为揭示宇宙之谜 科学家欲在实验室中造出“宇宙”

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2018-08-21

为揭示宇宙之谜 科学家欲在实验室中造出“宇宙”

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为揭示宇宙之谜 科学家欲在实验室中造出“宇宙”

凤凰网科技讯据《连线》杂志北京时间3月19日报道,为了更好地理解神秘的宇宙,英国物理学家希尔珂·魏因富特纳(SilkeWeinfurtner)正试图从零开始创造出一个宇宙。

在诺丁汉大学的一个物理实验室,魏因富特纳和同事们将用一枚直径1米的巨型超导磁线圈来实现这一梦想。超导线圈内有一小池液体,液体泛起的涟漪旨在模拟那种形成当今宇宙各类结构的物质波动现象。更好了解宇宙起源魏因富特纳并不是邪恶的天才,为了创造出一个由自己主宰的世界而破釜沉舟。相反,她仅仅是想更好地了解宇宙的起源。宇宙大爆炸是迄今最流行的宇宙起源理论,但即使是这种理论的支持者,也对宇宙形成过程的认识存在分歧。根据这一理论,宇宙形成时存在一个假象的量子场,以极快的速度将宇宙朝向四面八方拉伸,这就是所谓的宇宙膨胀。

但我们无法直接证实宇宙膨胀或量子场是否存在过。正因为如此,魏因富特纳打算在实验室中模拟这一过程。如果大爆炸理论是正确的,那么宇宙早期便是由微弱的涟漪产生的,即所谓的量子波动。量子波动在宇宙膨胀期间被拉伸,最终形成了物质、辐射或光。这些波动被认为最终放大到整个宇宙,播下星系、恒星和行星的种子。魏因富特纳想要利用超大超导磁线圈,模拟这种微弱的涟漪。她在磁线圈内部放置了一个直径6厘米的圆形容器,里面注入水和丁醇,这两种液体密度不同,所以不会相融。接下来,魏因富特纳的研究小组将进行人工引力干预。研究小组成员理查德·希尔(RichardHill)表示,磁场的强度会随位置的不同而发生变化,我们将圆形容器移至磁场的不同区域,有效引力便可随之增强或减弱,甚至方向变得完全相反。该团队希望通过改变引力来产生涟漪,但与池塘中的涟漪不同的是,前者会出现在两种液体之间。研究小组的另一位成员阿纳斯塔西奥斯·阿弗古斯提蒂斯(AnastasiosAvgoustidis)表示,通过仔细调整涟漪的运行速度,我们可以创建一个宇宙膨胀的模型。在宇宙膨胀过程中,宇宙体积迅速扩张,物质的涟漪以常速向外扩散。而魏因富特纳研究小组的实验中,液体的体积不变,涟漪的扩散速度迅速衰减。在这两种情况下,描述涟漪传播速度的等式是相同的,阿弗古斯提蒂斯说。这一点很重要:如果由这种运动产生的波动能激发与当前宇宙类似的结构,那么我们就能一窥宇宙膨胀的机制。这并不是科学家首次小规模尝试模拟宇宙现象。许多国家的天体物理学家都试图在实验室中研究越来越复杂的实验装置,让声波模拟光波在强引力场中的传播情况,或用磁铁激发液体和气体波动等。模拟实验日益复杂去年6月份,魏因富特纳通过一个中间有出水口的大水箱,模拟了另一种难以观测的现象,即黑洞的超辐射。早在1981年,现任职于加拿大不列颠哥伦比亚大学的物理学家威廉·翁鲁(WilliamUnruh)最先提出了在实验室中模拟引力的概念。正如翁鲁当时所说:我们无法再现宇宙形成过程,就算我们能做到,也没人能活那么久,最终看到那一幕。翁鲁在10年前曾是魏因富特纳的顾问。自翁鲁首次进行这种实验以来,模拟引力实验变得日益复杂。翁鲁当时用液体模拟引力,旨在发现这种声学黑洞对声音的影响就相当于真正的黑洞对光线的影响。换句话说,我们在实验室中的测量与表达结果可以用于探索黑洞特性。这种方法甚至适用于研究著名的霍金辐射。所谓的霍金辐射是指,黑洞会不断向外喷射热量,最终有一天会彻底蒸发。几年前,以色列理工学院的杰夫·施泰因豪尔(JeffSteinhauer)发现了霍金辐射的声学类似物。科学家还以模拟手法研究宇宙膨胀的其它方面。几年前,一个由法国国家科学研究中心科学家克里斯托弗·韦斯特布鲁克(ChristophWestbrook)牵头的研究团队,通过扭动环状玻色-爱因斯坦(BoseEinstein)凝聚态物质,分析了量子粒子的形成过程。玻色-爱因斯坦凝聚态是一种物质状态,即原子会被冷却至接近绝对零度的温度,令其表现就像单个量子物体一样。在宇宙膨胀过程中,宇宙温度先是急剧下降,膨胀终止后再开始所谓的重加热过程,温度重新升高,随即进入正常的大爆炸扩张期。去年10月,由美国国家标准技术研究所和马里兰大学共同成立的联合量子研究所(JointQuantumInstitute),也利用玻色·爱因斯坦凝聚态观察了声波的拉伸,这类似于宇宙膨胀期间的光线红移现象。该研究所由物理学家史蒂芬·埃克尔(StephenEckel)带领。在实验过程中,他们还观察到了类似重加热过程的效应。魏因富特纳指出,她的新奇装置不需要借助玻色·爱因斯坦凝聚态也能工作。翁鲁表示,这意味着该装置温度会过高,无法直接观察到量子波动现象。但魏因富特纳的研究小组认为,他们可以通过系统中的热噪声观察波动,因为热噪声便是量子噪声的类似物。他们还表示,这一方法能够模拟长期扩张阶段,进而达到多个e-折时间(一种用于衡量宇宙膨胀时间长短的参数)。研究人员认为,仅在毫秒之间,宇宙便扩张到了原先的1026倍,或者说超过60个e折。这项新实验若能成功,模拟宇宙膨胀的时间将远远超过此前实验装置,正如纽卡斯尔大学的伊安·莫斯(IanMoss)所说,这足以得出确凿无疑的结论,你需要给系统预留出一些时间,令其忘掉原始状态,并充分适应膨胀波动期的状态。他们也许能发现新的物理学理论,给今后的宇宙模型带来启发,埃克尔指出,或者反过来检验未来宇宙模型的正确性。科学界仍存在分歧不过,并不是所有人都相信,在实验室中模拟宇宙诞生初期的情况有助于人们了解宇宙学。马里兰大学的泰德·雅各布森(TedJacobson)认为,这种实验无法验证我们尚不确定的理论,而是在实验室中实施并进行观察。为什么要在实验室中模拟宇宙呢?他说,因为这很有趣,也许预示着我们原本以为宇宙中不存在的新现象。哈佛大学天体物理学家阿维·勒布(AviLoeb)则没有这么乐观。他说,魏因富特纳用两种液体在水箱中产生的涟漪所做的类比,无法扩展到量子波动的物理本质,因为该实验只是重现了物理学家用来描述宇宙膨胀的等式。假如这些等式缺少了关键一环,该实验也无法发现这一点。虽然实验室中的类比实验能表现出量子力学效应,但无法体现出黑洞和宇宙膨胀所涉及的量子力学与引力间的相互作用,勒布指出。勒伊布补充道,魏因富特纳的实验是为了重演我们对宇宙膨胀的已有概念,而不是为了在最基本的层面对其进行检验。发现此次实验与已有概念之间存在差别的唯一办法是,我们在这些系统中的一个出现了计算错误,否则我们根本无法从实验中学到新东西,他说。勒布认为,真正检验宇宙膨胀的方法是,能在实验室中创造出推动宇宙膨胀的物质。但这一做法所需的能量是目前最强粒子加速器(即大型强子对撞机)所能达到的最高能量的一万亿倍,因此这种实验在短期内似乎无法实现。再现模拟系统的等式,只是真正系统的隐喻,而不是真正验证系统的基本特性,这就像是闻一闻食物的香味,而不是真的享用美食,勒布指出,而只有后者才具有实际价值。的确如此。但有时你闻一闻从厨房里飘出的香味,就能猜到今晚做什么。(编译/清辰)新鲜有料的产业新闻、深入浅出的企业市场分析,轻松有趣的科技人物吐槽。凤凰网科技(ID:ifeng_tech),让科技更性感。