未来科学大奖 宇宙21|视界疑难、平坦疑难、磁单极子疑难,它们都说了啥?( 二 )


这就带来了所谓的视界难题 , 你想一下 , 可观测宇宙的东边 , 和西边相距920亿光年 , 它们之间不可能发生任何的信息传递 , 现在不可能、未来也不可能 。
38万年的时候更不可能 , 因为那个时候宇宙膨胀的速度更快 , 远远超过了光速 , 那么没有信息的传递 , 就意味着没有热量交换 , 那你说一个彼此隔绝两个地方温度是如何变成一样的?
所以人们就认为大爆炸可能不是宇宙的起源 , 在此之前还存在一个阶段 , 它的存在可以让宇宙先达到一定的热平衡 , 所以经历膨胀以后 , 这些本身温度就一样的地方 , 才被拉伸到了遥远的距离 。
下面说下平坦难题 。 广义相对论说 , 物质可以影响空间的曲率 , 比如我们的地球就可以让它周围的空间发生弯曲 , 这是小尺度上的 , 我们知道在宇宙中有大量的球 , 所以我们认为小尺度的空间并不平坦 , 坑坑洼洼的 。
除了考虑小尺度上的形状 , 物理学家还考虑了大尺度上的 , 也就是把整个宇宙空间 , 以及其中的物质密度看作一个整体 , 来思考我们宇宙空间的曲率是怎样的 。
宇宙空间的曲率由曲率因子K决定 , K可以取值为(-1、0和1) , 分别对应了负曲率的马鞍面、0曲率的平面、正曲率的球面 , 这三种几何形状 。
K到底是等于-1、0还是1 , 又跟宇宙中的物质密度和临界密度的比值Ω有关 , 我这里解释一下什么是临界密度 , 根据大爆炸模型 , 科学家设想了这样一种情况 , 宇宙最开始有一个初始膨胀率 , 但宇宙中的物质会产生引力互相吸引 , 那么两种力就开始对抗了 。
在引力的作用下 , 宇宙的膨胀率会一直变小 , 如果引力让宇宙的初始膨胀率无限地逼近于0 , 但不能达到0 , 我们就说宇宙的物质密度和初始膨胀率处在了一种完美的平衡状态 。
那么在这种情况下 , 宇宙的物质密度就是临界密度 , 这样的宇宙它的体积会达到一个最大值 , 然后不再变大 , 也不再缩小 , 可以一直存在 。
但这种平衡状态非常脆弱 , 不稳定 , 如果宇宙中少一个质子 , 宇宙就会膨胀 , 多一个质子宇宙就会坍缩 , 这就是临界宇宙 。
当宇宙的物质密度等于临界密度的时候 , Ω等于1 , 这样的宇宙空间曲率就是平坦的二维面 。 当物质密度大于临界密度的时候 , Ω大于1 , 这对应了正曲率的球面 , 当物质密度小于临界密度的时候 , Ω小于1 , 这对应了负曲率的马鞍面 。
我们理所当然地会认为 , 我们宇宙的曲率不是正 , 就是负 , 不可能平坦 , 不然这也太巧合了吧 。
但是根据微波背景辐射角功率谱的测量结果显示 , 我们的可观测宇宙平的不可思议 , 没有可观测的曲率 , Ω非常接近于1 , 只有1.005正负0.007 , 只有千分之几的差异 。
而且根据预测 , Ω和1的差异会随着时间的发展不停地被放大 , 也就是说 , 在38万年的时候 , 宇宙更平 。 所以我们就需要解释 , 为什么宇宙空间没有曲率?这就是所谓的平坦难题 。
最后一个是单极难题 , 这个说的是 , 为什么我们找不到磁单极子?这个问题有点太难为大爆炸理论了 , 这应该高能粒子物理需要解释的问题 , 但人们认为大爆炸理论作为描述宇宙起源的理论 , 应该要对磁单极的问题 , 有一些说法 。
我们知道电学和磁学是对称、统一的 , 在电学当中 , 如果我们让负电荷聚在绝缘棒的一端 , 那么另外一段就会聚集正电荷 , 正负电荷的聚集就会在绝缘棒的周围形成虚拟的力线 , 这就是电场 , 也叫电偶极子效应 。
在磁学中也一样 , 一个磁铁它也有南极和北极 , 在它的周围也有类似于电场的力线 , 这叫磁场 , 也叫磁偶极效应 。
但是电偶极子可以分开单独存在 , 就是我们所说的负电荷和正电荷 , 但是我们从来没有发现过磁单极子 , 也就是南磁荷和北磁荷 , 它们只能以偶极子的形式成对的出现 。
你看 , 当你一块磁铁掰成两半的时候 , 你期望会得到一个单独的南极和一个单独的北极 , 但是你却得到了四个磁极 , 当你把它们再掰成四半的时候 , 就成了8个磁极 。 这就是磁单极子不能存在的证据 。 这意味着在低能状态下 , 电学和磁学的对称性也自发破缺了 。
但是 , 我们认为在高能状态下 , 宇宙会恢复对称性 , 尤其是电磁力、弱力、强力统一在一起的时候 , 宇宙应该创造了大量的磁单极子 , 南磁单极子和北磁单极子互为反粒子 , 它俩相撞会湮灭掉 , 但是只要当时的量够大 , 就算湮灭以后 , 也能够保留一些磁单极子 , 而且能够在今天被我们找到 。 但是我们发现不了磁单极子 , 所以人们就怪宇宙学了 , 这就是所谓的磁单极子难题 。

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