宇宙時空泡沫尺度限定:氫原子核一億分之一

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  一項綜合了美國宇航局錢德拉X射線空間望遠鏡,費米伽馬射線空間望遠鏡以及來自地基的“高能輻射成像望遠鏡陣列”(VERITAS)伽馬射線觀測數據的研究幫助科學家們給出了極小尺度上時空量子本質,或“時空泡沫”的一個限定

  新浪科技訊 北京時間6月2日消息,據物理學家組織網站報道,一個天文學家小組利用X射線與伽馬射線觀測手段,對宇宙中一些最遙遠的天體進行了研究,從而加深了我們對于空間與時間本質的理解。他們的這項研究結果為極小尺度上時空的量子本質,或“時空泡沫”給出了一個限定。

  在這項研究中,科學家們綜合了來自美國宇航局錢德拉X射線空間望遠鏡,費米伽馬射線空間望遠鏡以及來自地基的“高能輻射成像望遠鏡陣列”(VERITAS)的伽馬射線觀測數據。

  在我們目前能夠進行測量的最微觀空間與時間尺度上,時空——也即三維的空間再加上時間——似乎是平滑且不顯示結構的。然而作為一項高度成功的物理學基礎理論,描述原子與亞原子粒子行為的量子力學理論卻預言時空將不會是平滑的。相反,時空應當是像泡沫一樣,激烈動蕩,并且由許多非常微小且不斷變化的區域構成 ——在量子力學看來,時空不再是確定的,而是處于不斷的漲落之中。

  論文的第一作者,美國佛羅里達理工大學的埃里克·帕爾曼(Eric Perlman) 表示:“思考時空泡沫的一種方式是假想你正乘坐一架飛機飛過海洋上空,海面看上去是一片平靜的。然而,如果你離得足夠近,你就會看到波濤,如果離得更近, 你將看到海面上漂浮的泡沫,其中有許許多多不斷產生然后破滅的水泡。”他說:“更為詭異的,這些‘泡泡’極端微小,即便是在原子尺度上對它們進行觀察,仍然像是坐在高空飛行的飛機上觀察海面的效果。”

  理論上,這種時空泡沫的尺度大約相當于一個氫原子核直徑的一億分之一,因此無法對其進行直接的測量。如果時空的確具備泡沫本質,那么對其進行空間大小測量時 就應當存在一個精度上的極限,因為光子從中穿越的大量量子“泡泡”的大小將會隨著時間發生漲落。基于所采用的不同時空模型,這種空間尺度上的不確定性將隨 著光子在宏觀宇宙距離內以不同的速率發生累積。

  研究人員使用X射 線波段以及伽馬射線波段對非常遙遠的類星體開展觀測獲得的數據對時空泡沫的模型進行檢驗。類星體是由物質落向超大質量黑洞時形成的極端明亮的天體。論文作 者指出,光子穿越數十億光年空間內累積的距離不確定性將導致成像質量的嚴重下降,甚至導致無法觀測到遙遠天體。而觀測圖像消失的波段則取決于所采用的不同 時空泡沫模型。

  錢德拉X射線望遠鏡在數十億光年外觀測到遙遠的類星體,從而排除了其中一個模型,該模型認為光子會在時空中隨機消散,就像光穿越迷霧時的情況類似。而使用費米空間望遠鏡在伽馬射線波段,以及使用VERITAS在更短的波段上同樣也探測到了遙遠的類星體,說明另外一項包含更少消散效應的所謂“全息”模型同樣是不正確的。

  論文的合著者,美國北卡羅萊納大學的杰克·伍(Jack Ng)表示:“我們發現我們的數據可以排除兩項不同的時空泡沫模型。我們能夠得出結論,時空的泡沫性要比一些模型所預測的更低。”

  根據X射線以及伽馬射線波段的數據顯示,時空至少在比氫原子核1/1000的尺度上仍然是平滑的。有關結果已經發表在5月20日出版的《天體物理學雜志》上。(晨風)

來源:新浪科技



中科院物理所 2015-08-23 08:54:02

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