额外维度大小决定宇宙命运

来源:大科技 作者:魅力北方网 人气: 发布时间:2019-10-06

导读:额外维度一定很小,否则宇宙会产生很多迷你黑洞,会使宇宙万物在眨眼间消失。 这可能是宇宙走向毁灭的一种方式。 首先,宇宙中一对粒子以难以想象的速

额外维度一定很小,否则宇宙会产生很多迷你黑洞,会使宇宙万物在眨眼间消失。

这可能是宇宙走向毁灭的一种方式。

首先,宇宙中一对粒子以难以想象的速度碰撞在一起。它们撞击的巨大能量将产生一个微小的、短暂的黑洞,如此之小,以至于在蒸发之前它只能持续不到一秒钟。

然后,在黑洞蒸发时所处的地方,一个有着与我们居住的宇宙完全不同的物理定律的“空间泡泡”将开始生长,并以光速不断向外膨胀。凡是被这个泡泡所包裹的地方,任何原子都会瓦解,与之构成的万事万物都会在瞬间消失。

这个泡泡是无形的。它开始膨胀时,如果你站在附近,你看不到它的到来。如果它从下面朝你袭来,你的脚会在你意识到之前就消失了。

不过,要想让上面的恐怖场景真的发生,有一个前提:宇宙至少得有一个额外维度。但现实中,宇宙并没有走向毁灭,至少现在还没有。那么,这意味着什么呢?

要想理解这个问题,我们首先来谈谈额外维度会带来何种影响。

额外维度对宇宙的影响

每个人凭经验都知道,周围的空间有3个维度,例如一个物体可以上下、前后或左右移动。另外,我们还知道时间是1维的,因为时间流逝的方向只有一个。但许多物理学家都相信,我们的宇宙空间很有可能是高于3维的,这些多出来的空间维度可称为额外维度。把额外维度引入物理理论中,有助于解决当前许多物理学和宇宙学问题,包括把广义相对论和量子力学结合在一起的问题,暗能量和暗物质的本质问题,等等。

我们在生活中从来没有遭遇额外维度,也没有找到关于额外维度的任何证据。物理学家认为,额外维度应该卷缩在很小的空间内,太小了,目前还很难检测到。

物理学家推测,额外维度即使很小,也会对宇宙本身产生影响。例如,牛顿的万有引力定律认为,两个物体的万有引力大小与它们之间的距离成平方反比。但如果存在额外维度的话,在非常微小的尺度上,引力与距离的平方反比定律可能不成立。因为引力可能泄漏到这些额外维度上,这也许可以解释为什么在宏观尺度下,引力看起来比其他基本力弱得多。反过来,因为引力在很小的距离内向额外维度泄漏的量会比较少,这就会导致引力在很小的距离内变得比预期的更强,不再遵循平方反比定律(例如,引力大小可能与距离的立方或四次方成反比)。

迷你黑洞会毁灭整个宇宙

于是,问题就来了:如果额外维度真的存在,引力在微观尺度下更变得强,这就降低制造迷你黑洞的门槛。假如不存在额外维度,那么引力在微观尺度下应该跟在宏观尺度下是一样的,那么制造一个迷你黑洞,你得需要更多的质量或能量才行。

这就是为什么有些人曾担心,欧洲日内瓦附近的大型强子对撞机在2008年开始运行后,产生的高能粒子碰撞后,也许会制造出迷你黑洞,甚至有些人担心黑洞将地球吞噬。但到目前为止,还没有出现过这种情况。

然而,宇宙本身可以产生更高能量的粒子。目前所发现的能量最高的粒子来自于超高能宇宙射线,其能量大约是大型强子对撞机所产生的粒子能量的1亿倍。如果这些粒子之间的碰撞产生了迷你黑洞,那么物理学家可以就此计算出额外维度对引力有多大影响,以及引力的强度在距离变得多小时开始增强。

不过,迷你黑洞的寿命很短。根据英国物理学家霍金在20世纪70年代提出的理论,所有的黑洞都会向外辐射,它们会慢慢蒸发,最终消失得一干二净。而且,黑洞质量越小,蒸发的速度就越快。根据霍金的理论,任何由宇宙射线中粒子的碰撞而形成的迷你黑洞,几乎都会在瞬间消失。

这对整个宇宙来说可能是个坏消息。2015年,英国杜伦大学的几位物理学家在理论上证明了,当黑洞蒸发时,它们有可能将宇宙推入一种状态,在这种状态下,物理定律是如此的不同,以至于原子都无法稳定地存在。这样,宇宙内的万物都会在眨眼间消失。

这种灾难被称为真空衰变。它依赖于这样的观点:我们宇宙处在一种假真空之中。假真空是一种不稳定或亚稳定的真空,其能量密度不是理论上最低的。因为万物皆倾向于向能量最低的状态演化,所以假真空可以演化为具有最低能量密度的真空,即真真空。然而,理论还表明,宇宙如果进入这个真真空状态,那么原子以及它们所构成的万物都无法稳定存在。

假真空演变为真真空,可能很长时间都不会发生,或者在某个时刻突然莫名地发生了,或者被某些事件所触发,比如黑洞的蒸发。

杜伦大学的物理学家根据理论推算后发现,黑洞完全蒸发后,有可能在它所在的位置产生一个真真空区域。一旦真真空出现,它周围的空间就都会纷纷加入真真空。这个真真空区域就像一个膨胀的泡泡一样,开始以光速向外扩张,带走它所包裹的万事万物。

额外维度应该很小

但这个理论导致了一个悖论。宇宙中超高能宇宙射线的粒子碰撞,应该是宇宙中一种常见的现象。如果存在额外维度,并且如果它们足够大到足以让超高能宇宙射线产生迷你黑洞,那么宇宙应该出现过很多迷你黑洞,它们完全蒸发后,肯定有一些会触发真空衰变。事实上,我们还活着,真空衰变并没有发生。如果额外维度真的存在,那么它们必须比先前所认为的更小,使得超高能宇宙射线的粒子碰撞很难产生迷你黑洞。

来自美国的两位物理学家根据上面的思路进行了推算,发现任何额外维度的尺寸都必须小于大约16纳米,这一数字只有原先估计的几百分之一。当然,这个研究并不能令人完全信服。毕竟,宇宙是否处于假真空之中,黑洞的蒸发是否能触发真空衰变,这些都是有待商榷的。尽管如此,该研究仍有着一定的参考价值。

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