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传统上，天放学轨范模子以为六合是从一次大爆炸初始的，接着是捏续的推广和冷却。可是，最近一项新究诘发现，基于一种秘籍的数学技能，咱们可以“缩放”六合，推广可能只是一种幻觉。这个想法能否经得起推敲呢？

撰文 | Ethan Siegel翻译 | 刘航火博体育app

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图源: geralt/pixabay回溯20世纪20年代，有两个并行发展的究诘为咱们对六合的当代开通铺平了谈路。在表面方面，如果受命广义相对论，咱们能推出一个被物资和能量均匀填充的六合，它将不会是静态和沉稳的，要么推广要么坍缩。在不雅测方面，咱们初始能不雅测到银河系以外的星系，并可以笃定（平均而言）它们离咱们越远，相对于咱们的隔离速率就越快。纰漏地将表面与不雅测勾通，推广的六合的主见出生了，并与咱们相伴于今。咱们的天放学轨范模子——包括六合大爆炸、六合暴胀、六合结构的形成以及暗物资和暗能量——齐缔造在推广的六合模子基础之上。但是，推广的六合是否是十足必要的，是否还有其他可能？最近，一篇钦慕的新论文[1]引起了一些柔和，表面物理学家卢卡斯·隆布里瑟（Lucas Lombriser）以为，通过对广义相对论的方程进行一些变换，可以使六合的推广“覆没”。在他的遐想中，不雅测到的六合推广只是是一种幻觉。但是，这是否与咱们已知的科学相符？

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在真空中，整个色泽，不管其波长或能量若何，齐以相易的速率传播：即真空中的光速。当咱们不雅察来自边远恒星的色泽时，咱们所看到的色泽施行上还是完成了从光源到不雅测者的旅程。图源：Lucas Vieira/Wikimedia Commons

物理学的等效

或然咱们能意志到，对统一表象会存在多种不同的开通方式。如果两种方式在物理上是等效的，那么咱们就知谈它们之间并莫得区别，采纳哪种方式只是是个东谈主偏好问题。

以光学为例，你可以将光描摹为波（如惠更斯所作念）或射线（如牛顿所作念），在大巨额实验情况下，这两种描摹会得出相易的展望。

在量子物理学规模，量子算符作用于量子波函数，你可以采纳用波函数描摹粒子，使其演化，而量子算符保捏不变；或者你可以保捏粒子的波函数不变，而让量子算符进行演化。

或者，就像在爱因斯坦的相对论中泛泛出现的情况一样，联想两位分别领或然钟的不雅察者：一位在大地上，一位在出动的火车上。可以用两种不同的视角来等价地描摹这一表象：让大地处于“静止”气象，火车上的不雅察者在携带中资格时辰推广和长度收缩的效应；亦或是令火车处于“静止”气象，大地上的不雅察者资格时辰推广和长度收缩的效应。正如“相对”一词所示意的，如果这些情景相互之间给出相易的展望，那么其中任何一个齐与另一个等效。

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由爱因斯坦创立的相对论（在爱因斯坦之前，洛伦兹、斐兹杰惹（George Francis FitzGerald）等东谈主曾经推导出雷同的数学抒发式）的立异性不雅点是，快速携带的物体在空间中看起来会收缩，而时辰会推广。你相对于静止的不雅察者携带得越快，你的长度看起来就会收缩得更大，而对于外部宇宙来说，时辰看起来则会更推广。对于站在大地上的不雅察者来说，火车会收缩，而火车里面的时辰会推广；对于火车上的不雅察者来说，外部宇宙会资格长度收缩和时辰推广。图源：C. Renshaw, IEEE, 1996

相对论中的后一种情景，示意数学家常用的坐标变换可能给咱们带来一些启发。咱们可能比较民风用大致400年前勒内·笛卡尔的方式来斟酌坐标：办法/维度相互垂直，坐标轴具有相易的圭臬，即咱们齐学过的笛卡尔坐标系。但笛卡尔坐标并不是独一好用的坐标系。比如，治理具有轴对称性的物体，咱们可能更心爱使用柱坐标；治理对于中心点对称的物体，使用球坐标可能更合理。如果要治理的不单是空间，而是时空——其中“时辰”维度在本色上与“空间”维度有着根底不同的活动——那么使用双曲坐标来将空间和时辰关联起来会愈加绵薄。坐标递次的伟大之处在于：它们只是是一种采纳。只须你不更正系统背后的基本物理旨趣，你完全可以解放地采纳任何你心爱的坐标系来描摹六合中的任何事物。

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一朝逾越形成黑洞的临界点，事件视界内的一切齐会被挤压成一个奇点，至多是一维的。莫得三维结构粗略完竣幸存。可是，一个钦慕的坐标变换标明，黑洞里面的每一个点齐与外部的一个点逐个双应，这激发了数学上钦慕的可能性，即每个黑洞的里面滋长出一个小六合。图源：vchalup / Adobe Stock

欧博网址再行界说坐标：“逆”推广六合有一种不言而谕的递次可以尝试哄骗于推广的六合。传统上，咱们守护到不停系统（如原子核、原子、分子、行星，以至恒星系统和星系）中的距离随时辰不变；咱们可以将它们当作“标尺”，在职何给定时刻齐可以很好地测量距离。当咱们将其哄骗于整个这个词六合时，由于咱们看到远方（非不停的）星系互相隔离，咱们得出论断——六合正在推广，并试图找到推广速率随时辰变化的关系。那么，为什么不逆向想维，将这些坐标再行界说一下：保捏六合中（非不停的）星系之间的距离固定，而让咱们的“标尺”和其他不停结构跟着时辰而削弱呢？这种采纳看起来似乎有些松驰，但在科学中，咱们通过更正看待问题的方式，反而能揭示出在原视角中不彰着的一些特征，它们可能在新视角中变得明晰起来。再行界说坐标的递次让咱们充满期待——这恰是隆布里瑟在他的新论文中所探讨的。经受这种逆向的视角，对于那些最大的谜题，咱们将会得出什么样的论断呢？

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这是一段按六合的推广比例削弱、中瓜分辨率的模拟六合结构形成的片断，显现了富含暗物资的六合数十亿年的引力增长。值得柔和的是，在丝状结构交叉处，丝状物资和丰富的星系团主如果由暗物金钱生的；平时物资只起很小的作用。跟着模拟规模越大，更小圭臬的结构本色上会被低估或“平滑化”得更严重。图源：Ralf Kaehler and Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn

与传统的天放学不雅点不同，咱们可以将六合再行构建为静态且非推广的，相应的代价是：质地、长度和时辰圭臬，齐会发生更正和演化。因为咱们的盘算是保捏六合的结构恒定，是以弗成有推广、盘曲的空间（其中含有不绝增长的密度不均匀性），因此这些演化效应需要对应到其他所在。质地圭臬将不得不随时空的演化而演变，距离圭臬和时辰圭臬也将如斯。它们必须以精准的方式共同演化，以便在将其勾通起来描摹六合时，它们能组成轨范解释的“逆”。还有一种递次是同期保捏六合的结构恒定，以及质地圭臬、长度圭臬和时辰圭臬，但代价是六合的基本常数以某种方式共同演化，这么能力将六合的整个动态齐“编码”在它们之上。你可能会试图反对上述两种表述，因为咱们的传统不雅点更稳健直观。但正如咱们之前提到的，如果数学是相易的，且任何不雅点的展望之间莫得可不雅测的互异，那么尝试将它们哄骗于六合时，它们齐具有相易的有用性。不推广的六合什么样？

想要解释六合中的红移么？在这个新的图像中，可以用一种不同的方式来解释。在轨范的图像中：

原子资格原子跃迁；2024年澳门真人百家乐

开释出具有特定波长的光子；

该光子穿过推广的六合，在路径中发生红移；

当不雅察者给与到它时，它的波长比不雅察者实验室中的相易原子跃迁的波长要长。

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铁原子中有许多能级，也有不同的电子跃迁采纳规定。尽管许大量子系统可以通过贬抑以杀青高效的能量传递，但在生物系统中还莫得以相同方式运作的例子。图源：Daniel Carlos Leite Dias Andrade et al., Conference: 25º CSBMM – Congresso da Sociedade Brasileira de Microscopia e Microanálise, 2015

皇冠体育网上赌场在实验室，咱们独一可以进行的不雅测是：测量给与到的光子的不雅测波长，并将其与实验室光子的波前途行比较。这个经由中有可能发生电子质地的演变，普朗克常数 (ℏ) 的演变，以及（无量纲的）细腻结构常数（或其他常数的组合）的演变。咱们测量的远方光子的红移，可能是由于多种不同成分导致的，而这些成分之间无法分歧。值得守护的是，稳健地扩展，这些多重的成分也将会给引力波带来相易类型的红移。

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当气球充气时，粘在其名义的硬币看起来互相隔离，“距离更远”的硬币比距离较近的硬币隔离得更快。任何色泽齐会发生红移，与气球的推广雷同，光的波长会被“拉伸”到更大的值。这个图像很好地解释了六合的红移。图源：E. Siegel/Beyond the Galaxy

相同地，咱们可以再行构建六合中结构的增长方式。泛泛，在轨范图像中，咱们从一个稍微过密的空间区域初始，这个区域的密度略高于六合平均密度。然后跟着时辰的推移：

这个区域的引力扰动比较周围的区域会诱惑更多的物资；

导致该区域的空间推广速率比六合平均推广速率要慢；

跟着密度的增长，最终会越过阈值，激发引力不停的条款；

这块区域初始引力收缩，并形成六合结构的一部分，如恒星团、星系，以至更大的星系群。与其跟踪六合过密区域的演化（某种意旨上跟踪密度场的演化），咱们也可以斟酌替换为质地圭臬、距离圭臬和时辰圭臬的组合演化。雷同地，也可以采纳斟酌普朗克常数、光速和引力常数的演化。咱们所看到的“不绝增长的六合结构”可能不是六合的增长效劳，而是这些参数在根底上跟着时辰发生变化，使得可不雅测量（如结构和其不雅测尺寸）保捏不变。

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典型的或“普通”过密区域将迟缓形成丰富的结构，而密度较低的“Void”区域则结构较少。可是，早期的小圭臬结构主要由密度最高的区域（在此鲜艳为“Rarepeak”）主导，这些区域增长最快，只好在最高分辨率的模拟中能力不雅测到细节。图源：J. McCaffrey et al., Open Journal of Astrophysics (submitted), 2023

如果遴选这种递次，不管看起来何等不当然，咱们齐可以尝试再行解释咱们的六合中一些现时无法解释的特征。举例“六合常数”的问题，由于某种原因，六合似乎给空间充满了固有的恒定能量密度的场：这种能量密度不会跟着六合推广而稀释或更正。这个问题在很久畴前并不热切，但现时很热切，因为物资密度还是稀释到某个临界阈值以下。咱们不知谈为什么空间具有这种非零能量密度，也不知谈为什么它呈现出与咱们不雅测到的暗能量一致的值。在轨范图像中，这是一个无法解释的谜团。可是，在这种再行构造的递次中，如果质地圭臬和距离圭臬按照新的构造进行变化，六合常数的值与普朗克长度的平方的倒数之间存在关系。况且，普朗克长度跟着六合的演化而变化，它的演化是从不雅察者的角度：咱们现时不雅察到的值恰是这一时刻的不雅测值。如果时辰、质地和长度齐共同演化，那么天放学中所谓的“恰恰问题”就被摒除了。任何不雅察者会不雅察到他们“当下”的有用六合常数，这是热切的，因为他们的“现时”这个时刻正跟着六合时辰不绝演化。

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光子辐射密度（红色）、中微子密度（玄色虚线）、物资密度（蓝色）和暗能量密度（点线）随时辰变化的示意图。几年前冷漠的一种新的模子中，暗能量被替换为图中的玄色实线，该弧线在不雅测上与咱们假定的暗能量现时是不可分歧。限定2023年，处于推广六合中的暗能量在气象方程中可以与“常数”进出约7％；更多的互异受到数据的严格限定。图源：F. Simpson et al., Physics of the Dark Universe, 2018

www.crownsportsbettingmasterclass.com在这种情况下，他们可以将暗物资再行解释为粒子质地在早期以管理方式增多的几何效应。他们也可以将暗能量再行解释为粒子质地在晚期以发散方式增多的几何效应。令东谈主直快的是，再行解释暗物资的不同递次——其中六合推广被再行解释为，轴子标量场（当作已知暗物资候选粒子）与场互相作用的效劳。轴子标量场与其他场的耦合引入了 CP 零乱——这是在咱们的六合中产生物资-反物资分歧称性的关节要素之一。现实的“幻觉”用这种方式想考问题会带来许多钦慕的潜在论断，在早期的“沙盒”阶段，咱们不应该辛勤任何东谈主进行这种类型的数学探索。有朝一日，这么的想法可能成为超过现时公认的天放学轨范模子的表面基础的一部分。可是，即使这在纯广义相对论视角下是钦慕的，大巨额当代天放学家也不会挂牵斟酌这些问题。因为就算是去实验不雅察并评释这些再行构造在六合圭臬是可以接受的，它也与咱们在地球上还是不雅察到的东西完全矛盾。

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氢原子形成时，电子和质子的自旋平行和反平行有同等的概率。如果它们是反平行的，就不会发生进一步的跃迁，但如果它们是平行的，它们可以通过量子纯正参加较愚顽态，在尽头长的时辰圭臬辐射出特定波长的光子。这种跃迁测量的精准性已能达到万亿分之一，且在数十年内保捏不变，这就限定了普朗克常数、光速、电子质地及它们的组合。图源：Tiltec/Wikimedia Commons

举例，斟酌以下不雅点：基本粒子性质，举例质地、电荷、长度或寿命发生变化，或者基本常数，举例光速、普朗克常数或引力常数发生变化。

咱们的六合，从可不雅测的角度来看，只好138亿年的历史。咱们在实验室里对量子系统进行了几十年的高精度测量，最精密的测量效劳显现电子磁矩的精度达十万亿分之1.3[2]。如果粒子性质或基本常数发生了变化，那么咱们的实验室测量效劳也会发生变化。而凭证卢卡斯·隆布里瑟等东谈主再行构造的表面，自2009年以来的约14年时辰里，咱们应该能从这些精准测量中不雅测到数千倍于咱们最细腻测量精度的变化：约为十亿分之一的互异。

电子的磁矩在2007年和2022年齐经过极高精度的测量，它们之间的变化少于十万亿分之一（早期测量精度的极限），这标明了细腻结构常数并未发生变化。

氢原子的自旋翻转跃迁导致了一个精准波长为21.10611405416厘米的射线，其不笃定度仅为万亿分之1.4，况且自1951岁首度不雅察以来莫得发生变化。跟着时辰的推移，物理学家对其进行了更精准地测量，这标明普朗克常数并未发生变化。

足球明星XXX同框合影，网友纷纷猜测加入吗？而厄缶实验（Eötvös experiment），用于测量惯性质地（不受引力常数影响）和重力质地（受影响）之间的等效性，限定2017年还是显现这两种“类型”的质地等效性相等显赫，达到了一万亿分之一。

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等效旨趣以为，六合中重力加快度与任何其他力形成的加快度之间不应该有任何互异。其中一个取决于引力常数而另一个则不取决于引力常数，平等效旨趣最精准的测试是由MICROSCOPE卫星完成的，其精准度达到了10的负15次方，这是一种管理引力常数随时辰变化的递次。图源：APS/Carin Cain

菠菜担保平台按照轨范不雅点究诘六合的一个显赫特征是：勾通整个这个词六合的历史，整个在地球上适用的物理定律相同适用于六合中的任何位置和时刻。一个在地球上失败的天放学不雅点，远不如一个在整个物理系统齐能告捷适用的不雅点钦慕。传统的推广的六合不雅点与地球上的物理学相符，而另一个替代不雅点在描摹更大的六合时进展邃密但在地球上失败，那么咱们并弗成说推广的六合是一个幻觉。毕竟，地球上的物理学对咱们来说是最真实、能进行最精准测量和严格考试的锚点。这并不是说发表这种估计探索性究诘的期刊——比如《经典和量子引力》（Classical and Quantum Gravity）、《高能物理学杂志》（Journal of High Energy Physics）或《天放学与六合粒子物理学杂志》（Journal of High Energy Physics）等——不具有声誉和高质地；施行上它们长短常有声望的。它们是特定规模的专科期刊——比起对实验的分析和开通，它们对（六合）早期的表面探索更感兴致。不管若何，请接续探索轨范天放学（和粒子物理学）的现实替代决策。但不要假装摒弃整个的现实是一个可行的采纳。在这里，独一的“幻觉”是咱们不雅察到、测量到的现实，在开通咱们的六合时，这长短常热切的。

参考文件

[1] Lucas Lombriser 2023 Class. Quantum Grav. 40 155005, DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/acdb41[2] Phys. Rev. Lett. 130, 071801 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.071801作者简介

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Ethan Siegel，天体物理学家、作者和科学传播者，教训物理学和天文体。自2008年以来，其博客“从大爆炸初始”(Starts With A Bang!)得到了许多科学写稿奖，包括英国物理究诘会颁发的最好科学博客奖。著有Treknology：The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive，Beyond the Galaxy等。

本文译自Ethan Siegel, Could the expanding Universe truly be a mirage? 原文地址：https://bigthink.com/starts-with-a-bang/expanding-universe-mirage/，经作者授权刊发于《返朴》。

本文受科普中国·星空筹谋格式扶捏

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