宇宙学

大爆炸前的宇宙

L’application de la théorie des cordes à la cosmologie suggè大爆炸会是 pas le début de l’Univers, mais l’aboutissement d’un état cosmique antérieur. Deux scénarios s’反对这个描述« avant ».

Gabriele Veneziano 用于Science N°320
大爆炸

是大爆炸的开始,或者’宇宙以前存在?不到十年前,这样的问题看起来像骶骨èGE。对于宇宙来说,这种询问n’毫无意义。想象époque anté在大爆炸,c’é就像寻找北部的点ôle Nord. Selon la théorie de la relativité géné一个扩展的宇宙必须已经开始é通过一个大爆炸,这意味着时间的有限性,同时出现了ément avec l’espace et l’énergie-matière. Cette façon de voir s’est modifiée au cours des dernières années。出生时,升’Univers était concentré en une ré这么小的量子物理法则是’申请。重新成像é générale, qui n’est pas une théQuantum Orie,停止’être valide à l’é大霹雳。 TH.éorie des字符串,即é发展三十’annéES,很可能通过提供对严格描述的量子描述。她有R.é它被允许构思两个modèles cosmologiques – le modèle pré-Big Bang et le modèle ekpyrotique – dé写一个蚂蚁宇宙é在大爆炸。这些sc.énarios, où le temps n’也不开始,也不是结束,可以留下é宇宙漫射中可观察到的痕迹,辐射émis peu aprè是大爆炸,那个’on détecte aujourd’慧用化石形式’ensemble du ciel.

留下来é réCente考虑到什么可以’être passé avant l’origine de l’Univers n’这是突然存在的智力逆转日期的最后一个édé durant des millé。在所有文化中,哲学家和钍éologiens ont été confrontés à时代开始的问题’世界的起源。我们的« arbre généalogique » passe par les premiè生活形式,形成étoiles, la synthèse des premiers élé然后回去’à l’é沐浴着的氮姬’原始空间。他继续é几个或在某个地方扎根?希腊哲学家有很长一段时间ébattu de l’时间的起源。亚里士多德éfendait l’缺乏从援引任何没有发生任何事情的原则。如果是’Univers ne peut naître ex nihilo,他必须始终存在é. Le temps devrait s’étendre é在通过é在未来。 TH.éologiens chrétiens ont dé分裂相反的角度。圣奥古斯丁声称上帝存在于之外’空间和时间和时间’他有能力的crséer comme il a forgé世界的其他方面。上帝在cr之前做了什么é世界?根据圣奥古斯丁,时间本人ê我是cr的一部分éation divine, il n’没有’avant.

一种étrange homogénéité

TH.éorie de la relativité géné鲁尔已经带领现代化的宇宙学家à une conclusion trè类似。在这种情况下,’空间和时间不是刚性和绝对的,而是动态和déformés par l’influence de la matière. À de grandes é距离chels,l’espace se courbe, s’é随着时间的推移,随着时间的推移倾向或合同ère. Au cours des années 1920, à la suite d’埃德文哈勃,天文学家确认é我们的宇宙正在扩展:Galaxies S ’é互相放荡。其中一个缺点é这个扩张是那个时候不能’étendre indé终于走向了通行证é。投射电影’histoire cosmique à l’到来,星系彼此靠近’à加入无限点ésimal, nommé singularité。所有星系– ou plutôt leurs précurseurs –在零卷中被发现。密度é, la tempé成熟,但也是曲率’时空,变得无限。奇点é是最终极的大灾变à我们不能再追求généalogie cosmique.

这D.éroulement soulè许多问题。特别是,它似乎很少兼容l’宇宙出现同源ène, à grande é各个方向的Chelle。对于宇宙有mê在各个点的外观,有必要’une forme d’interaction se soit établie entre les régions éloignées de l’空间让他们的属性étés se soient homogénéisées。但这与数据相矛盾ées de l’宇宙的扩张。 lumi.ère a été libérée 137亿’années (c’是观察到的弥漫性宇宙学背景é aujourd’惠在微波领域)。在所有方向,有超过130亿D的远程星系’années-lumiè关于。因此,在对比方面存在星系ées, qui sont séparé超过250亿D’années-lumière. Par conséquent, ces régions n’ont jamais été联系人:他们是’没有时间d’échanger de la lumière, ni 一个fortiori.的a matière. Leur densité, leur tempé率和其他正确étés n’ont pas pu être homogénéisées.

然而,属性étés de la Voie lactée sont à peu près les mê我的遥远星系。这个同谜énéité pourrait être une coïncident。但是,很难’承认成千上万的部分INDépendantes dans l’宇宙漫射物质的形象,统计上相同,有ès le début des propriétés相同。有两种自然的解释:无论如何’Univers é在他的第一次小于经典宇宙中的第一次时刻,无论是年龄的大都。在这两种情况下,之前的两个偏远的天空’é宇宙辐射的使命可能会互动。

首先ère hypothè是天体物理学家的préfèrent. L’宇宙本来已知période d’眩晕扩张,L’inflation, au tout dé他历史的目的。以前,所有régions de l’Univers é如此接近他们的财产étés se sont homogénéisées。然后,在阶段’inflation, l’expansion s’est emballée et l’Univers s’est dilaté比lumi快ère. Les diffé宇宙的年份有été isolé彼此。 APRUM.è是一小部分一秒,是’通货膨胀已经结束了’expansion a retrouvé一个宁静的课程。星系之间的联系’逐渐rétabli while lumiè重新训练他的延迟,créé par l’通货膨胀。解释这个扩张fréné物理学家介绍了一个新的武力领域’发炎,产生引力强度répulsive très élevée在大爆炸后的第一个时刻。相对的à la gravitation, l’inflaton accélère l’扩张。 4月的一小部分ès le Big Bang, il s’est épuisé, la force ré脉冲已经消失,重力恢复了。这个éorie, proposéE在1981年由物理学家艾伦Guth,允许’解释很多’observations. NéVirtoins,一些困难és théoriques subsistent, à从本质开始’inflaton.

第二个法çon de résoudre le problè我的经典较少:它假设了’世界比Pr更老évu. Si le temps n’a pas commencé用大爆炸,如果很长ère a précédé le début de la période d’电流扩展,L’Universe充当了S的时间’homogénéiser. Un tel scénario é进一步限制难度é posée par la singularité qui surgit lorsqu’on veut étendre la relativité générale au-delà de son domaine d’应用。确实,à l’大爆炸方法,mati的限制èRe是量子效应必须ê是占主导地位的,并得到保证é n’保留一个帐户。为了écouvrir ce qui s’est réellement passé,物理学家必须替代相对论é générale par une thé量子orie的引力。 TH.éoriciens s’y sont employés depuis l’époque d’爱因斯坦,没有巨大进步ès jusqu’au milieu des années 1980.

开始的两个愿景
开始的两个愿景。在我们的扩大世界中,星系逃离了 les unes les autres à比例速度à la distance qui les sé削减:5亿偏远星系 d’années-lumière se sé父母的两倍迅速 远程星系为2.5亿’années-lumière. En consé所有星系都必须être parties du même point au même moment : c’是大爆炸。这 结论仍然有效ême si l’expansion de l’Univers a connu des périodes d’accélération ou de décélération. Cependant, 情况变得不确定’on considère le moment précis où星系(或请ôt leurs précurseurs) ont commencé他们的逃避运动。 ©Samuel Velaco..

字符串弹跳

今天’惠,两种方法似乎很有前途。首先èRe,量子成力à boucles, conserve l’相对论的必要性é –动态性质’espace-temps et l’来自系统的不变性ème de coordonnées utilisé –并将这些原则置于œ在量子物理学的背景下工作。 L.’空间时间在résulte est formé小块écables. Ces dernières annéES,鞋带中的量子引力已知’importants progrès, mais elle n’est peut-ê不足够激进ré焊接所有问题èmes posé通过量化引力。

第二种方法,上面是背景és les scénarios présentés ici, est la théorie des字符串。他的第一个ère é鲍奇在1968年出现在一个modèle que j’ai proposé pour dé涉及原子核心的组分的相互作用。这’est que dans les années 1980 qu’elle a ressuscité pour devenir une théorie candidate à l’相对论的统一é générale et de la théorie quantique.

他的IDéE Basic是Mati的基本组件èRe不是准时,而是一维的,à l’没有é皮革。这些绳索像那些一样振动’一个小提琴,以及奢侈的粒子,嫁妆ées chacune de propriétés caractéristiques, reflète les diffé振动模式。量子法允许à这些充满活力的绳索dénuées de masse de dé写粒子和相互作用,他们这样做é合并新属性étéS对宇宙学具有深切影响。

保密è量子效应施加最小尺寸’ordre de 10-34 mètre. Ce quantum irré可燃长度,而不是é ls,是一种新的自然常数,côtés的光速èRe和Planck常数。在里面éorie des strings,她玩了一个rô通过强加有限终端至关重要à des quantité没有那个人,没有那个人会变得无效或无穷无尽。

第二èmement, l’é绳索的某些振动模式的NERGIA对应于颗粒的质量。此外,这些振动对应è串一刻cinétique intrinsè那或旋转。绳索可以获得érir plusieurs unité旋转,同时剩下零质量:它们是à même de repré送玻色子,消息粒子è基本力量(如Photon)’électromagnéEssism)。历史上,C.’est en dé覆盖旋转振动模式égal à deux, identifiés à la particule supposée véhiculer l’Gravitational Interaction,Graviton,该物理学家接受了采访’intérêt de la théorie des strings用于量化攀登é.

第三èmement, les équations de la théorie des字符串是同轴电缆érentes que si l’空间有九个尺寸而不是通常的三个,如果六个空间尺寸柔软é是rens.ées sur de très petites distances.

第四è常量谁écrivent l’intensité基本力,如恒定的重力或充电é电气,不再固定é任意,但出现在théorie des字符串以字段的字段的形式é卷随着时间的推移。 L.’其中一个领域,稀释龙,扮演rô个人:他是détermine l’é其他领域的卷,c’est-à-dire l’intensité所有互动。在différentes é宇宙杆,« constantes »因此,物理学可能知道î是微小的变化。天体物理学家今天正在寻找’hui à通过观察来衡量它们’Univers lointain.

当sym.étrie dompte l’infini

最后,绳索有révélé l’新符号的存在é各种各样的,二元éS,从根本上改变我们的理解é直观的行为行为直观à des échelles extrêmement petites. L’une de ces symétries, la t-dualit......é,连接小而额外的尺寸émentaires. Cette symétrie est liée à la plus grande variété比较绳索的可能运动à准时的颗粒。考虑érons une corde fermée (une boucle) se déplaçant dans un espace à两个维度谁’une est repliée在一个小圆圈中。这个空间équivaut à la surface d’一个气缸。除了振动,绳子可以是éplacer à表面,还有’在圆筒周围卷绕一个或多次é懒惰的无风ée.

振动,Dé放置和绕组参与à l’é绳子的总能量。 L.’é最后两种模式的NERGIAé悬挂在气缸的尺寸。 L.’énergie d’绕组与气缸半径成比例:较大的是,绳子应该越多être étirée pour s’绕组,这样’它存储更多d’é赤霉病。另一方面,沿着争论维度ée, le déplacement d’一根绳子转化为一个énergie与光线成正比:圆筒的更大,绳索越多’y déplacer « tranquillement » (Les relations d’indétermination de la méQuantic Channel EMP.êlocalis粒子ée avec précision d’ê休息。一个受限的粒子ée est ainsi animée d’高速,而且’一个粒子的位置很少受到约束éplace plus « tranquillement »)在更多的圆柱体上étroit, l’绕绳子nécessite une énergie infé而Dé放置更活跃é et confère plus d’énergie au système. Si l’on échange un cylindre d’un rayon donné R 具有反向射线滚筒1 /R (l’unité é绳索的最小长度),séries d’états d’é由两种模式产生的能量是échangées, mais l’ensemble des é各国保持不变。对于EXT ObserveréRieur,大信封尺寸é然后身体上é以小,反向光线的级别。

绳索理论和二元性

Théorie des cordes和dualité. 这 théorie des字符串可以écrire ce qui s’est passé在大爆炸时。她考虑了è重复类似的对象à无限的小提琴绳索。 D.éplaç手指,小提琴手缩短了绳索并增加了FRé他们的振动。量子效应EMP.êcheraient d’aller au-dessous d’最小长度’ordre de 10–34 mètre.

因为差异é可以执行绳索的运动类型,尺寸提供的空间é很棒(比较à 10-34 mèTRE)无法区分’un autre où这些尺寸很小。考虑é圆柱形二维空间。除了振动和振动é放在散装中,一根绳子可以’enrouler comme un éLastla围绕圆筒。关系的关系’indé量子终止EMP.êchent une corde d’avoir à一个位置éCISE和零速度:限制粒子ée在限制空间éplace fréné。如果是循环é气缸很小,圆筒周围的绳索运动正在作用és: l’énergie liée aux déplacements est élevéE(a)。另一方面,一根绳子包裹着ée est peu tendue: l’enroulement n’apporte que peu d’énergia(b)。如果气缸半径增加,l’绳索的搅拌较少,每一个é投资带来少量é d’énergie(c),而’绕绳子进入îne une tension élevée很棒énergie(d)。对于反向光线(R和1 / R)的两个气缸,L’énergie totale – la seule quantité observable – reste la même. Cette propriété empêche l’espace de s’崩溃成一个点和’atteindre un état de densité infinie.

©Samuel Velaco.

t-dualit......é est plus facile à了解’espaces dotés d’有限尺寸的圆形尺寸,但它是’applique é还有无限的三维’普通空间。这’不是那个规模’作为整体的空间很重要,但它的因素d’échelle,之间的关系’é俘虏对象’il contenait à une date donnée et leur é现行法律。根据 t-dualit......é, un univers où le facteur d’échelle est très petit est équivalent à un univers où le facteur d’échelle很棒。这样一个符号étrie n’不相对论不存在é géné。它来自TH的统一框架éorie des cordes.

多年ées, les thé乌贼奥里西人思想é que la t-dualit......é ne s’appliquait qu’aux cordes fermées。 1995年,Joseph Polchinsky,’Université来自圣巴巴拉,显示é qu’它对开放绳索仍然有效,条件,称为Dirichlet,在他们的极端émités : en plus d’扭转了resh尺寸的壳ées,我们必须解决提取物émité在许多维度中的绳索。因此,提取物émités d’一根绳子可以在十个空间尺寸中自由漂浮,而他们在其他七个中的运动被阻止é。这三个自由尺寸形成了NOMP子空间é膜,或D-扁平。 1996年,Petr Horava,’Universitérutgers,和爱德华的行为’Institut d’études avancé普林斯顿,想象力é que notre Univers ré在这种D-尺寸三的侧面。移动性é partielle des é电子和其他粒子会解释为什么我们不能察觉到十个维度’espace.

所有的属性étés des cordes suggèrent la mê我的东西:庄稼détestent l’无穷。因为他们不能être réduites à un point, elles é限制悖论普罗诺克é通过这种崩溃。它们的非零大小和符号é与它们相关联的新排序éES施加界限érieures aux quantités的性质生长éfiniment dans les thé经典的器官和终端inférieures aux quantité这减少了。无论何处’我们投影了这部电影’histoire cosmique à l’envers, l’时空合约和所有尺寸的曲率半径rétrécit. Selon les thé俄狄斯人的琴弦, t-dualit......é empêD的曲率半径écroître jusqu’à zéro并挑起奇点é大爆炸标准。到达à最小的可能长度,这种收缩变成了物理上équivalente à une expansion de l’空间,曲率半径再次开始à croître. La t-dualit......é fait « rebondir » l’崩溃,成为一个新的扩张。

L’Univers renversé

奇点é disparue, rien n’empêche d’imaginer que l’宇宙在大爆炸之前存在。通过组合SYMé尝试由此引入éorie des strings与symé通过推翻时间来排序é物理工作功能éremment lorsqu’它们适用于未来或通过é,研究人员有想象é新的宇宙,où le Big Bang n’不是时间的开始,但两个之间只有两次暴力过渡états de l’Univers : avant, l’expansion accélère, après, elle ralentit. L’intérê这种设计是’elle intèERM自动IDées du modèle inflationniste, c’est-à-dire l’existence d’une période d’inflation accélérée能够证明’homogénéité de l’Univers. Dans la théorie standard, l’accélération est causée après le Big Bang par l’发炎。在绳索的宇宙学中,’accélé在大爆炸和r之前发生的ration发生ésulte des symétries de la théorie.

条件R.é在大爆炸的边缘是如此极端ê我没有人知道résoudre les équations qui le décrivent. Néanmoins, les thé绳索的奥里西人冒险és à dé写一些方面’Univers précé大爆炸。两个mod.èles sont aujourd’hui à l’é托德。第一个,称为scénario pré-big爆炸,假设这一点’Univers anté在大爆炸是一个镜像’Univers postérieur à cet événement. L’Univers s’étend é在未来,如通过é。他无限期地,他é几乎是空的,只有’un gaz raréfié辐射和马蒂è关于。自然力量,控制ôlées par le dilaton, é这种气体的颗粒相互作用是如此薄弱à句子。随着时间的推移,力量获得é en intensité et la matière a commencé à s’agréger. Certaines régions en ont accumulé aux dé想想他们的邻居。密度é它已成为使得黑洞正在形成és. La matière piégée à l’intérieur a été isolée et l’Univers s’est scindé en morceaux déconnectés。在每个黑洞内,密度é de matière était toujours plus élevée. Lorsque la densité, la tempé成熟和曲率达到了允许的最大值éorie des字符串,这些数量és ont « rebondi » et commencé à décroître. Le Big Bang n’除了où s’生产这种推翻。 L.’intérieur de l’其中一个黑洞已成为我们的宇宙。

场景预购
©Samuel Velaco..

Branks Who.’entrechoquent

那些C.énario pré-Big Bang, que j’ai proposé avec des collègues en 1991, a été la première tentative d’application de la théorie des cordes à宇宙学。他唤起了é许多批评者,我们离开了à dé如果他们把手指放在一个重要的错误上。

L’autre principal modèle décrivant l’大爆炸之前的宇宙是合格的é de scéNario Ekpyricoric(来自希腊语意义爆发)。 D.éveloppé自2001年由Neil Turok,来自’Université剑桥,和保罗斯坦特,来自’Université de Princeton, ce scénario est fondé sur l’idée我们的宇宙将是一个漂浮的D-Braneà proximité d’另一个在尺寸支持的空间érieure. L’espace sé看到令人震惊的行为就像一个引领他们的弹簧à碰撞时碰撞时’他们合同。 L.’é震惊的精灵被转换为matièRe和Radiation:C’是大爆炸。在L.’这个sc的变体之一é纳里奥,碰撞发生在FAç我们周期性。两个branks相遇,反弹和s’é坠落前的碎片’une sur l’其他等等。在这些碰撞之间,Branks持续扩张,à l’exception d’在休克之前的收缩阶段。 L.’在令人震惊的时候扩张速度慢’écartent et accélère lorsqu’他们越来越近了à新的。目前的阶段’accélération de l’宇宙扩张,découverte ces dernières années lors de l’观察遥远的超新星,可能是ê是下一个碰撞。

C.énario ekpyrotique

C.énario ekpyrotique. 如果我们的宇宙是多维膜, plus simplement une « brane », 漂浮在维度的空间érieure, le Big Bang aurait résulté de la collision de deux branes parallè这。碰撞将发生périodiquement.

©Samuel Velaco..

SC.énarios pré-big bang和ekpyrotic股份共同特征。两者都以巨大的,冷酷而几乎空的宇宙开头,而且都斗争à解释阶段之间的过渡é - 和大爆炸。数学é到目前为止,他们的主要差异érence ré在Dilaton的行为方面。 SC.énario pré-big bang,他最初有一个tr。èS低,使基本力量薄弱,它逐渐进入强度é. Dans le scénario ekpyrotique, c’是相反的:碰撞发生时’intensité力量很少。

这种力量的弱点已经引起了é l’espoir de réussir à用常规技术分析反弹。不幸的是,在当前的变体中,当Branks更接近时’à s’相交,尺寸épare « s’effondre »,让这个奇点é ne peut être évitée。其他障碍物,有必要调整初始条件,以便’on puisse résoudre les problè我的经典宇宙。例如,在休克之前,令人震惊必须être quasiment parallè否则,他们不会产生à一个大的轰隆了ène.

离开ôté la difficile tâche d’étayer ces deux scénarios d’un point de vue mathématique,物理学家正在寻找’ores et déjà des consé可观察的要求。À première vue, les deux modèles é更多的声音sp.éculations méThaphysics那是é身体奥黛尔。但是,从étails de l’époque anté在大爆炸可能有缺点é可观察的禁止,就像那些’époque d’通货膨胀。观察到的微小波动ées dans la tempé宇宙学弥漫性底部的辐射的恢复和极化提供了经验测试。

我们司有人è临时波动é像标记一样的成符’声波传播é在380,000年的原始等离子体中Précédant l’é宇宙背景辐射的使命。 r.égularité这些波动证明了声波具有été engendrées au même moment. Les modè通胀学家,Pré-big bang和ekpyrotic满足这个约束并通过这一测试。产生声波ées au mê我用Quantic波动放大了é在阶段’expansion accélérée.

另外,每个modèle prédit une réAngular Partition Sp.é波动。观察结果表明’大角度波动的幅度是恒定的,而且’aux petites é开窗,我们观察峰值。 mod.è通货膨胀实际上是这种分布。在此期间’通货膨胀,曲率’时空变化缓慢。差异大小波动é因此产生了年度é在类似的条件下,初始波动谱是不变的à l’é角腿。山顶到小échelles résultent de l’alté初始波动,在其余部分’histoire de l’宇宙。在绳索的宇宙中,曲率’espace temps évolue très vite, ce qui accroît l’波动幅度à petite échelle. Cependant, d’其他过程补偿了这种pHénomène : dans le scéNario Ekpyrical,Branks的收缩产生了一种不变的波动’échelle ; dans le modèle pré-big bang,介入一个nomm量子领域é曲面。此外,目前,三个modè对应于观察。

宇宙漫反射背景

L’observation de l’Univers antérieur在大爆炸帕拉ît à从来没有不可能。但是,还有这个é淡化形式的辐射: 引力波。我们可以étecter leurs effets 论宇宙弥漫背景的极化。 SC.énarios pré-big bang和ekpyrote prédisent plus d’高fr的引力波é更少的低音enéquences, que le modèle de l’通货膨胀。目前的观察不能épartager ces modè但是,但宇宙漫射背景的极化的测量 由普朗克卫星,Dè■2007年和观察结果 dé处女座和拉加引力标头应该帮助我们。

©NASA(模拟); Gabrielle Veneziano(图表)

宇宙漫射底部的偏振提供另一个测试。与其他mod.不同èles, le scénario d’inflation pré看到引力波有贡献é温度波动é速度。其中一些引力波会留下é宇宙学背景辐射极化中的签名。卫星的观察 pl的’欧洲空间局éenne pourraient dé如果存在这种签名,则会。他的dé所涵盖会带来重量论据’inflation.

L’宇宙底部分析n’est pas la seule façon de tester ces théories. Le scénario pré-Big Bang prédit l’émission d’引力波,其中一些将可以访问étecteurs d’引力波等 处女座. 而且,自SC以来éNarios Ekpyrical和Pré-big ang涉及稀释局的变化,这是一个切换é au champ électromagnétique, ils prédisent l’现场岩体波动的存在étique à grande échelle。我们可以é从麦克田中的这些波动覆盖痕迹é银河蜱。因此开始é时间 ?科学N.’尚未带来réponse à这个问题,但它有’au moins deux thé潜在的矿石肯定的矿物çon plausible que l’Univers – et par conséquent le temps –在大爆炸之前存在。如果是’un de ces scéNarios是真的,那么Cosmos一直存在é.

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