引力波的发现引发物理学领域的“春季大扫除”

大爆炸的发现加强了对多元宇宙的论证,几乎排除了“循环宇宙”的可能性

3月17日,天文学家约翰·科瓦奇(John Kovac)在哈佛-史密森天体物理中心展示了期待已久的引力波证据——这是空间结构中的涟漪,起源于大爆炸时期被称为暴胀的剧烈膨胀。

当天马萨诸塞州剑桥市的太阳落山时,宇宙学家戴维·马什(David Marsh),来自加拿大滑铁卢的 Perimeter 理论物理研究所,及其同事已经在网上发布了第一篇详细描述该发现部分后果的论文。

作者写道,科瓦奇团队使用南极BICEP2望远镜进行的测量几乎排除了基于一种名为轴子的假设基本粒子,试图解释暴胀和另一个宇宙谜团——暗物质的性质——的一类模型。 然而,研究人员并未排除所有轴子模型,只是“这类特定的轴子仅占暗物质的一小部分”,马什说。


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马里兰州巴尔的摩市约翰·霍普金斯大学的宇宙学家马克·卡米昂科夫斯基(Marc Kamionkowski)也同意,一些轴子模型不再适用,“因为它们要求暴胀在比BICEP2指示的能量尺度更低的能量尺度下运行”。

卡米昂科夫斯基说,BICEP2的发现还将一举排除大量其他理论,包括关于驱动暴胀的能量场的性质的其他几种想法。“可接受的模型范围已经大大缩小了,”他说。

“这是一次伟大的春季大扫除,几乎所有东西都被排除在外了,”马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院(MIT)的宇宙学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)说。“这真正在撼动不仅是实验领域,还有理论界。”

斯坦福大学宇宙学家安德烈·林德(Andrei Linde)在BICEP2宣布后的第二天在麻省理工学院的一个挤满人的礼堂里说,BICEP2的数据将淘汰大约90%的暴胀模型(见图)。 林德是暴胀理论的创始人之一,他说,许多这些模型不会产生可探测水平的引力波。

但他表示,这些发现将与“混沌暴胀”非常吻合,“混沌暴胀”是林德在30年前开发的一种简单的暴胀版本。 在林德的模型中,暴胀永远不会完全结束,只在有限的空间区域停止,而在其他地方则继续呈指数级膨胀。 混沌暴胀不仅会产生我们的宇宙,还会产生包含许多口袋宇宙的多元宇宙,每个宇宙都有其自身的物理定律,批评者认为这个想法是无法检验的。

林德还表示,引力波似乎排除了暴胀的另一种替代模型,即循环宇宙,在该模型中,两个“膜世界”(漂浮在更高维度空间内的三维宇宙)碰撞产生大爆炸。 该理论不会产生引力辐射。

新泽西州普林斯顿大学的理论物理学家和循环理论的创始人保罗·斯坦哈特(Paul Steinhardt)同意,如果BICEP2的发现得到证实,他的理论现在已经死亡,但他表示,他还没有放弃希望,认为该模型的变体可能会产生辐射。

麻省理工学院的理论物理学家和诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)说,BICEP2的结果还将使一些弦理论家回到绘图板前。 弦理论假定基本粒子是由微小的振动能量环组成的。 他说,将弦理论与宇宙学相结合的努力导致了暴胀模型,这些模型产生的引力波能量远低于BICEP2探测到的水平。

斯坦福大学的理论物理学家伊娃·西尔弗斯坦(Eva Silverstein)表示,她不同意基于弦理论的暴胀模型陷入任何困境。“没有任何意义表明我们被迫重新开始,”她说。 她补充说,事实上,一类涉及轴子和弦的独立理论现在看起来很有希望。

林德同意。“没有必要抛弃弦理论,这只是学习哪种理论版本更好的正常过程,”他说。 “我们所有人,不仅仅是弦理论家,都应该回到绘图板前,但这并不是因为我们失败了,而是因为我们学到了一些非常重要的东西,现在我们应该利用这些知识来迈出进一步的步伐。”

本文经《自然》杂志许可转载。 该文章于2014年3月21日首次发表

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