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新宇宙模式助长宇宙的“大裂口”灭亡

em范德比尔特大学的一个基本全新的数学公式对宇宙的最终命运有着重要的影响。 / em

宇宙可以是一个非常粘性的地方,但是多么棘手是一个有争议的问题。

这是因为几十年来,宇宙学家一直无法调和基于热力学定律的经典粘度概念和爱因斯坦的广义相对论。然而,范德比尔特大学的一个研究小组提出了一个全新的问题数学表达式,似乎弥补了这个长期存在的差距。

新数学对宇宙的最终命运有着重要的影响。它倾向于赞成宇宙学家们提出的更为激进的情景之一,即所谓的“大裂隙”。它也可能揭示暗能量的基本性质。

这种新方法是由数学助理教授Marcelo Disconzi与物理学教授Thomas Kephart和Robert Scherrer合作开发的,并在今年早些时候发表在“物理评论D”杂志上的一篇论文中进行了描述。

“马塞洛已经提出了一个更简单,更优雅的配方,在数学上听起来很合理,并遵守所有适用的物理定律,”谢乐说。

具有宇宙学相关性的粘度类型不同于熟悉的“番茄酱”形式的粘度,其被称为剪切粘度,并且是流体对通过像番茄酱瓶的颈部的小开口流动的阻力的量度。相反,宇宙粘度是体积粘度的一种形式,它是流体对膨胀或收缩阻力的量度。我们在日常生活中不经常处理体积粘度的原因是因为我们遇到的大多数液体不能被压缩或膨胀得太多。

Disconzi开始解决相对论流体问题。产生这种现象的天文物体包括超新星(爆炸的恒星)和中子星(被压碎到行星大小的恒星)。

科学家已经取得了相当大的成功,模拟了理想流体(无粘性流体)被提升到近光速时的情况。但几乎所有流体的性质都很粘稠,尽管经过数十年的努力,没有人设法提出一种普遍接受的方式来处理以相对论速度行进的粘性流体。过去,用于预测这些更加现实的流体加速到光速的一小部分时发生的情况的模型一直受到不一致的困扰:其中最显着的一直是预测这些流体可能比光速。

“这是灾难性的错误,”Disconzi说,“因为实验证明没有什么比光速更快。”

这些问题激发了数学家重新制定相对论流体动力学方程,其方式不会出现允许快于光速的缺陷。他的方法基于法国数学家AndréLichnerowicz在20世纪50年代提出的方法。

接下来,Disconzi与Kephart和Scherrer合作将他的方程应用于更广泛的宇宙论理论。这产生了许多有趣的结果,包括对暗能量神秘本质的一些潜在的新见解。

在20世纪90年代,当天文学测量显示宇宙在以不断加速的速度扩张时,物理界感到震惊。为了解释这种不可预测的加速度,他们被迫假设存在一种未知形式的散布在整个宇宙中的排斥能量。因为他们对此知之甚少,所以他们称之为“黑暗能量”。

迄今为止,大多数暗能量理论都没有考虑宇宙粘度,尽管它具有与暗能量显着相似的排斥效应。 Disconzi说:“可能但不太可能的是,黏度可能解释了暗能量引起的所有加速度。 “更加可能的是,加速的一个重要部分可能是由于这种更加平淡无奇的原因造成的。因此,粘度可能成为暗能量性质的重要限制因素。“

另一个有趣的结果涉及宇宙的最终命运。自从发现宇宙的失控扩张以来,宇宙学家就未来提出了许多戏剧性的情景。

一种被称为“大冻结”的情景预测,在大约100万亿年后,宇宙将变得如此巨大,以至于恒星形成的天然气供应将变得太薄。结果,现有的恒星会逐渐燃尽,只剩下黑洞,而随着太空本身变得越来越冷,黑洞又慢慢蒸发掉。

一个更激进的情景是“大裂口”。它是以一种随时间推移而变得更强的“幽灵”暗能量为基础的。在这种情况下,宇宙膨胀率变得如此之大,以至于在220亿年左右的时间里,物质开始分解,各个原子自身分解成未结合的基本粒子和辐射。

在这种情况下涉及的关键值是暗能量的压力和密度之间的比率,即所谓的状态参数方程。如果这个值降到-1以下,那么宇宙最终会被拉开。宇宙学家称之为“幻影屏障”。在以前的粘性模型中,宇宙不能超出这个极限。

然而,在Desconzi-Kephart-Scherrer公式中,这个屏障并不存在。相反,它为状态参数方程降到-1以下提供了一种自然的方式。

“在以前的粘度模型中,大撕裂是不可能的,”谢乐尔说。 “在这个新模型中,粘度实际上驱使着宇宙走向这个极端的状态。”

据科学家们说,他们对相对论粘度新配方的笔和纸分析结果相当有前途,但必须进行更深入的分析以确定其可行性。做到这一点的唯一方法是使用强大的计算机来分析复杂的方程。用这种方式,科学家们可以做出可以与实验和观察进行比较的预测。

该研究得到国家科学基金会拨款1305705和能源部拨款DE-SC0011981的支持。

出版物:Marcelo M. Disconzi等人,“New approach to cosmological bulk viscosity,”Physical Review D 91,043532,2015年2月27日; DOI:10.1103 / PhysRevD.91.043532

来源:范德比尔特大学David Salisbury