引力波的發現引發物理學領域的“春季大掃除”

大爆炸的發現加強了對多元宇宙的論證,幾乎排除了“迴圈宇宙”的可能性

3月17日,天文學家約翰·科瓦奇(John Kovac)在哈佛-史密森天體物理中心展示了期待已久的引力波證據——這是空間結構中的漣漪,起源於大爆炸時期被稱為暴脹的劇烈膨脹。

當天馬薩諸塞州劍橋市的太陽落山時,宇宙學家戴維·馬什(David Marsh),來自加拿大滑鐵盧的 Perimeter 理論物理研究所,及其同事已經在網上釋出了第一篇詳細描述該發現部分後果的論文。

作者寫道,科瓦奇團隊使用南極BICEP2望遠鏡進行的測量幾乎排除了基於一種名為軸子的假設基本粒子,試圖解釋暴脹和另一個宇宙謎團——暗物質的性質——的一類模型。 然而,研究人員並未排除所有軸子模型,只是“這類特定的軸子僅佔暗物質的一小部分”,馬什說。


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馬里蘭州巴爾的摩市約翰·霍普金斯大學的宇宙學家馬克·卡米昂科夫斯基(Marc Kamionkowski)也同意,一些軸子模型不再適用,“因為它們要求暴脹在比BICEP2指示的能量尺度更低的能量尺度下執行”。

卡米昂科夫斯基說,BICEP2的發現還將一舉排除大量其他理論,包括關於驅動暴脹的能量場的性質的其他幾種想法。“可接受的模型範圍已經大大縮小了,”他說。

“這是一次偉大的春季大掃除,幾乎所有東西都被排除在外了,”馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院(MIT)的宇宙學家馬克斯·泰格馬克(Max Tegmark)說。“這真正在撼動不僅是實驗領域,還有理論界。”

斯坦福大學宇宙學家安德烈·林德(Andrei Linde)在BICEP2宣佈後的第二天在麻省理工學院的一個擠滿人的禮堂裡說,BICEP2的資料將淘汰大約90%的暴脹模型(見圖)。 林德是暴脹理論的創始人之一,他說,許多這些模型不會產生可探測水平的引力波。

但他表示,這些發現將與“混沌暴脹”非常吻合,“混沌暴脹”是林德在30年前開發的一種簡單的暴脹版本。 在林德的模型中,暴脹永遠不會完全結束,只在有限的空間區域停止,而在其他地方則繼續呈指數級膨脹。 混沌暴脹不僅會產生我們的宇宙,還會產生包含許多口袋宇宙的多元宇宙,每個宇宙都有其自身的物理定律,批評者認為這個想法是無法檢驗的。

林德還表示,引力波似乎排除了暴脹的另一種替代模型,即迴圈宇宙,在該模型中,兩個“膜世界”(漂浮在更高維度空間內的三維宇宙)碰撞產生大爆炸。 該理論不會產生引力輻射。

新澤西州普林斯頓大學的理論物理學家和迴圈理論的創始人保羅·斯坦哈特(Paul Steinhardt)同意,如果BICEP2的發現得到證實,他的理論現在已經死亡,但他表示,他還沒有放棄希望,認為該模型的變體可能會產生輻射。

麻省理工學院的理論物理學家和諾貝爾獎獲得者弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek)說,BICEP2的結果還將使一些弦理論家回到繪圖板前。 弦理論假定基本粒子是由微小的振動能量環組成的。 他說,將弦理論與宇宙學相結合的努力導致了暴脹模型,這些模型產生的引力波能量遠低於BICEP2探測到的水平。

斯坦福大學的理論物理學家伊娃·西爾弗斯坦(Eva Silverstein)表示,她不同意基於弦理論的暴脹模型陷入任何困境。“沒有任何意義表明我們被迫重新開始,”她說。 她補充說,事實上,一類涉及軸子和絃的獨立理論現在看起來很有希望。

林德同意。“沒有必要拋棄弦理論,這只是學習哪種理論版本更好的正常過程,”他說。 “我們所有人,不僅僅是弦理論家,都應該回到繪圖板前,但這並不是因為我們失敗了,而是因為我們學到了一些非常重要的東西,現在我們應該利用這些知識來邁出進一步的步伐。”

本文經《自然》雜誌許可轉載。 該文章於2014年3月21日首次發表

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