時間起源的秘密被發現

2023-04-02 01:55:26 1

類似於宇宙學家推斷宇宙歷史的方法。像化石一樣，天體不是隨機分布在太空中的。更具體地說，星系等物體位置之間的空間相關性講述了古代歷史的詳細故事。古生物學家推斷恐龍的存在，以便對奇怪的骨骼結構做出合理的解釋。今天，我們研究太空中的模型，並推斷宇宙的歷史來解釋它們。

幾十年來，宇宙學家所知的一個奇怪模式是，宇宙充滿了相互關聯的成對物體:早期宇宙地圖上看到的成對熱點當今宇宙中的銀河對或星系團或超星系團；每隔一段時間就有一對。通過移動天空地圖上的標尺，你可以看到這些「兩點關聯」。當一端有物體時，宇宙學家發現這增加了另一端有另一物體的可能性。

對這種相關性的最簡單解釋是，它們可以追溯到大爆炸開始時空間指數擴大時出現的量子粒子對。早期出現的粒子對移動得最遠，在今天的天空中產生了彼此遠離的物體對。後來的粒子對分離得更少，現在形成更緊密的物體對。像化石一樣，天空中看到的兩種相關性編碼了時間的流逝——在這種情況下，是時間的開始。

的宇宙學家認為，在宇宙誕生的時候，也應該發生罕見的量子波動，包括三個、四個甚至更多的粒子。這些可能會導致今天天空中物體的更複雜配置:星系的三角形排列、四邊形、五邊形和其他形狀。望遠鏡還沒有發現這些統計上微妙的「高點」關聯，但是找到它們將幫助物理學家更好地理解大爆炸後的初始時刻。

然而，直到最近，理論家們才發現計算這些信號的樣子是一項挑戰。在過去的四年裡，一小組研究人員以一種新的方式研究了這個問題。他們發現這種聯繫形式直接遵循對稱性和其他深奧的數學原理物理學家

採用了一種叫做「自助法」的方法這種方法只考慮了數理邏輯和自然規律本身的自洽性，而不是基於經驗證據，從而推導出自然規律。研究者運用自助的法律哲學，推導並求解了一個簡潔的數學方程，指出了天空中不同原始成分可能導致的相關模式。也許這部作品最引人注目的方面是它對時間本質的暗示在新的指導方程中沒有「時間」變量然而，它預測了宇宙中各種大小的三角形、矩形和其他形狀，並講述了量子粒子在時間之初出現和演化的合理故事。

這表明宇宙起源的版本可能是一種幻覺。時間可以被視為一個「湧現」的維度，一個由宇宙空間相關性產生的全息圖，它本身似乎來自基本的對稱性簡而言之，這種方法可能有助於解釋時間為什麼開始，為什麼結束。1980年，宇宙學家艾倫·格斯思考了一系列宇宙學特徵，提出大爆炸始於突然的指數膨脹，即所謂的「宇宙膨脹」兩年後，許多世界頂級宇宙學家聚集在劍橋，解決新理論的細節問題。在為期三周的拉菲爾德研討會上，包括格斯、史蒂芬·霍金和未來的皇家天文學家馬丁·裡斯在內的一群人拼湊出了時間之初短暫的通貨膨脹的影響研討會結束時，幾位與會者分別計算出宇宙膨脹期間的量子抖動可能確實以正確的速度發生並以正確的方式演化，從而導致觀測到的宇宙密度變化

為了理解這個過程，我們可以想像驅動宇宙膨脹的假想能量場，即所謂的「膨脹場」「當這個能量場為空間的指數膨脹提供能量時，成對的粒子就會自發地出現在這個能量場中這種配對總是發生在量子場中，暫時借用海森堡測不準原理所允許的能量場通常情況下，波紋會很快消失並返回能量。但這在通脹期間不太可能發生。隨著空間的擴大，波紋像太妃糖一樣擴散開來，然後被撕開。它們像密度的雙峰一樣「凍結」在田野裡。隨著過程的繼續，這些峰在所有範圍內形成嵌套模式。

擴張結束後(開始後的一瞬間)，空間密度的變化仍然存在一項名為宇宙微波背景輻射的古代光研究發現，早期宇宙的密度差約為萬分之一——雖然不多，但已經足夠了。在接下來的138億年裡，重力將物質拉向緻密恆星，從而增強了這種反差:銀河系和仙女座星系的密度現在是宇宙平均密度的100萬倍。

然後在20世紀80年代和90年代，宇宙學家開始思考在宇宙膨脹期間除了膨脹場之外還可能存在什麼其他場，以及這些場如何改變模式。眾所周知，膨脹場至少與引力場相互作用。因為在量子力學中，場經常互相滲透，當一對粒子出現在膨脹場中，並被宇宙的膨脹拉開時，偶爾其中一個會自發地被引力場激發，引力場是兩個重子這對粒子，以及剩餘的膨脹粒子，將繼續在空間中分離和凍結，形成一個集中能量的三角形排列。同時，如果一對原始粒子波存在，然後每個粒子衰變成另外兩個粒子，這將產生四個關聯

，然而，儘管望遠鏡可以清楚地看到兩點之間的相關性，但這三點與較高點之間的相關性預計會較小，因此更難被發現。到目前為止，這些信號一直隱藏在噪音中，儘管在未來的十年裡會有幾個強大的望遠鏡在線，並且有機會區分它們。

宇宙學中的化石獵人通過繪製張玉舟地圖並在上面移動三角形模板來尋找這些信號對於模板的每個位置和方向，他們測量三個角的宇宙密度並乘以數字如果答案與計算的平均宇宙密度不同，它與三點有關。在測量了天空中特定模板的三點相關強度後，他們用其他尺寸和相對邊長的三角形模板、四邊形模板等重複了這個過程。作為不同形狀和大小的函數的宇宙相關強度的變化被稱為「相關函數」，它編碼了宇宙誕生期間粒子動力學的豐富信息。

然後在2002年，高級研究所的理論物理學家胡安·馬爾達·塞納成功地計算了由膨脹子和引力子相互作用產生的三點相關模型瑪爾達·塞納的計算開闢了一個新領域。研究人員利用他的技術計算了其他膨脹模型的特徵，這些模型假設除了膨脹子和引力子之外，還有其他相關的粒子。

簡單對稱

2年3月014日，BICEP2望遠鏡的科學家宣布，他們在宇宙膨脹期間發現了一個以一對引力子為標誌的天空渦旋旋渦模式很快被確定為來自銀河塵埃，而不是時間開始時的事件，但在崩潰的過程中，許多物理學家開始重新考慮膨脹的問題。

結合他們的專業知識，物理學家們意識到他們可以把宇宙的膨脹看成一個超級強大的粒子對撞機。膨脹場的能量將促進大量粒子對的產生，它們之間的相互作用和衰變將產生更高的相關性，類似於歐洲大型強子對撞機碰撞中產生的粒子級聯。

在正常情況下，這種重新定義是沒有用的；粒子之間的相互作用可以以無數種方式進行，而預測最可能結果的標準方法是一項困難的任務。然而，粒子物理學家最近發現了一個使用自舉程序的捷徑。通過使用對稱性、邏輯原理和一致性條件，他們通常可以在不考慮複雜粒子動力學的情況下確定最終答案。這些結果表明，粒子物理學的傳統圖景——粒子在空間和時間中的運動和相互作用——可能不是對正在發生的事情最深刻的描述。一些粒子碰撞的結果非常簡單地遵循一個幾何體積，即所謂的振幅面。考慮到這些發現，物理學家可以對宇宙膨脹期間的動力學有更簡單的理解。他們利用的事實是，根據膨脹宇宙學，指數膨脹的宇宙幾乎與「德西特空間」的幾何形狀完全相同，德西特空間是一個有10個對稱的球形空間，或者可以通過變換保持不變。有些對稱性我們很熟悉，今天仍然存在。例如，你可以向任何方向移動或轉彎，物理定律保持不變。Desit空間也尊重擴展對稱性:當您放大或縮小時，所有物理量保持不變或最多按一個常數重新縮放最後，設計空間在「特殊保角變換」下是對稱的

他們發現這10個膨脹宇宙的對稱性嚴重限制了膨脹所能產生的宇宙相關性。為了找出宇宙中可能凍結的空間模型，研究人員將德克斯特空間的10個對稱性轉化為簡單的微分方程，並給出了最終答案。在2015年的一篇論文中，他們在非常窄的三角形和四邊形的「壓縮極限」下解決了這個方程，但是他們不能完全解決它。

他們發現一個特定的四點相關函數是關鍵，因為一旦他們解了描述這個函數的微分方程，他們就能指導所有其他函數。哈佛大學宇宙學家陳心剛說:「他們基本上已經證明了對稱性，只需要一些額外的要求就能告訴你完整的答案。」「

到目前為止，這些計算已經涉及到宇宙膨脹的可能空間模式其他關於宇宙誕生的理論應該有不同的高點特徵。在過去的五年裡，人們對反彈宇宙學表現出新的興趣，反彈宇宙學將大爆炸重新定義為前一個時代的大反彈。新的基於對稱性的方法可能有助於區分膨脹宇宙和反彈宇宙之間的高度相關性。

時間是從哪裡來的

從永恆幾何學的角度來看，許多物理學家發現了一種解釋，時間一定是突然的——一種我們感知到的變量，它出現在我們對自然的粗糙描述中，但不包括現實的終極法則

這種預感的主要原因是大爆炸

大爆炸是我們知道突然出現的時間。真正理解最初的時刻似乎需要一個耗時的視角。因此，物理學家尋求永恆的數學來創造一個看起來像進化的宇宙。最近的研究給了我們一瞥這是如何工作的。

的物理學家從設計空間的10個對稱性開始對於任何給定的展開分量，這些對稱性產生一個微分方程方程的解是一個相關函數，解釋了每個特定形狀的相關強度如何隨尺寸、內角和相對邊長的函數而變化。為了得到這些表達式並求解這個方程，考慮這個方程的奇異性是很重要的。等式

通常是奇異的。例如，在四邊形的兩條相鄰邊互相摺疊的限制下，四邊形接近三角形的形狀。然而，三角形(即三點相關)也可以用作方程的解因此，研究人員要求四點相關函數的「摺疊極限」與該極限中的三點相關函數相匹配。該要求選擇特定的解決方案作為正確的四點相關函數

此功能正在振蕩這種振蕩有一個時間上的解釋:膨脹場中產生的粒子對相互幹擾。當它們這樣做時，它們衰減的概率隨著它們之間的時間(和距離)而變化。這給他們留下了天空中四種相關的振蕩模式。「因為振蕩是時間進化的同義詞，所以對我來說，它是時間最明顯的例子，」現任阿姆斯特丹大學教授的鮑曼說。

在這個例子和其他例子中，時間進化似乎直接來自對稱性和奇點

然而，目前，自舉方程仍然是一個相當奇怪的數學和物理的混合體。方程中的邊長有一個動量單位，而相關函數將不同位置的物理量聯繫起來。艾哈邁德正在尋找一個更簡單、更純粹的數學幾何公式。如果被發現，他可以提供對時間的可能發生和它背後的原理的進一步洞察。例如，對于振幅面描述的粒子相互作用，合理的結果由一個稱為正定性的原理保證，該原理定義振幅面的內部體積

回想一下，膨脹的宇宙幾乎具有德克斯特空間的幾何形狀，但並不完全是這樣在完美的德西特空間中，時間沒有變化，整個向外延伸的幾何圖形同時存在。隨著時間的推移，膨脹場的能量慢慢減少，引起變化，從而打破了時間的對稱性。鮑曼認為這是創造宇宙學的必要條件。「根據宇宙學定義，我們想要的是隨時間變化的東西，」他說。「在設計空間，沒有變化」他把原始宇宙比作水或磁鐵這樣的系統，非常接近它經歷相變的臨界點。