大反彈
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大反彈（big bounce）是說明宇宙起源的假說之一。大反彈最初是作為大爆炸的循環模型的一個階段提出的，認為宇宙的形成乃是不停重複大爆炸和大擠壓的過程。也就是說宇宙是一直不停地收縮和膨脹。因此我們所說的宇宙的起源（也就是大爆炸）可能只是上一次宇宙大擠壓所造成的後果。[1][2][3][4]1980年代初，隨着大尺度結構觀測的進展，出現了解決視界問題的宇宙暴脹說，人們開始認真考慮這問題。
暴脹將是永恆的，創造了無數具有不同典型性質的宇宙，因此可觀測宇宙的性質是偶然的。[5]大反彈等概念是解決視界問題的另一種可預測、可證偽方案。[6]截至2022年，研究仍在進行。[7][8][9][10]
膨脹與收縮[編輯]
大反彈認為，大爆炸是膨脹期的開端，之後將是收縮期。[11]這樣看，可以說大擠壓緊接着一次大爆炸，整體是一次大反彈。這說明，我們可能生活在無限宇宙序列上的任意一點，也可能是端點。不過，若將「反彈之間」（「原始原子假說」）的條件完全考慮在內，那麼這種列舉可能沒有意義了：倘若這種循環是絕對、無別的，那麼這種條件在每個例子中都可能代表時間中的奇點。
大反彈量子理論背後的主要觀點是，密度接近無窮大時，量子泡沫的行為會發生變化，所有基本物理常數（如真空光速）在大擠壓間不一定不變，在小於極短時間間隔（普朗克時間）內便可能跨越拐點。
歷史[編輯]
威廉·德西特、卡爾·馮·魏茨澤克、George McVittie、喬治·伽莫夫（強調「從物理學角度來看，我們必須完全忘記坍縮前的時期」）等宇宙學家主要從美學角度認可了大反彈模型。[12] 1980年代初，觀測宇宙學的精度和範圍不斷擴大，揭示了宇宙的大尺度結構是平坦、均勻、各向同的，後來總結為宇宙論原則，適於大約3億光年以外的尺度。人們逐漸發現，需要解釋為什麼宇宙中遙遠的區域會有相同的特性，卻沒有類似於光的交流。一種解釋是，早期宇宙有一段指數膨脹期，即宇宙暴脹。 暴脹理論的各種表述與詳細含義很快成為理論界深入研究的主題。由於沒有有力的競爭者，暴脹理論成為解決視界問題的主要理論。
1965年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·伍德羅·威爾遜發現了宇宙微波背景，公眾對大爆炸模型的認識隨之提高。「大反彈」首次見於1969年埃爾莫爾·倫納德創作的小說《大反彈》。1987年，Wolfgang Priester & Hans-Joachim Blome在《宇宙與世界》（Stern und Weltraum）上發表的論文題目提出了大反彈說（德語）。[13]次年，Iosif Rozental《大爆炸，大反彈》（Big Bang, Big Bounce，一部俄語書的英譯本）將這詞引入了英語。1991年Priester & Blome在《天文學與天體物理學》（Astronomy and Astrophysics）發表了一篇論文（英語）。
宇宙早期存在大反彈的觀點在基於圈量子重力的研究中得到了不同的支持，圈量子宇宙學是其分支。2006年2月，賓夕法尼亞州立大學的阿貝·阿希提卡、Tomasz Pawlowski、Parampreet Singh等人首次在各向同均勻模型中構造了大反彈。[14]這結果已被不同小組推廣到其他各種模型，如空間曲率、宇宙學常數、各向異性與Fock量子化不均勻情形。[15]
賓夕法尼亞州立大學物理助教授Martin Bojowald在2007年7月發表了一份研究報告，詳細介紹了與圈量子重力有關的工作，聲稱可用數學方法解決大爆炸前的時間問題，這將為振盪模型和大反彈理論賦予新的可能。[16] 大爆炸論的主要問題是，大爆炸瞬間存在體積為零、能量無窮大的引力奇點。這通常被解釋為我們所知的物理學的終結，這種情況下是廣義相對論的終結。人們期待量子效應能迴避奇點。 圈量子宇宙學研究聲稱，先前的宇宙沒有坍縮到奇點，而是之前的某點，當中引力的量子效應變得過於強烈，使宇宙反彈回來，形成新的分支。整個坍縮與反彈過程中，演化都是單一的。
Bojowald還認為，之前宇宙的某些性質也可以確定；由於不確定原理，也有些性質無法確定。不同研究小組對這結果提出了質疑，指出由於不確定性原理對漲落的限制，在整個反彈過程中，相對漲落的變化受到了強烈制約。[17][18]
雖然大反彈的存在仍有待圈量子重力的證明，但其主要特徵的穩健性已由圈量子宇宙學的精確結果與數值模擬研究得到證實。[19]
2006年，有人提出，圈量子重力技術可用於大爆炸宇宙學，這樣會有不需要循環的反彈。[20]
2010年，羅傑·彭羅斯提出了一種基於廣義相對論的理論，稱之為「共形循環宇宙學」。其中，宇宙會不斷膨脹，直到所有物質都衰變為光子。由於宇宙中的所有事物都不再有相關的時間或距離尺度，其將與大爆炸變得完全相同，於是就產生一種大擠壓，成為下一次大爆炸，進入下一輪循環。[21]
2011年，Nikodem Popławski指出，非奇點的大反彈自然出現在引力的愛因斯坦-嘉當-Sciama-Kibble理論中。[22]該理論去除了仿射連接對稱性的限制，並將其反對稱部分（扭率張量）視作動力學變量，從而推廣了廣義相對論。扭率與狄拉克旋子間的最小耦合產生了旋旋相互作用，在密度極高的費米子物質中非常重要，避免了不合物理原理的大爆炸奇點，代之以在有限小尺度因子上的尖點狀反彈，而在此之前，宇宙一直在收縮。這也是為什麼現在的宇宙在最大尺度上看起來平坦、均勻、各向同，為暴脹提供了替代。
2012年，在標準愛因斯坦引力框架內構建了一種新的非奇異大反彈理論。[23]這理論結合了物質反彈和火宇宙論的優點，特別是在均勻各向同背景宇宙學解中，BKL不穩定性對各向異應力之增長也不穩定，而這理論解決了這個問題。此外，物質收縮中的曲率擾動可以形成近乎標度不變的原始功率譜。從而為解釋宇宙微波背景（CMB）觀測提供了一致的機制。
有資料認為，大爆炸後不久就出現了難以解釋其巨大體積的超大質量黑洞，如ULAS J1342+0928[24]，可能是在大反彈之前形成的。[25][26]
參見[編輯]
參考文獻[編輯]
- ^ Abelev, B.; Adam, J.; Adamová, D.; Aggarwal, M. M.; Aglieri Rinella, G.; Agnello, M.; Agostinelli, A.; Agrawal, N.; Ahammed, Z.; Ahmad, N.; Ahmed, I.; Ahn, S. U.; Ahn, S. A.; Aimo, I.; Aiola, S. Beauty production in pp collisions at s=2.76 TeV measured via semi-electronic decays. Physics Letters B. 2014-11-10, 738: 97–108 [2023-12-21]. ISSN 0370-2693. S2CID 119489459. doi:10.1016/j.physletb.2014.09.026
. （原始內容存檔於2023-11-24） （英語）.
- ^ Novello, M.; Bergliaffa, S. E. Perez. Bouncing cosmologies. Physics Reports. 2008-07-01, 463 (4): 127–213. Bibcode:2008PhR...463..127N. ISSN 0370-1573. S2CID 119274449. arXiv:0802.1634 . doi:10.1016/j.physrep.2008.04.006 （英語）.
- ^ Finelli, Fabio; Brandenberger, Robert. Generation of a scale-invariant spectrum of adiabatic fluctuations in cosmological models with a contracting phase. Physical Review D. 2002-05-15, 65 (10): 103522. Bibcode:2002PhRvD..65j3522F. S2CID 7262222. arXiv:hep-th/0112249 . doi:10.1103/PhysRevD.65.103522.
- ^ Ashtekar, Abhay; Pawlowski, Tomasz; Singh, Parampreet. Quantum nature of the big bang: Improved dynamics. Physical Review D. 2006-10-02, 74 (8): 084003. Bibcode:2006PhRvD..74h4003A. S2CID 34651070. arXiv:gr-qc/0607039 . doi:10.1103/PhysRevD.74.084003.
- ^ McKee, Maggie. Ingenious: Paul J. Steinhardt – The Princeton physicist on what's wrong with inflation theory and his view of the Big Bang. Nautilus (17) (NautilusThink Inc.). 2014-09-25 [2017-03-31]. （原始內容存檔於2017-01-23）.
- ^ Steinhardt, Paul J.; Turok, Neil. The cyclic model simplified. New Astronomy Reviews. 2005, 49 (2–6): 43–57. Bibcode:2005NewAR..49...43S. ISSN 1387-6473. S2CID 16034194. arXiv:astro-ph/0404480 . doi:10.1016/j.newar.2005.01.003.
- ^ Ijjas, Anna; Steinhardt, Paul J. Entropy, black holes, and the new cyclic universe. Physics Letters B. 2022-01-10, 824: 136823 [2023-12-21]. doi:10.1016/j.physletb.2021.136823 . （原始內容存檔於2023-12-21） –透過ScienceDirect.
- ^ Wood, Charlie. Big Bounce Simulations Challenge the Big Bang. Quanta Magazine. 2020-08-04 [2023-12-21]. （原始內容存檔於2023-08-24）.
- ^ Lehners, Jean-Luc; Steinhardt, Paul J. Planck 2013 results support the cyclic universe. Physical Review D. 2013, 87 (12): 123533. Bibcode:2013PhRvD..87l3533L. ISSN 1550-7998. S2CID 76656473. arXiv:1304.3122 . doi:10.1103/PhysRevD.87.123533.
- ^ Brandenberger, Robert; Peter, Patrick. Bouncing Cosmologies: Progress and Problems. Foundations of Physics. 2017, 47 (6): 797–850. Bibcode:2017FoPh...47..797B. ISSN 0015-9018. S2CID 118847768. arXiv:1603.05834 . doi:10.1007/s10701-016-0057-0.
- ^ Craig, David J. Was the Big Bang Really a Big Bounce?. Columbia Magazine. Columbia University. 2018 [2023-07-03]. （原始內容存檔於2023-07-03）.
- ^ Kragh, Helge. Cosmology. Princeton, New Jersey: Princeton University Press. 1996. ISBN 978-0-691-00546-1 （美國英語）.
- ^ Overduin, James; Hans-Joachim Blome; Josef Hoell. Wolfgang Priester: from the big bounce to the Λ-dominated universe. Naturwissenschaften. 2007-06, 94 (6): 417–429. Bibcode:2007NW.....94..417O. PMID 17146687. S2CID 9204407. arXiv:astro-ph/0608644 . doi:10.1007/s00114-006-0187-x.
- ^ Ashtekar, Abhay; Pawlowski, Tomasz; Singh, Parampreet. Quantum Nature of the Big Bang. Physical Review Letters. 2006-04-12, 96 (14): 141301. Bibcode:2006PhRvL..96n1301A. PMID 16712061. S2CID 3082547. arXiv:gr-qc/0602086 . doi:10.1103/PhysRevLett.96.141301.
- ^ Ashtekar, Abhay; Singh, Parampreet. Loop Quantum Cosmology: A Status Report. Classical and Quantum Gravity. 2011-11-07, 28 (21): 213001. Bibcode:2011CQGra..28u3001A. ISSN 0264-9381. S2CID 119209230. arXiv:1108.0893 . doi:10.1088/0264-9381/28/21/213001.
- ^ Bojowald, Martin. What happened before the Big Bang?. Nature Physics. 2007, 3 (8): 523–525 [2023-12-21]. Bibcode:2007NatPh...3..523B. doi:10.1038/nphys654 . （原始內容存檔於2023-04-08）.
- ^ Corichi, Alejandro; Singh, Parampreet. Quantum Bounce and Cosmic Recall. Physical Review Letters. 2008-04-23, 100 (16): 161302. Bibcode:2008PhRvL.100p1302C. PMID 18518182. S2CID 40071231. arXiv:0710.4543 . doi:10.1103/PhysRevLett.100.161302.
- ^ Kamiński, Wojciech; Pawłowski, Tomasz. Cosmic recall and the scattering picture of loop quantum cosmology. Physical Review D. 2010-04-15, 81 (8): 084027. Bibcode:2010PhRvD..81h4027K. S2CID 44771809. arXiv:1001.2663 . doi:10.1103/PhysRevD.81.084027.
- ^ Ashtekar, Abhay; Corichi, Alejandro; Singh, Parampreet. Robustness of key features of loop quantum cosmology. Physical Review D. 2008, 77 (2): 024046. Bibcode:2008PhRvD..77b4046A. S2CID 118674251. arXiv:0710.3565 . doi:10.1103/PhysRevD.77.024046.
- ^ Penn State Researchers Look Beyond The Birth Of The Universe. Science Daily. 2006-05-17 [2023-12-21]. （原始內容存檔於2017-11-07）. Referring to Ashtekar, Abhay; Pawlowski, Tomasz; Singh, Parmpreet. Quantum Nature of the Big Bang. Physical Review Letters. 2006, 96 (14): 141301. Bibcode:2006PhRvL..96n1301A. PMID 16712061. S2CID 3082547. arXiv:gr-qc/0602086 . doi:10.1103/PhysRevLett.96.141301.
- ^ Penrose, R. (2010). Cycles of time: an extraordinary new view of the universe. Random House
- ^ Poplawski, N. J. Nonsingular, big-bounce cosmology from spinor-torsion coupling. Physical Review D. 2012, 85 (10): 107502. Bibcode:2012PhRvD..85j7502P. S2CID 118434253. arXiv:1111.4595 . doi:10.1103/PhysRevD.85.107502.
- ^ Cai, Yi-Fu; Damien Easson; Robert Brandenberger. Towards a Nonsingular Bouncing Cosmology. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2012, 2012 (8): 020. Bibcode:2012JCAP...08..020C. S2CID 118679321. arXiv:1206.2382 . doi:10.1088/1475-7516/2012/08/020.
- ^ Landau, Elizabeth; Bañados, Eduardo. Found: Most Distant Black Hole. NASA. 2017-12-06 [2017-12-06]. （原始內容存檔於2019-02-18）.
本研究合著者、加州帕薩迪納NASA噴漆推進實驗室的Daniel Stern說：「這黑洞在大爆炸後6.9億年就形成了，遠超我們的預期，其解釋是有挑戰性的。」
- ^ Jamie Seidel. Black hole at the dawn of time challenges our understanding of how the universe was formed. News Corp Australia. 2017-12-07 [2017-12-09]. （原始內容存檔於2017-12-09）.
在空無一物的點之後僅僅6.9億年，它就達到了現在的大小。近年來最流行的主流科學理論將其描述為大爆炸——量子奇點自發地爆發出我們所知的現實。另一種觀點最近也越來越受到重視：宇宙會經歷周期性的膨脹與收縮，產生「大反彈」。據預測，早期黑洞是判斷這觀點的關鍵線索。這黑洞非常大，質量是太陽的8億倍，一定吞下了很多東西。…據我們所知，當時的宇宙還不夠古老，不足以產生這麼個怪物。
- ^ Youmagazine staff. A Black Hole that is more ancient than the Universe. You Magazine (Greece). 2017-12-08 [2017-12-09]. （原始內容存檔於2021-06-14） （希臘語）.
這種認為宇宙正在經歷周期性膨脹和收縮的新理論被稱作「大反彈」（Big Bounce）
閱讀更多[編輯]
- 吳亞波，呂劍波，李松，楊秀一. The evolution of the reconstructing five-dimensional cosmological model with a big bounce五維大反彈宇宙學模型的重建及其相關宇宙學量的演化． （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- 奧秘新解:宇宙源於"大反彈"． （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- 淨梵. 宇宙可能起源於"大反彈"． （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- 宇宙源於反覆膨脹收縮的"大反彈"． （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Angha, Nader (2001). Expansion & Contraction Within Being (Dahm). Riverside, California: M.T.O Shahmaghsoudi Publications. ISBN 0-910735-61-1.
- Bojowald, Martin. Follow the Bouncing Universe. Scientific American. 2008, 299 (October 2008): 44–51. Bibcode:2008SciAm.299d..44B. PMID 18847084. doi:10.1038/scientificamerican1008-44.
- Magueijo, João. Faster than the Speed of Light: the Story of a Scientific Speculation. Cambridge, Massachusetts: Perseus Publishing. 2003. ISBN 978-0-7382-0525-0 （美國英語）.
- Taiebyzadeh, Payam (2017). String Theory; A unified theory and inner dimension of elementary particles (BazDahm). Riverside, Iran: Shamloo Publications Center. ISBN 978-600-116-684-6.
外部連結[編輯]
- Overduin, James; Blome, Hans-Joachim; Hoell, Josef. Wolfgang Priester: From the big bounce to the $\Lambda$ -dominated universe. Naturwissenschaften. 2007, 94 (6): 417–429. Bibcode:2007NW.....94..417O. PMID 17146687. S2CID 9204407. arXiv:astro-ph/0608644 . doi:10.1007/s00114-006-0187-x.
- Pitts, Trevor. Dark Matter, Antimatter and Time-Symmetry. 1998. arXiv:physics/9812021v2 .
- Penn State Researchers Look Beyond The Birth Of The Universe (Penn State) 2006-05-12
- What Happened Before the Big Bang? (Penn State) 2007-07-01
- From big bang to big bounce （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） (Penn State) NewScientist 2008-12-13
- Nurgaliev, I. S. Singularities are averted by vortices. Gravitation and Cosmology. 2010, 16 (4): 313–315. Bibcode:2010GrCo...16..313N. S2CID 119982190. doi:10.1134/S0202289310040092.
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