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共形循环宇宙学

九月 25, 2023

共形循环宇宙学（英語：Conformal cyclic cosmology，简称：CCC）是广义相对论框架下的一个宇宙学模型，由理论物理学家罗杰·彭罗斯提出。[1][2][3]在该模型中，宇宙经历无限地循环迭代，前一次迭代的未来类时无限远与下一次迭代的大爆炸奇点相同。 [4]彭罗斯在他2010年出版的《宇宙的轮回》一书中推广了这一理论。

基本结构 编辑

彭罗斯描述的共形循环宇宙学的基本结构[2]是一个开放式弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规（简称FLRW）时空的可数序列之间的无限连接，其中每一个时空代表一个大爆炸以及之后无限的未来膨胀。彭罗斯注意到，经过适当的共形重标度（conformal rescaling）后，一个FLRW时空的过去共形边界可以与另一个未来的FLRW时空的共形边界“相连”。具体而言，每个单独的FLRW度规 乘以共形因子 的平方进行重新标度，该因子在类时无限远处趋近于零，于是可以将未来的共形边界“压扁”为规则的超曲面（如果按目前研究认为的那样宇宙学常数为正，那这个超曲面是是类空的）。其结果是爱因斯坦方程的一个新解，彭罗斯用它来代表整个宇宙，它由彭罗斯称之为“世代”（aeon）的一系列连续的宇宙阶段组成。

共形循环宇宙学模型要求所有有质量的粒子最终都会消亡（无质量的粒子不经历时间），包括那些与所有其他粒子分离得太远而无法与它们一起湮灭的粒子。正如彭罗斯所指出的那样，许多以标准模型为基础的模型中都考虑过质子衰变的可能性，但这从未被实验观察到。此外，所有电子也必须衰变或者失去它们的电荷或质量，而这也是传统理论中所没有的。[2]

在彭罗斯的诺贝尔奖演讲中，他适当修正了之前对无质量的要求，允许一些有质量的粒子存在，只要它们在以光子为主的共形几何中的数量微不足道，并且几乎所有的能量都是动能的。[5]

物理影响 编辑

共形循环宇宙学模型中粒子物理学的一个显著特征是，由于玻色子遵循共形不变的量子理论，它们在重新标度的“世代”中的行为方式与原来的FLRW空间中完全相同。对于这样的粒子，“世代”之间的边界并非是真实的边界，而是像一个普通的类空曲面一样可以被穿过。与此相对，费米子则会被限制在一个“世代”之中，这为黑洞信息悖论提供了一种解决方案；根据彭罗斯的说法，费米子必须在黑洞蒸发过程中不可逆转地转化为辐射，以保持“世代”之间的光滑边界。

彭罗斯模型的曲率性质也有利于解释某些宇宙学问题。首先，“世代”之间的边界满足外尔曲率假说（英语：Weyl curvature hypothesis），从而保证了低熵的过去（这是过去假设（英语：Past hypothesis）、统计力学以及实证观测结果所要求的）。其次，彭罗斯计算出一定量的引力辐射可以穿越“世代”之间的边界。他认为，这种额外的引力辐射可能足以解释观测到的宇宙加速膨胀，而无需借助暗能量场。

实验 编辑

2010年，彭罗斯和瓦赫·古萨德扬（英语：Vahe Gurzadyan）发文声称威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和毫米波段气球观天计划对宇宙微波背景的观测与基于标准ΛCDM模型的模拟结果相比多出了额外的同心圆，是上一“世代”的引力辐射留下的，其结果有6σ的显著性。然而，这一统计显著性分析结果此后一直存在争议。三个研究团队独立地试图重现这些结果，但发现这些异常的同心圆并没有统计学意义。[6][7][8][9]

这一分歧的根本原因源于如何构建用于检验显著性的模拟：试图重复结果的三个团队采用的都是基于标准ΛCDM模型的模拟，而彭罗斯和古萨德扬使用的则是一种未被记载的非标准模型。[10]

2013年，古萨德扬和彭罗场发表了他们工作的新发展，并引入了一种他们称为“天空扭曲处理”（sky-twist procedure）的不基于模拟的新方法，并使用该方法直接分析WMAP的数据。[3]2015年，他们又发表了基于普朗克卫星数据的分析结果，其中包括了不均匀天空分布的同心圆结构，证实了他们之前对WMAP数据的分析。 [11]

在2018年发表的一篇论文中，彭罗斯等人对宇宙微波背景辐射的数据进行了进一步分析，指出“无论共形循环宇宙模型是否成立，这些异常点都为宇宙学提供了重要的新发现”。他们还提出，这些异常可能是“霍金点”（Hawking point），即源于“我们之前‘世代’中的超大质量黑洞的霍金蒸发”的残余信号。他们论文的原始版本声称其中一个霍金点与BICEP2团队发现的一处B模位置重合。不过，在之后的更新版本中已经删去了该主张。2020年的一项研究发现，一旦考虑到别处效应（英语：Look-elsewhere effect），这些表面上异常的“霍金点”实际上与标准通胀模型是相容的，因此认为它们不能用作支持共形循环宇宙的证据。[12]

共形循环宇宙与费米悖论 编辑

2015年，古萨德扬和彭罗场还讨论了费米悖论，即地外文明存在性的过高估计和缺少相关证据之间的矛盾。在共形循环宇宙学中，宇宙微波背景辐射提供了信息从一个“世代”传到另一个“世代”的可能性，包括信息胚种论（英语：Information panspermia）概念里的智能信号。 [11]

参考文献 编辑

  1. ^ Palmer, Jason. . BBC News. 2010-11-27 [2010-11-27]. （原始内容存档于2018-01-21）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Roger Penrose. Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics (PDF). Proceedings of the EPAC 2006, Edinburgh, Scotland. 2006: 2759–2762 [2022-05-19]. （原始内容 (PDF)存档于2013-04-10）. 
  3. ^ 3.0 3.1 Gurzadyan, VG; Penrose, R. On CCC-predicted concentric low-variance circles in the CMB sky. Eur. Phys. J. Plus. 2013, 128 (2): 22. Bibcode:2013EPJP..128...22G. S2CID 55249027. arXiv:1302.5162  . doi:10.1140/epjp/i2013-13022-4. 
  4. ^ Cartlidge, Edwin. Penrose claims to have glimpsed universe before Big Bang. physicsworld.com. 2010-11-19 [2010-11-27]. （原始内容存档于2013-04-10）. 
  5. ^ Penrose, Roger. . YouTube. Nobel Prize Committee. [22 May 2021]. （原始内容存档于2022-04-20）. 
  6. ^ Wehus IK; Eriksen HK. A search for concentric circles in the 7-year WMAP temperature sky maps. The Astrophysical Journal. 2010-12-07, 733 (2): L29. Bibcode:2011ApJ...733L..29W. arXiv:1012.1268  . doi:10.1088/2041-8205/733/2/L29. 
  7. ^ Moss A; Scott D; Zibin JP. No evidence for anomalously low variance circles on the sky. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2010-12-07, 2011 (4): 033. Bibcode:2011JCAP...04..033M. S2CID 118433733. arXiv:1012.1305  . doi:10.1088/1475-7516/2011/04/033. 
  8. ^ Hajian A. Are There Echoes From The Pre-Big Bang Universe? A Search for Low Variance Circles in the CMB Sky. The Astrophysical Journal. 2010-12-08, 740 (2): 52. Bibcode:2011ApJ...740...52H. S2CID 118515562. arXiv:1012.1656  . doi:10.1088/0004-637X/740/2/52. 
  9. ^ DeAbreu, A.; et al. Searching for concentric low variance circles in the cosmic microwave background. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2015, 2015 (12): 031. Bibcode:2015JCAP...12..031D. S2CID 119205759. arXiv:1508.05158  . doi:10.1088/1475-7516/2015/12/031. 
  10. ^ Gurzadyan VG. More on the low variance circles in CMB sky. arXiv:1012.1486  . 
  11. ^ 11.0 11.1 Gurzadyan, V.G.; Penrose, R. CCC and the Fermi paradox. Eur. Phys. J. Plus. 2016, 131: 11. Bibcode:2016EPJP..131...11G. S2CID 73537479. arXiv:1512.00554  . doi:10.1140/epjp/i2016-16011-1. Gurzadyan, V.G.; Penrose, R. (2016). "CCC and the Fermi paradox". Eur. Phys. J. Plus. 131: 11. arXiv:1512.00554. Bibcode:2016EPJP..131...11G （页面存档备份，存于互联网档案馆）. doi:10.1140/epjp/i2016-16011-1. S2CID 73537479.
  12. ^ Jow, Dylan L.; Scott, Douglas. . Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2020-03-09, 2020 (3): 021 [2022-05-19]. Bibcode:2020JCAP...03..021J. ISSN 1475-7516. S2CID 202719103. arXiv:1909.09672  . doi:10.1088/1475-7516/2020/03/021. （原始内容存档于2022-02-07）. 

九月 25, 2023
共形循环宇宙学, 英語, conformal, cyclic, cosmology, 简称, 是广义相对论框架下的一个宇宙学模型, 由理论物理学家罗杰, 彭罗斯提出, 在该模型中, 宇宙经历无限地循环迭代, 前一次迭代的未来类时无限远与下一次迭代的大爆炸奇点相同, 彭罗斯在他2010年出版的, 宇宙的轮回, 一书中推广了这一理论, 目录, 基本结构, 物理影响, 实验, 共形循环宇宙与费米悖论, 参考文献基本结构, 编辑彭罗斯描述的的基本结构, 是一个开放式弗里德曼, 勒梅特, 罗伯逊, 沃尔克度规, 简称flrw. 共形循环宇宙学 英語 Conformal cyclic cosmology 简称 CCC 是广义相对论框架下的一个宇宙学模型 由理论物理学家罗杰 彭罗斯提出 1 2 3 在该模型中 宇宙经历无限地循环迭代 前一次迭代的未来类时无限远与下一次迭代的大爆炸奇点相同 4 彭罗斯在他2010年出版的 宇宙的轮回 一书中推广了这一理论 目录 1 基本结构 2 物理影响 3 实验 4 共形循环宇宙与费米悖论 5 参考文献基本结构 编辑彭罗斯描述的共形循环宇宙学的基本结构 2 是一个开放式弗里德曼 勒梅特 罗伯逊 沃尔克度规 简称FLRW 时空的可数序列之间的无限连接 其中每一个时空代表一个大爆炸以及之后无限的未来膨胀 彭罗斯注意到 经过适当的共形重标度 conformal rescaling 后 一个FLRW时空的过去共形边界可以与另一个未来的FLRW时空的共形边界 相连 具体而言 每个单独的FLRW度规g a b displaystyle g ab nbsp 乘以共形因子W displaystyle Omega nbsp 的平方进行重新标度 该因子在类时无限远处趋近于零 于是可以将未来的共形边界 压扁 为规则的超曲面 如果按目前研究认为的那样宇宙学常数为正 那这个超曲面是是类空的 其结果是爱因斯坦方程的一个新解 彭罗斯用它来代表整个宇宙 它由彭罗斯称之为 世代 aeon 的一系列连续的宇宙阶段组成 共形循环宇宙学模型要求所有有质量的粒子最终都会消亡 无质量的粒子不经历时间 包括那些与所有其他粒子分离得太远而无法与它们一起湮灭的粒子 正如彭罗斯所指出的那样 许多以标准模型为基础的模型中都考虑过质子衰变的可能性 但这从未被实验观察到 此外 所有电子也必须衰变或者失去它们的电荷或质量 而这也是传统理论中所没有的 2 在彭罗斯的诺贝尔奖演讲中 他适当修正了之前对无质量的要求 允许一些有质量的粒子存在 只要它们在以光子为主的共形几何中的数量微不足道 并且几乎所有的能量都是动能的 5 物理影响 编辑共形循环宇宙学模型中粒子物理学的一个显著特征是 由于玻色子遵循共形不变的量子理论 它们在重新标度的 世代 中的行为方式与原来的FLRW空间中完全相同 对于这样的粒子 世代 之间的边界并非是真实的边界 而是像一个普通的类空曲面一样可以被穿过 与此相对 费米子则会被限制在一个 世代 之中 这为黑洞信息悖论提供了一种解决方案 根据彭罗斯的说法 费米子必须在黑洞蒸发过程中不可逆转地转化为辐射 以保持 世代 之间的光滑边界 彭罗斯模型的曲率性质也有利于解释某些宇宙学问题 首先 世代 之间的边界满足外尔曲率假说 英语 Weyl curvature hypothesis 从而保证了低熵的过去 这是过去假设 英语 Past hypothesis 统计力学以及实证观测结果所要求的 其次 彭罗斯计算出一定量的引力辐射可以穿越 世代 之间的边界 他认为 这种额外的引力辐射可能足以解释观测到的宇宙加速膨胀 而无需借助暗能量场 实验 编辑2010年 彭罗斯和瓦赫 古萨德扬 英语 Vahe Gurzadyan 发文声称威尔金森微波各向异性探测器 WMAP 和毫米波段气球观天计划对宇宙微波背景的观测与基于标准LCDM模型的模拟结果相比多出了额外的同心圆 是上一 世代 的引力辐射留下的 其结果有6s的显著性 然而 这一统计显著性分析结果此后一直存在争议 三个研究团队独立地试图重现这些结果 但发现这些异常的同心圆并没有统计学意义 6 7 8 9 这一分歧的根本原因源于如何构建用于检验显著性的模拟 试图重复结果的三个团队采用的都是基于标准LCDM模型的模拟 而彭罗斯和古萨德扬使用的则是一种未被记载的非标准模型 10 2013年 古萨德扬和彭罗场发表了他们工作的新发展 并引入了一种他们称为 天空扭曲处理 sky twist procedure 的不基于模拟的新方法 并使用该方法直接分析WMAP的数据 3 2015年 他们又发表了基于普朗克卫星数据的分析结果 其中包括了不均匀天空分布的同心圆结构 证实了他们之前对WMAP数据的分析 11 在2018年发表的一篇论文中 彭罗斯等人对宇宙微波背景辐射的数据进行了进一步分析 指出 无论共形循环宇宙模型是否成立 这些异常点都为宇宙学提供了重要的新发现 他们还提出 这些异常可能是 霍金点 Hawking point 即源于 我们之前 世代 中的超大质量黑洞的霍金蒸发 的残余信号 他们论文的原始版本声称其中一个霍金点与BICEP2团队发现的一处B模位置重合 不过 在之后的更新版本中已经删去了该主张 2020年的一项研究发现 一旦考虑到别处效应 英语 Look elsewhere effect 这些表面上异常的 霍金点 实际上与标准通胀模型是相容的 因此认为它们不能用作支持共形循环宇宙的证据 12 共形循环宇宙与费米悖论 编辑2015年 古萨德扬和彭罗场还讨论了费米悖论 即地外文明存在性的过高估计和缺少相关证据之间的矛盾 在共形循环宇宙学中 宇宙微波背景辐射提供了信息从一个 世代 传到另一个 世代 的可能性 包括信息胚种论 英语 Information panspermia 概念里的智能信号 11 参考文献 编辑 Palmer Jason Cosmos may show echoes of events before Big Bang BBC News 2010 11 27 2010 11 27 原始内容存档于2018 01 21 2 0 2 1 2 2 Roger Penrose Before the Big Bang An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics PDF Proceedings of the EPAC 2006 Edinburgh Scotland 2006 2759 2762 2022 05 19 原始内容 PDF 存档于2013 04 10 3 0 3 1 Gurzadyan VG Penrose R On CCC predicted concentric low variance circles in the CMB sky Eur Phys J Plus 2013 128 2 22 Bibcode 2013EPJP 128 22G S2CID 55249027 arXiv 1302 5162 nbsp doi 10 1140 epjp i2013 13022 4 Cartlidge Edwin Penrose claims to have glimpsed universe before Big Bang physicsworld com 2010 11 19 2010 11 27 原始内容存档于2013 04 10 Penrose Roger Nobel Lecture Roger Penrose Nobel Prize in Physics 2020 YouTube Nobel Prize Committee 22 May 2021 原始内容存档于2022 04 20 Wehus IK Eriksen HK A search for concentric circles in the 7 year WMAP temperature sky maps The Astrophysical Journal 2010 12 07 733 2 L29 Bibcode 2011ApJ 733L 29W arXiv 1012 1268 nbsp doi 10 1088 2041 8205 733 2 L29 Moss A Scott D Zibin JP No evidence for anomalously low variance circles on the sky Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2010 12 07 2011 4 033 Bibcode 2011JCAP 04 033M S2CID 118433733 arXiv 1012 1305 nbsp doi 10 1088 1475 7516 2011 04 033 Hajian A Are There Echoes From The Pre Big Bang Universe A Search for Low Variance Circles in the CMB Sky The Astrophysical Journal 2010 12 08 740 2 52 Bibcode 2011ApJ 740 52H S2CID 118515562 arXiv 1012 1656 nbsp doi 10 1088 0004 637X 740 2 52 DeAbreu A et al Searching for concentric low variance circles in the cosmic microwave background Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2015 2015 12 031 Bibcode 2015JCAP 12 031D S2CID 119205759 arXiv 1508 05158 nbsp doi 10 1088 1475 7516 2015 12 031 Gurzadyan VG More on the low variance circles in CMB sky arXiv 1012 1486 nbsp 11 0 11 1 Gurzadyan V G Penrose R CCC and the Fermi paradox Eur Phys J Plus 2016 131 11 Bibcode 2016EPJP 131 11G S2CID 73537479 arXiv 1512 00554 nbsp doi 10 1140 epjp i2016 16011 1 Gurzadyan V G Penrose R 2016 CCC and the Fermi paradox Eur Phys J Plus 131 11 arXiv 1512 00554 Bibcode 2016EPJP 131 11G 页面存档备份 存于互联网档案馆 doi 10 1140 epjp i2016 16011 1 S2CID 73537479 Jow Dylan L Scott Douglas Re evaluating evidence for Hawking points in the CMB Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2020 03 09 2020 3 021 2022 05 19 Bibcode 2020JCAP 03 021J ISSN 1475 7516 S2CID 202719103 arXiv 1909 09672 nbsp doi 10 1088 1475 7516 2020 03 021 原始内容存档于2022 02 07 取自 https zh wikipedia org w index php title 共形循环宇宙学 amp oldid 78005570, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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