【原】通過全息理論,，我們將有可能探測到早期宇宙相變引力波

天文在線 2023-08-29 發(fā)布于云南

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如果會,，在不遠的將來我們應(yīng)該可以探測到這些時空漣漪

早期宇宙中的全息相變會釋放引力波嗎,？

藝術(shù)家描繪的兩個黑洞合并并且引起我們所知的引力波漣漪（圖源：LIGO/T。Pyle）An artist's illustration of two black holes merging and creating ripples in space-time known as gravitational waves,。（Image credit: LIGO/T,。Pyle）

我相信你可以理解我們對極早期的宇宙知之甚少。

我們懷疑它經(jīng)歷了幾個主要的變革時期——稱為相變——最終產(chǎn)生了我們所知道和熱愛的宇宙,。最近，一組物理學家使用了弦理論中最強大的工具之一來處理這些相變,，并透露我們即將可以通過引力波特征直接探測那些宇宙活動,。

新的階段

在自然中有四種已知的力,，其中兩種你都很熟悉：引力和電磁力，它們聯(lián)合起來構(gòu)成了我們?nèi)粘Ｉ畹拇蟛糠?。第三種,，強核力,，負責把原子核聚集在一起,，但除此之外，它極短的作用距離使它無法做其他值得注意的事情,。第四種,，弱核力,，它使核衰變和核反應(yīng)成為可能，這很方便,。但除此之外,，它不管其他的事。

這四種力相互之間沒有什么不同,，但現(xiàn)代物理學最顯著的見解之一是,，它們可能都是同一種力的表現(xiàn)形式。我不能把這種統(tǒng)一的力量稱作“力”,，因為《星球大戰(zhàn)》宇宙已經(jīng)使用了這個綽號，所以我們只能稱它為“統(tǒng)一的力”,。

我們不知道這種統(tǒng)一的力是否真的存在（或曾經(jīng)存在過）,，但我們已經(jīng)能夠?qū)⒆匀坏膬煞N力融合在一起,。在我們的高能粒子對撞機實驗中，電磁力和弱核力融合在一起,，成為統(tǒng)一的“弱電力”。

如果我們的粒子對撞機能夠?qū)崿F(xiàn)這一壯舉,，那么宇宙肯定也可以實現(xiàn)。當我們的宇宙還不到一秒大時,，它極其的小,、熱和密,。如此的小、熱和密,，以至于足夠使弱電力失控,。只有當宇宙膨脹并冷卻到超過這一點之后,，這些力才能分成它們各自不同的身份,。

艱難的旅程

在我們最簡單的模型中,，這一轉(zhuǎn)變是相對平穩(wěn)的——從弱電狀態(tài)簡單過渡到分離成電磁力和弱核力的宇宙,。不過,，雖然我們最簡單的物理模型非常成功,，它也有缺點,。我們無法用簡單的模型解釋宇宙中的各種物理現(xiàn)象（比如中微子的質(zhì)量和暗物質(zhì)的存在）。

更復雜（和更假設(shè)）的物理模型預測,，結(jié)束弱電時代的相變非常劇烈,。這個過程非但不平穩(wěn),，還非常艱難崎嶇,。新力量的泡沫在能量的猛烈釋放中形成,、增長和融合，隨著弱電力與自身的分離,，宇宙爆發(fā)出混亂的狂暴,。

但是除了能說“是的，這太瘋狂了”之外,，現(xiàn)代物理學的工具還不能更詳細地描述這種劇烈的相變,。我們的數(shù)學沒有好到能追蹤所有復雜,、強大的力量,，因為它們改變了宇宙,。

全息理論

好吧,，這并不是弦理論本身,。弦理論是我們試圖描述統(tǒng)一的力（并用單一理論解釋所有的物理）,，但它并沒有被破解——沒人能夠解出弦理論的數(shù)學問題以做出實際預測（這對科學很重要）,。但在物理學家試圖解開弦理論之謎（雙關(guān)語）的數(shù)十年中,，他們偶然發(fā)現(xiàn)了一種看似強大的技術(shù),。一些看似難解的問題，可以轉(zhuǎn)化為相對簡單易解的問題,，再轉(zhuǎn)化回來得到答案,。

問題是：你必須從更高的維度去思考。在我們試圖理解早期宇宙的煩亂嘈雜的情況下,，相變物理學背后的困難的（或許是不可能的）數(shù)學可以轉(zhuǎn)化為一個涉及廣義相對論的更簡單的問題——在五維上,。

這沒有任何意義。為什么這一招有效,？為什么四維的弱電問題變成五維的引力問題,？我們不知道。但我們知道的是,，這個方法可能足夠瘋狂到可以奏效,，一個理論物理學家團隊已經(jīng)使用這種方法來模擬早期宇宙的物理,，正如發(fā)表在預印本期刊《arXiv》上的一篇論文所報道的那樣,。

有了這種新穎的“全息” （和這種技術(shù)的名稱一樣,，因為它涉及在不丟失信息的情況下從一組維度轉(zhuǎn)換到另一組維度）技巧,，理論家們就能夠追蹤弱電相變期間泡沫的形成,。他們發(fā)現(xiàn),，泡沫的形成和碰撞會導致引力波的巨量釋放,。

那些時空的漣漪可以持續(xù)到今天,。但是，即使它們剛形成時可以像撕紙一樣把你撕成碎片,，現(xiàn)在它們幾乎無法推動一個原子,。我們還不具備探測它們的靈敏度,，但研究人員發(fā)現(xiàn)，擬議的太空基引力波探測器,，如歐洲空間局的激光干涉空間天線任務(wù)（LISA）,，將具備探測能力,。