1. 首页 > 自然地理

量子物理学如何让我们回溯时空

在许多方面,我们对遥远宇宙的看法是我们最接近时间机的东西。虽然我们不能穿越时空,但我们可以做下一件最好的事情:不要像今天这样看待宇宙,而是像很久以前那样看待宇宙。无论何时,当光从一个遥远的光源(如恒星、星系或类星体)发出时,它首先需要穿越将光源与我们自己、观察者分离的巨大宇宙距离,而这需要时间。

量子物理学如何让我们回溯时空

即使以光速,这些信号也可能需要数十亿甚至超过100亿年才能到达,这意味着我们看到的遥远物体越远,我们所看到的大爆炸的时间就越近。然而,我们所能看到的最早的光来自任何恒星或星系之前的时代:宇宙的原子核和电子结合形成中性原子。然而,这只是量子物理学中一个非常特殊的怪癖,让我们能够看到宇宙,就像很久以前一样。没有它,最早的信号就不可能存在,我们也就无法像今天这样回溯时空。

量子物理学如何让我们回溯时空

上图:在膨胀期间发生的量子涨落在整个宇宙中被拉伸,当膨胀结束时,它们就变成了密度涨落。随着时间的推移,这导致了今天宇宙中的大尺度结构,以及在宇宙微波背景(CMB)中观测到的温度波动。像这样的新预测对于证明所提出的微调机制的有效性至关重要。

为了理解宇宙中最早的可观测信号来自何处,我们必须回到过去:回到大爆炸的最早时刻。当宇宙是热的、稠密的、几乎完全均匀的、充满了物质、反物质和辐射的混合物时,它正在以难以置信的速度膨胀。在这些最早的时刻,宇宙中有些区域的密度略高于平均值,有些区域的密度略低于平均值,但仅为30000分之一。

量子物理学如何让我们回溯时空

如果仅仅依靠引力,密度过大的区域会增长,吸引更多的周围物质,而密度过小的区域会把它们的物质让给密度较高的周围区域。但是宇宙并不仅仅是由引力控制的;自然的其他力量也起着重要的作用。例如,辐射——特别是光子形式的辐射——在早期宇宙中能量极高,它对物质演化的影响在许多方面都很重要。

首先,物质(和反物质)如果带电,很容易散射光子。这意味着,任何一个辐射量子,无论何时遇到带电粒子,都会与其发生相互作用并交换能量,与低质量带电粒子(如电子)的接触比与高质量带电粒子(如质子或原子核)的接触更为可能。

量子物理学如何让我们回溯时空

其次,当物质试图引力坍缩时,该区域的能量密度上升到这个平均值以上。但是辐射对高能量密度的反应是从高密度区域流入低密度区域,这导致了一种“反弹”,其中:

密度上升,光子压力增加,光子流出,密度下降,导致光子压力下降,使光子和物质回流,增加密度,循环还在继续。当我们谈论我们在宇宙微波背景中看到的波动时,它们遵循一种特殊的“摆动”模式,这种“摆动”模式与早期宇宙等离子体中发生的这些“反弹”或声振荡相对应。

量子物理学如何让我们回溯时空

但还有第三件事同时发生:宇宙正在膨胀。当宇宙膨胀时,它的密度会下降,因为当体积增大时,它内部的粒子总数保持不变。然而,第二件事也会发生:每一个光子的波长——每一个电磁辐射的量子——随着宇宙的膨胀而延伸。因为光子的波长决定了它的能量,波长越长对应的能量越低,宇宙膨胀时也会冷却。

一个密度较低的宇宙,从最初的热和稠密状态冷却下来,它所做的不仅仅是引力。在高能下,两个量子之间的每次碰撞都有机会自发地产生粒子/反粒子对;只要在每次碰撞中有足够的能量通过爱因斯坦的E=mc产生大质量粒子(和反粒子), 这是有可能发生的。

在早期,这种情况大量发生,但随着宇宙膨胀和冷却,它停止发生,相反,当粒子/反粒子对相遇时,它们会湮灭。当能量降到足够低的值时,只剩下少量多余的物质。

量子物理学如何让我们回溯时空

随着宇宙的不断膨胀和冷却,以及密度和温度的下降,其他一些重要的转变也随之发生。

夸克和胶子形成稳定的束缚态:质子和中子,中微子以前相互作用很强,现在不再与其他粒子碰撞,最后一对反物质,电子和正电子,湮灭了,光子充分冷却,第一次稳定的核聚变反应就发生了,在大爆炸之后立即产生了轻元素,正常物质、暗物质和辐射之间的振荡舞蹈发生了,导致了特殊的波动模式,这种波动模式将在以后发展成为宇宙的大尺度结构,最后,中性原子可以稳定地形成,因为光子已经足够冷却,它们不再立即从它们结合的原子核中发射电子。

直到这最后一步完成——这一步需要10万年的时间——宇宙才变得对其中的光透明。先前存在的电离等离子体不断吸收和再发射光子,但一旦中性原子形成,这些光子就会随膨胀的宇宙自由流动和红移,形成我们今天观测到的宇宙微波背景。

量子物理学如何让我们回溯时空

这种光,平均来说,来自于大爆炸后约38万年的时间。与我们宇宙138亿年的历史相比,这是难以置信的短,但与大爆炸后最初几分钟内发生的最初几步相比,这是非常长的。因为光子的数量超过原子的十亿分之一,即使是极少量的超高能光子也能使整个宇宙电离。只有当它们冷却到一个特定的阈值(相当于约3000 K的温度)时,这些中性原子才能最终形成。

但如果你仔细想想,最后一步会有一个直接的问题。

当电子与原子核结合时,它们会以连锁反应的形式,以不同的能级级联而下。最终,这些电子将进行能量最大的转变:到基态。最常见的跃迁是从第二个最低能量态(称为n=2)到最低能量态(n=1),在这种情况下,它发射一个高能的莱曼系光子。

量子物理学如何让我们回溯时空

为什么这是个问题?我们需要宇宙冷却到大约3000k以下,这样就不会有足够的高能光子将这些基态电子重新激发回激发态,在那里它们很容易电离。所以我们等啊等啊等,最后,在大爆炸几十万年后,我们到了那里。在那个时候,电子与原子核结合,它们将不同的能级级联,最后转变为基态。

这种高能的,最终的转变导致了一个高能的,莱曼系光子的发射。现在,如果你已经开始在宇宙中形成中性原子,你可以计算莱曼级数光子在撞击到中性原子之前的移动距离,并将其与光子的红移量进行比较。如果它的红移量足够大,它的波长就会变长,原子就不能吸收它(记住,原子只能吸收特定频率的光子)。

然而,当你做数学计算时,你会发现,这些跃迁到基态所产生的绝大多数光子——大约每100000000个光子中有999999999个——只是被另一个相同的原子重新吸收,然后很容易被电离。

量子物理学如何让我们回溯时空

这意味着一件相当令人不安的事情:我们一直在等待宇宙变成电中性,然后当它变成电中性时,我们计算出,几乎每一个这样做的原子本身都将负责重新电离同一类型的不同原子。

你可能认为这意味着我们只需要等待足够长的时间,然后这些跃迁就会发生足够长的时间,从光子发射到它遇到另一个原子。这是真的,但如果是这样的话,宇宙变成电中性所需的时间不会是38万年。相反,这种转变需要大约79万年的时间才能发生,那时宇宙的温度会一直下降到大约1900 K。

量子物理学如何让我们回溯时空

换句话说,你试图形成中性原子的最简单的方法——当我们宇宙中的离子重新结合时自然发生的方法——不能成为它在早期宇宙中发生的主要机制。

那它是怎么发生的呢?你必须记住,原子中电子的最低能量态,n=1态,总是球形的。在这种状态下,最多可以容纳两个电子,因此氢——宇宙中最常见的元素——在到达那里时,总是有一个电子处于n=1的状态。

然而,n=2态最多可以容纳8个电子:在球形态(s轨道)中有两个槽,在x、y和z方向上各有两个槽(p轨道)。

问题是量子力学禁止从一个s轨道到另一个s轨道的跃迁。没有办法从s轨道发射一个光子,让电子在能量较低的s轨道上卷起来,所以我们前面讨论的跃迁,发射一个莱曼系光子,只能从2p态到1s态。

但有一个特殊的、罕见的过程可能发生:从2s态(或3s,或4s,甚至3d轨道)到基态(1s)的双光子跃迁。它的出现频率仅为莱曼级数跃迁的0.000001%左右,但每次出现都会给我们带来一个新的中性氢原子。这种量子力学的怪癖是在宇宙中产生中性氢原子的主要方法。

量子物理学如何让我们回溯时空

如果不是这种罕见的转变,从高能球形轨道到低能球形轨道,我们的宇宙在细节上会有难以置信的不同。在宇宙微波背景中,我们会有不同数量和大小的声波峰值,因此我们的宇宙将有一组不同的种子涨落来建立它的大尺度结构。我们宇宙的电离历史将会不同;第一批恒星的形成需要更长的时间;而大爆炸余辉发出的光只会把我们带回大爆炸后的79万年,而不是我们今天得到的38万年。

在一个非常真实的意义上,有无数种方式可以让我们观察到遥远的宇宙——到最远的深空,在那里我们可以探测到大爆炸后产生的最早信号——如果没有这一次量子力学的转变,从根本上说,这将是不那么强大的。如果我们想了解宇宙是如何形成今天的样子的,即使是在宇宙尺度上,结果是如何微妙地依赖于量子物理学的亚原子规则,这是值得注意的。如果没有它,我们在时空中看到的景象将远没有那么丰富和壮观。

声明:部分文章和图片来源于网络,版权归原作者所有,如有侵权,请联系删除:allen585858@qq.com。本站发布此信息目的在于传播更多信息,与本网站立场无关,不保证该信息(包括但不限于文字、数据及图表)准确性、真实性、完整性等。本文地址:https://www.qiwenya.com/zrdl/9968.html

联系我们

在线咨询:点击这里给我发消息

微信号:weixin888

工作日:9:30-18:30,节假日休息