挑战大爆炸理论

2013-12-13 admin1 77

  根据爱因斯坦狭义相对论,真空中光速在任何惯性系中都相等,光速是一切物质运动和相互作用传播的最大极限。

  有关超时空转移的科幻故事由来已久,人们对这种技术的兴趣也历久不衰。皆因在爱因斯坦的相对论中,没有任何东西的速度可快过光速。对渴望突破三维空间限制的人类来说,“超时空转移”与“时光机器”一样,都遥不可及,但却偏偏是最吸引人的梦想。

  2002年8月,澳大利亚科学家提出了一个大胆创新的设想:光速可能是不恒定的。无独有偶,2003年3月,英国剑桥大学物理学高级讲师诺昂·马盖罗指出,大爆炸理论和相对论有几个问题没有解决,最直接的是:第一,相距遥远的星系之间相似的概率几乎为零;第二,如果光速是固定不变的,宇宙就不可能扩张得这么远这么快。科学家早就认识到这一点,但迄今为止所有试图解释这些现象的理论都是修正而不是根本替代大爆炸理论。而意大利科学家去年持续进行了成百上千次的中微子运动速度可能超过光速的实验,尽管存在争议未有定论,但这意味着现代物理学最重大的法则之一──爱因斯坦的相对论面临着空前的挑战。

  观测表明宇宙正在加速膨胀

  由最优秀的物理学家,包括斯坦福大学著名理论家伦纳德·萨斯坎德组成的两个独立小组几年前提出,哈勃太空望远镜的观测结果显示,宇宙正在加速膨胀,这有可能导致弦论的失败。有很多人认为弦论是统一四个主要物理学派的最佳候选理论。

  在相继递交洛斯阿拉莫斯国家实验室的论文中,斯坦福大学的萨斯坎德,以及得克萨斯大学的弦论家威利·菲施勒和索尼娅·帕班得出相同的结论,即宇宙加速膨胀给弦论带来严重或许是致命的困难。洛斯阿拉莫斯国家实验室是有关这一题目的论文的众多资料库之一。

  对弦论的质疑来自哈勃太空望远镜的数据。1998年2月,一个天体物理学家和天文学家的“国际联盟”──高红移超新星搜寻小组公布了一项惊人的发现:对来自遥远超新星的光的研究结果证明,宇宙正在加速膨胀得到充分证实,就是说宇宙正在以越来越快的速度膨胀。早在上世纪七八十年代,根据红移现象,天文学家认为宇宙边缘天体的退行速度能达到光速的0.6倍甚至更大。此后,伯克利加利福尼亚大学和芝加哥大学的哈勃望远镜研究小组多次证实了这项发现。如萨斯坎德、菲施勒和帕班解释的那样,加速膨胀的宇宙会为“事界”所环绕。黑洞同样为这种边界所环绕。在事界之外存在的任何物质都是观察不到的。但是弦论依赖的是,观测者能够看到和测量无限远处的以所谓“S矩阵”排列的粒子。按照定义,这些粒子处于事界之外。

  加拿大多伦多大学物理学家约翰·莫法特说:“这是个潜伏的危机。一旦有粒子系统,而弦论中必须有粒子系统,那就无法观测到。观测数据告诉我们宇宙正在加速膨胀的事实给弦论和依赖无穷远处存在粒子的任何量子场论带来危机。”

  大爆炸理论难以自圆其说

  2003年3月初,英国卫报报道了剑桥大学物理学高级讲师诺昂·马盖罗正在研究大爆炸理论以及这一理论在解释宇宙扩张方面的矛盾说法。诺昂·马盖罗认为,假如光速不是固定不变的,一切就都容易解释了。这可能意味着要推翻爱因斯坦的相对论以及另外一些物理学定律。马盖罗一开始向学术界的朋友们提出了自己的想法,得到的反应各不相同,有的人很礼貌地装聋作哑,有的人直率地嘲笑他的愚蠢,说他的想法是科学上的异端邪说。可是,多年过去了,越来越多的物理学家不得不承认,他可能有道理。

  物理学界有两大主要流派。一派是“膨胀派”,他们认为婴儿时期的宇宙扩张的速度比现在快得多。另一派是“吸气派”,他们认为宇宙像是11维的吸气薄膜。科学没有绝对的东西,这两大流派已经成为半政治性的派别。从广义上说,膨胀派理论是在美国人中发展起来的,现在仍被美国人所持有,而其他人都持吸气派理论。当有人向他问起这两种理论时,马盖罗说:“他们可能是对的,如果他们是对的,我会为他们高兴。”但是,不言而喻的挑战是,他们必须拿出证据。马盖罗指出:“产生这种想法只是顷刻之间的事情,艰苦的工作是用事实证实这种理论。”

  宇宙可能不是顷刻形成的

  要证明在实验室里创立的理论会遇到许多明显的困难。为了证实──或者至少解释这些理论,常常需要整页整页详细而复杂的数学计算。自从马盖罗同另一位物理学家──安迪· 阿尔布雷克特结成志同道合的伙伴并在《物理学评论》上发表论文以来,为证明马盖罗的可变光速理论而采取的最初步骤已经取得稳步的进展,已经有许多科学家在许多不同的领域开展研究工作。

  马盖罗说:“物理恒量是由环境决定的,是由周围物质决定的,而是不预先设定的。没有物质就没有物理学。如果宇宙在物质方面变得越来越稀薄,越来越冷,那就完全有理由认为恒量可能改变了。目前,可变光速理论有两大组成部分:光速受邻近物质影响,它受热量的影响 ──温度越高,光的能量越大。”

  光速理论不仅纠正大爆炸理论在确定宇宙发展时间表方面的错误,而且还提出了全新的宇宙发展时间表,宇宙的形成不再是顷刻之间的事情,而是一个比较平稳变化的过程,是物质从“无物之海”(Aseaofnothing)中形成的过程。

  大多科学家都喜欢坚持他们认为是普遍真理的理论,这是可以理解的。那么,马盖罗为什么会对好几代科学家都认为是正确的相对论──包括光速不变和物质不灭定律──提出质疑呢?

  马盖罗说:“我知道这是物理学的基本理论,但是,数学确实也能说明问题。”他认为也许不久就能有实验证据。他说:“光速每年都有细微的变化,到目前为止,我们还不能测量这种细微的变化。但是,我相信,今后几年,下一代原子钟将能测量这种变化。我们已经注意到支持这一理论的研究。日本科学家已经发现,几十亿年前的类星射电源的速度就比现在快。”

  马盖罗说:“重要的是,理论要有可以经得起考验的预见力量。我不能理解数学家对弦论的执著。它什么都不能预测,它没有任何意义。”

  深刻影响对宇宙的认识

  可变光速的预测具有深远的意义。如果马盖罗是正确的,我们就得重新考虑我们对黑洞的理解。可变光速理论认为,黑洞并不是把物质吸进去,而是因为光速在黑洞的范围内减到零。换句话说没有东西能进去,因为没有东西能移动得比光快。同样地,宇宙将继续扩张150亿年,直到它变得太空洞了,以至于达到可以发生跟目前宇宙开始形成时的那种扩张相类似的扩张的那种状态。

  马盖罗很可能是正确的,但是,如果最终证明他是错误的,他不会很在意。他说:“重要的是去想不能想的事情,向我们已经掌握的知识挑战。许多科学家不敢提出太激进的设想,因为他们不想拿他们的学术信誉冒险。”

  如果马盖罗是正确的,对物理学会产生什么影响?他说:“你们要记住,距离造成的变化是很小的。相对论和牛顿物理学仍有很多东西值得我们学习。卫星仍然要用牛顿物理学的公式来发射。”只有当传统理论陷入困境的时候,“数学开始说明,可变光速理论可能会成为一个做出重大修正的物理学理论。”

  光速可能是不恒定的

  澳大利亚科学家早在2002年8月上旬提出的,光速可能是不恒定的这一大胆创新的设想,意味着现代物理学最重大的法则之一──爱因斯坦的相对论面临着空前的挑战。由悉尼麦夸里大学物理学家保罗·戴维斯领导的研究小组称,光速在数十亿年的时间里减慢了。果真如此的话,物理学家就必须重新审视他们关于宇宙定律的一些基本理论。戴维斯说:“这就意味着要放弃相对论和E=mC方程式这些东西。”戴维斯等人的大胆设想刊登在《自然》杂志上。

  光速可变的理论是基于新南威尔士大学天文学家约翰·韦布收集的数据。他发现来自一个遥远类星体的光线,在经过120亿年到达地球的过程中,吸收了来自星际云的错误类型的光子,这就提出了一个难题。

  戴维斯说,韦布的观察结果说明,放出类星体光的原子结构与人类认识的原子结构略有不同,但这一差异却又是重大的。它唯一的解释只能是电子电荷或光速发生了改变。

  戴维斯说:“可是最重要的两条宇宙定律却是,电子电荷不会改变,光速也不会改变,因此不管怎么看横竖都是个难题。”为了确定哪个恒量可能是不恒定的,戴维斯的研究小组求助于黑洞理论和其他星系特征。他们也应用了另一条物理学原理,即热力学第二定律,戴维斯将其概括为“不可能无中生有”。考虑到电子电荷改变就违反了不可违背的热力学第二定律,他们认为唯一的可能是挑战光速的恒定性。当然还需要更多的类星体光研究来证实韦布的观察结果,继而支持光速可变的设想,戴维斯强调这只代表了相对论的第一个漏洞。而它可能产生的影响也与探索不尽的宇宙一样无法估计。

  科学家的“瞬间转移”梦

  所谓“瞬间转移”(teleportation)技术,是将人或物件瞬间从一个地方消失,再在另一个地方将之重新现形。这就意味着,旅行过程中的时间和空间将会消失,我们可以从一个地点瞬间到达另一个地点,不需要走一段物理路线。10多年前,科学界认为这是不可能的事,而目前世界上有不止六个科学团体在积极研究。

  自5000年前人类发明车轮后,人类就一直在寻找更快地从一个点抵达另一点的旅行方法。有关超时空转移的科幻故事由来已久,人们对这种技术的兴趣也历久不衰。皆因在爱因斯坦的相对论中,没有任何东西可快过光束,所以人类要实现星际飞行的梦想,就须靠类似瞬间转移的科技。对渴望突破三度空间限制的人类来说,“超时空转移”与“时光机器”一样,都是可望而不可即的,但却偏偏是最吸引人的梦想。

  1993年3月,瞬间转移终于走出科幻小说,变成了理论上的可能。美国物理学家查尔斯·贝尼特和IBM的一个研究小组证实,瞬间转移是可行的,从那以后,科学家利用光子做了大量试验,证明瞬间转移事实上是可行的。

  由澳大利亚国立大学华裔物理学家林平奎领导的研究小组,破天荒地用一种名为“量子牵连”(quantumentanglement)的技术,在光学通信系统的一端把一束激光信息“毁灭”,然后在一米外的另一端,将它重新现形。2002年6月17日,澳大利亚联邦科学部长麦高兰主持记者大会,宣布了这项成果。该小组说,瞬间转移的最终目标,是像电影《星空奇遇记》一样,瞬间把人传送到远方,无需交通工具。

  光的构成基本单位是光子,所谓“光束瞬间转移”简言之就是将一束光从一个房间转移到另一间房间,其中关键是利用该光束内的光子资料,在另一房间复制出来。研究人员先将一段无线电资料信息编成“光子密码”,“收录”入一束激光中。研究人员然后将这束激光信息,与量子牵连技术结合,经过扫描步骤后将之毁灭,但是记录在激光束中的密码信息却保存下来,并由研究人员以电子的形式传送至另一端的接收站,接收站便在瞬间读取和翻译电子信息,然后将刚才那段包含了特定无线电资料信息的激光束“还原”出来。

  “瞬间转移粒子”仍遥遥无期

  林平奎博士负责的这个研究小组共有12名成员,据悉,澳大利亚的科学家在这次实验中,共摧毁了几十亿个光子,然后成功地将其复制出来。这个过程,便被称作“量子牵连”,花费的时间只有十亿分之一秒。

  国际科技界认为,澳大利亚科学家进行的这项实验为电子和通讯技术实现“革命性进步”拉开了序幕。负责这项实验的林平奎博士也认为,这个实验的最终成功将使各政府机构、银行,以及任何想高速交换信息的各界人士,以“难以置信的高速度”,在绝对保密的情况下实现这一目的。

  然而,用“远程瞬间传物”模式进行人类和其他物体实验离看到可信的结果,目前似乎还遥遥无期。但新技术仍有很多用途。科学家相信可在短期之内,利用这种技术,制造出比目前运算速度最快的电脑还要快10亿倍的超级电脑,并通过提高通信系统的效率,确立量子信息时代。

  科学家相信,新一代电脑将可应用“瞬间转移”技术,取代电线和芯片以传输信息,成为“量子电脑”,其效率会比今天的电脑更强更快。科学家认为,量子信息时代将会降临,虽然不会在5年至10年内发生,但再过100年,这种技术的应用一定会很普遍。在理论上,这种技术还可传送物体,研究人员正在开发“瞬间转移粒子”的技术。粒子就是物质的基本单位。

  澳大利亚对进行这样的实验采取了“相当谨慎的态度”。因为虽然这是一项非常诱人的技术,但由于难度太大,所以在此之前,很少有科学家愿意把精力花在这一领域,只在1998年传出过美国的加利福尼亚州技术研究所做过类似的实验。林平奎认为,同美国开展的类似实验相比,澳大利亚国立大学的实验更可靠,结果也“更具有积极意义”。

  林平奎介绍说,普通人在预测一个足球的运行路线或者飞机在哪里着陆,靠的都是牛顿物理学理论,但在量子世界──一个比原子世界还要小的世界,物理学的一般经验似乎就站不住脚了,你会发现很多奇妙的事情发生,粒子好像可以同时出现在不同的地方。

  科学家们下一步研究的重点是,把体积比光子大的实质物体,瞬间传送到远处。林平奎说:“原则上我认为可行,但可能是一千年后的事。打个比喻,我们现在发明的,只能算是算盘(量子瞬间转移),要制造超级算盘(生物瞬间转移),这条路仍很漫长。”

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