宇宙是否是泡沫狀? 尋找太空中的量子泡沫

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量子泡沫

宇宙最微妙的就是它有許多地方都太微小所以無法直接看見,因此有些科學家往宇宙中最亮的星系看起,為了找尋答案。

光從遙遠星系穿梭到地球時,它也許行走在一個不平穩的路線上。一個宇宙的理論叫做"量子泡沫"(quantum foam)可以讓時空在很小的尺度上很混亂。有些模型說科學家可以在穿越長距離的一堆光子裡看到這效應。

一群科學家決定要用地球周圍強大望遠鏡收集到的光來找尋量子泡沫的證據。雖然他們沒有找到直接的證據,但科學家們可以排除兩個關於量子泡沫行為的理論,這把它大小的限度又更新了。

一個泡沫的宇宙

我們所知道的宇宙是由三維空間所組成,加上時間共同構成一種模式,這就是愛因斯坦說的"時空"(space-time)。 對於人類、行星、恆星、或任何比量子大的東西,時空是平穩的,就像開車在一條平坦的路面上。

相反的,在非常微小的尺度上,宇宙可能是泡沫狀,隨時在改變,這就是量子泡沫理論。

量子泡沫1

佛羅里達理工學院物理與太空科學教授Eric Perlman 說"一種想像時空泡沫的方法就是想像你坐飛機從大海上飛過,一切看起來很平順,但你飛低一點你就會看見海浪,在更靠近的話你就會看見浮動的泡沫。"

一艘從海面上經過的船不會感受到泡沫的影響,但很小的物體就有可能會。 Perlman 跟他同事的新研究試著觀察量子泡沫對光粒子的影響。

扭曲的畫面

Perlman說: 這些由量子泡沫製造的泡泡不是光子路上的阻礙物,而是光子在現實被改變上行走。假如沒有量子泡沫,那麼兩個從A點出發的光子可以行走同一條平穩的路徑到B點。但假如量子泡沫存在的話,而且不斷的造成現實結構的改變,那麼兩個光子在兩點之間將會行走不太一樣的路徑。

有些量子泡沫的模型表示這效應會讓光子失相,這可以讓地球上的人看宇宙的東西時好像扭曲了一樣。

Perlman 說"就像你在聽兩個音響不協調時的聲音會變成像噪音一樣。"

Perlman跟他的團隊從類星體(邀遠星系)尋找這樣扭曲的證據(有些量子泡沫模型表示距離越遠有些效應就會越明顯)。這些類星體也是宇宙中最亮的物體。類星體的中間是一個超巨大黑洞,被許多氣體、塵埃和其他物質給包圍。物質被吸入黑洞時他會發出比任何星系都還要亮的光。

類星體3

這團隊建造了電腦模擬顯示量子泡沫會如何影響地球對類星體的觀察。他們然後拿那些影像與三個巨大的望遠鏡的照片做比對。 Chandra X-ray Observatory、Fermi Gamma-ray Space Telescope與Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS)。

望遠鏡的影像沒有顯示量子泡沫摸型所預估的扭曲。它們說這表示模型不正確。

所以時空看起來是平穩的,至少在比光子大千分之一的尺度上是如此(許多模型估計量子泡沫會在更小的尺度上活動)。

目前只有一個量子泡沫的模型還存活著,這模型預估這些扭曲的效應不能在遠距離裡被放大,所以看遙遠的類星體無法幫助科學家找到量子泡沫的證據。目前這好像是唯一合理的模型。

Observations of distant quasars in X-rays from Chandra (top six images) and gamma-ray telescopes are helping scientists test the nature of space-time at extremely small scales. This artist's illustration (bottom) depicts how the foamy structure of space-time may appear, showing tiny bubbles quadrillions of times smaller than the nucleus of an atom that are constantly fluctuating and last for only infinitesimal fractions of a second.

把大與小結合

羅馬大學的理論物理學家Giovanni Amelino-Camelia說因為有許多的限制,研究量子泡沫的模型非常的"粗造" 所以結果需要很小心的來解釋(包括他自己的研究) 。

量子泡沫的出現是為了解決現代物理最大的問題: 如何把廣義相對論(引力理論)與量子力學結合在一起。

相對論

Perlman說 “當你想用量子力學來解釋引力時會非常困難。到目前為止還沒有成功過。"

量子泡沫可能會是拼圖裡不見的那一塊拼圖,可以把小(引力)與大(量子)結合在一起的東西。但目前科學家還不知道如何證明宇宙中怎麼渺小東西的存在。

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來源: Space