但从碗到碗,整体的汤-肉汤比是匹配的。

1998年宇宙学家发现不仅宇宙在膨胀,而且它的膨胀也在加速,对遥远的爆炸恒星或超新星的观测表明,我们和它们之间的空间正在以越来越大的速度膨胀。但是引力应该会减缓宇宙的膨胀,因为宇宙的膨胀是均匀的。为了解释观测到的加速度,科学家需要另一种成分,即加速膨胀。所以他们将暗能量添加到平滑的宇宙框架中。

现在,许多宇宙学家遵循着模拟宇宙的基本方法——把宇宙当作已经穿过虚拟的混合器来处理它团块,增加暗能量,通过广义相对论来计算膨胀。在不断膨胀的泥浆中,科学家们使用近似法(例如牛顿重力法)添加团块并追踪其生长情况,从而简化了计算。

在大多数情况下,牛顿引力和广义相对论是近似双胞胎的。当你站在地球表面的时候扔一个球,不管用广义相对论还是牛顿力学来计算球在哪里,都会得到同样的答案。但也有细微的差别,在牛顿引力中,物质直接吸引其他物质。在广义相对论中,引力是物质和能量扭曲时空的结果,创造了改变物体运动的曲线。这两种理论在极端的引力环境中存在差异的。例如在广义相对论中,黑洞会在光和物质中产生不可避免的“凹坑”。那么,问题在于这两种理论之间的差异是否对整体宇宙模拟有任何影响。

在全景红外光谱中,两微米的天空对160万个星系的观测显示,物质是如何聚集成星系团和细丝的。未来的大规模调查可能需要改进的模拟,利用广义相对论来跟踪时间的lumps的演变。图片:T.H. JARRETT, J. CARPENTER & R. HURT, OBTAINED AS PART OF 2MASS, A JOINT PROJECT OF UNIV. OF MASSACHUSETTS AND THE INFRARED PROCESSING AND ANALYSIS CENTER/CALTECH, FUNDED BY NASA AND NSF

大多数宇宙学家都对现状模拟感到满意,因为天空的观测似乎像巧妙地拼凑出来的拼图一样整齐地融合在一起。基于标准框架的预测与宇宙微波背景的观测结果非常吻合,当宇宙仅有38万年时,古老的光线被释放出来。而宇宙学参数(例如暗能量和物质)的测量结果通常是一致的,不管它们是使用来自星系的光还是来自宇宙微波背景。

然而,依靠牛顿过时的理论让一些宇宙学家感到厌烦,造成了一个持续的怀疑,即近似导致了未被认识的问题。还有一些宇宙学的问号。物理学家仍然对构成暗能量的东西以及另一个无法解释的宇宙组成部分(暗物质)进行拼图,暗物质是解释观测星系和星系团如何旋转观测所必须存在的另一种物质。巴黎高等师范学院的宇宙学家尼克·凯泽说:暗能量和暗物质对宇宙学家来说都是一种尴尬,因为不知道是什么。

3、神秘的黑暗能量

一些宇宙学家希望通过充分考虑宇宙的整体性来解释宇宙的加速膨胀,而不需要神秘的暗能量。

这些研究人员认为,物质丛可以改变宇宙膨胀的方式,当这些团块大量的影响聚集在宇宙中时。那是因为在广义相对论中,每个局部空间区域的扩张都取决于物质的内在含量。空洞扩张速度超过平均水平; 高密度地区扩张缓慢。因为宇宙大部分是由空洞组成的,所以这个效应可能会产生一个整体的扩张,并可能会加速。这种观点被称为反作用,尽管许多人声称反作用效应很小或者根本不存在,但这个观点几十年来在物理学很晦涩的地方一直悬而未决。

反向反应继续吸引一些研究人员,因为他们不必发明新的物理定律来解释宇宙的加速。如果有一种只能基于传统物理的替代方法,为什么要完全抛弃它呢?然而,大多数宇宙学家认为,仅仅基于宇宙的硬块来解释暗能量是不太可能的。以前的计算表明,任何影响都不足以解释暗能量,并且会产生一个与观测结果不一致时间变化的加速度。

澳大利亚墨尔本莫纳什大学的天体物理学家海利·麦克弗森(Hayley Macpherson)说:我个人的观点是这个效应小得多,这基本上是一种直觉,包括暗能量在内的理论很好地解释了宇宙。如果整个方法有缺陷,怎么可能呢?麦克弗森等人提出的模拟广义相对论中团块演化的新模拟可能能够一劳永逸地衡量后向反应的重要性。俄亥俄州甘比尔Kenyon学院的宇宙学家汤姆·吉布林(Tom Giblin)说:到目前为止,这太难了。

为了进行模拟,研究人员需要掌握能够通过广义相对论方程模拟的超级计算机,因为模拟的宇宙随着时间的推移而演变,广义相对论是如此复杂,所以这种模拟比使用近似(如牛顿引力)的模拟要困难得多。但是,一个看似不同的话题帮助奠定了一些基础:引力波,或时空结构的涟漪。

最近用广义相对论模拟了一个lumpy宇宙,它显示了恒星和星系的块状物质(粉色和黄色)。图片版权:H. MACPHERSON, PAUL LASKY, DANIEL PRICE

先进的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)寻找宇宙骚动,如黑洞合并碰撞的震动。为了准备这次搜寻,物理学家们模拟了黑洞引发的时空风暴,预测了LIGO可能会看到的情况,并建立了计算机制来解决广义相对论方程,从而磨练了广义相对论的技巧。现在宇宙学家们已经适应了这些技术,并在整个宇宙中发挥了它们的作用。

在2016年6月的“ 物理评论快报”上发表了第一次使用全广义相对论的宇宙模拟。Giblin及其同事与意大利卡塔尼亚大学的Eloisa Bentivegna和英格兰朴茨茅斯大学的Marco Bruni同时报告了他们的研究结果。

到目前为止,模拟还没有能够解释宇宙的加速。日内瓦大学的宇宙学家马丁·昆茨(Martin Kunz)说:几乎所有人都相信(效应)太小,无法解释对暗能量的需求。Kunz和他的同事在他们的宇宙模拟中得出了相同的结论,这种模拟在广义相对论中有一只脚,在牛顿引力中有一只。他们于2016年3月在“ 自然物理”上报告了他们的首个成果

这种影响太小而不相关之前,新的模拟有潜在的警告,例如一些模拟宇宙的行为就像是一个老式的街机游戏, 如果你走到宇宙的一个边缘,你会回到另一边,就像吃豆人离开屏幕右侧再次出现在左边。法国里昂大学的Thomas Buchert说,这种几何形状可以抑制模拟中的后向反应,这是一个好的开始,但模拟上还有更多的工作要做。

Bentivegna说,模拟中的不同假设可能导致不同的结果。因此,她并不认为她那种总体相对论性的模拟已经完全封闭了推翻暗能量的努力。例如光的参数可能会使宇宙的扩张看起来像加速,事实上并非如此。

当天文学家观察到像超新星这样的遥远时,光必须经过和地球之间的所有物质质量聚集点。这个旅程可能会使它看起来像没有存在的情况下有加速。Bentivegna说:这是一种视觉错觉,她和同事们在3月份的“宇宙学和天体物理杂志”上发表的一篇模拟报告中看到了这样的效果。但是这项工作模拟了一个不寻常的宇宙,其中物质坐落在一个网格上,而不是一个特别现实的场景。对于大多数其他模拟,光学错觉的影响仍然很小。这让许多宇宙学家,包括吉布林,更加怀疑解释暗能量的可能性

4、测量天空

质量聚集点的细微影响仍然很重要。在汉斯·克里斯蒂安·安徒生的《公主与豌豆》中,公主在一堆高高的床垫下感到了一粒豌豆。同样地,宇宙学家的调查现在非常敏感,即使宇宙的块块有很小的影响,也可能被打乱。

例如暗能量调查(Dark Energy Survey)利用智利的维克多·M·布兰科望远镜(Victor M.Blanco Telescope)绘制了2600万个星系,测量了来自这些星系的光线是如何被物质干扰扭曲的。8月4日在arXiv发布的一组论文中,科学家们对宇宙的特性进行了新的测量,包括物质的量(包括暗物质和普通物质),以及物质的多块。这一结果与宇宙微波背景辐射的结果是一致的。

为了进行比较,宇宙学家在宇宙早期从宇宙微波背景中获取了测量数据,并利用模拟来推断宇宙历史后期的星系应该是什么样的。这就像拍摄一张婴儿的照片一样,精确地计算随着孩子年龄增长而出现的皱纹的数量和大小,并发现照片与数十年后拍摄的照片一致。迄今为止的匹配结果证实了宇宙学家对宇宙的标准描述——暗能量和所有。

斯坦福大学宇宙学家,“暗能量调查”的创始人之一Risa Wechsler说:到目前为止,已经做出的测量结果还不是很重要,实际上包括广义相对论在这些模拟中。但是对于未来的测量,这些影响可能变得更重要。

这些未来的调查包括将于2019年在图森附近的基特峰国家天文台启动的暗能量光谱仪(DESI); 欧洲航天局的欧几里得卫星于2021年发射;智利的大型综合观测望远镜,预计在2023年开始收集数据。

如果宇宙学家仍然依靠不使用广义相对论来模拟团块的模拟,那么弱透镜的某种测量——由于像镜头一样的物质所引起的光线弯曲 可能会降低10%,Giblin和他的同事们7月份在arXiv.org上报道:有些东西我们通过近似来忽略。这10%可能会造成各种估计,包括宇宙历史上的暗能量如何变化,宇宙正在膨胀的速度,以及被称为中微子的空灵粒子群的计算。日内瓦的Kunz说:必须非常肯定你不会得到一些微妙的影响,否则这些粒子物理学家会对宇宙学家非常生气。

在这个模拟宇宙中的块(灰色)改变了光线所需的路径(黄线),可能会影响观测。物质弯曲空间,轻微地改变光线在光滑宇宙中的轨迹。图片版权:JAMES MERTENS

有些估计可能已经出现了问题的迹象,例如宇宙膨胀率相互矛盾的估计。宇宙学家使用宇宙微波背景,发现比超新星的测量更慢的扩张速率。如果这种差异是真实的,则可能表明暗能量随时间而变化。但在跳到这个结论之前,还有其他可能的原因被排除在外。

科学家们直到问题变得平滑才会知道整个宇宙对宇宙有多大的影响,这很有可能会变成一个重要的影响,是否能解释暗能量是不太确定的。

知识:科学无国界,博科园-科学科普

作者:Emily Conover

来自:sciencenews

编译:光量子

审校:博科园

参考引用:

1、E. Bentivegna and M. Bruni. Effects of Nonlinear Inhomogeneity on the Cosmic Expansion with Numerical Relativity. Physical Review Letters. Vol 116, June 24, 2016, p. 251302. doi: 10.1103/PhysRevLett.116.251302.

2、J.T. Giblin, Jr., J.B. Mertens, and G.D. Starkman. Departures from the Friedmann-Lemaitre-Robertston-Walker cosmological model in an inhomogeneous universe: a numerical examination. Physical Review Letters. Vol 116, June 24, 2016, p. 251301. doi: 10.1103/PhysRevLett.116.251301.

3、J. Adamek et al. General relativity and cosmic structure formation. Nature Physics. Vol. 12, April 2016, p. 346. doi:10.1038/nphys3673

4、J. Adamek et al. Safely smoothing spacetime: backreaction in relativistic cosmological simulations. arXiv:1706.09309. Posted June 28, 2017.

5、H.J. Macpherson, P.D. Lasky, and D.J. Price. Inhomogeneous cosmology with numerical relativity. Physical Review D. Vol. 95, March 15, 2017, p. 064028. doi: 10.1103/PhysRevD.95.064028.

6、Eloisa Bentivegna et al. Light propagation through black-hole lattices. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Vol 2017, March 8, 2017, p. 014. doi:10.1088/1475-7516/2017/03/014.

7、J.T. Giblin, Jr. et al. General relativistic corrections to the weak lensing convergence power spectrum. arXiv:1707.06640. Posted July 20, 2017.

8、J.T. Giblin, Jr., J.B. Mertens, and G.D. Starkman. Observable deviations from homogeneity in an inhomogeneous universe. The Astrophysical Journal. Published online December 20, 2016. doi:10.3847/1538-4357/833/2/247.

9、T. M. C. Abbott et al. Dark Energy Survey Year 1 Results: Cosmological Constraints from Galaxy Clustering and Weak Lensing. arXiv:1708.01530. Posted August 4, 2017.

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