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2015-6-2

为时空量子泡沫设限

归档于: 天文空间科学, 译文快递 @ 8:14 pm

Janet Anderson & Megan Watzke
译自NASA,2015年5月28日

一个科学小组利用对宇宙中最遥远的一些天体的X射线和伽玛射线观测,更好地了解了时空的本质。他们的结果为时空在极小尺度上的量子本性(也就是“泡沫程度”)设定了限制。

这项研究结合了来自NASA钱德拉X射线天文台和费米伽玛射线空间望远镜的数据,还有特高能辐射成像望远镜阵列(VERITAS)的地面伽玛射线观测。

图片提供:X-ray射线:NASA/CXC/FIT/E. Perlman;插图:CXC/M. Weiss

在我们能够测量的最小距离和时间尺度上,时空(包括三维空间再加上时间)看上去是平滑且不具备结构的。然而量子力学(这是理论科学家发展出的极为成功的理论,可以解释原子和亚原子粒子的物理)的某些方面预言,时空不应该是平滑的,而应该具有抖动的泡沫状结构,由大量持续变化的小区域组成,这里时空不再是确定的,而是存在波动。

来自墨尔本(Melbourne)佛罗里达科技大学的论文第一作者埃里克·帕尔曼(Eric Perlman)说:“考虑时空泡沫的一种方法是,假设你正在搭乘飞机从海洋上空飞过,海面看起来是完全平滑的。但是如果你的飞行高度足够低,你会看到波浪;更低一些的话,就会看到泡沫了,这里微小的水泡一直在波动着。更奇怪的是,时空泡沫非常微小,哪怕在原子尺度上测量,我们都等于是尝试从超高空飞行的飞机上观测海水泡沫。”

理论预言的时空泡沫尺度大约是一个氢原子核直径的一亿分之一,因此是无法直接探测的。然而如果时空确实拥有泡沫状结构,那么由于光线穿过的众多量子泡沫会发生起伏,它对于距离精度的测量就会提出限制。取决于所用的时空模型,在光线穿过遥远的宇宙学距离时,这种距离不确定性的积累速率会有所不同。

研究者利用针对非常遥远的类星体(由物质落入特大质量黑洞而产生的明亮辐射源)的X射线和伽玛射线观测来检验时空泡沫的模型。论文作者预言,在光线穿行数十亿光年时,距离不确定性的积累会导致图像质量严重衰减,导致天体无法被探测到。图像消失时对应的波长取决于所用的时空泡沫模型。

钱德拉对数十亿光年外的类星体的X射线探测排除掉了一种模型,该模型预言,光子会在时空泡沫中扩散,这与穿过雾霾的光线会发生弥散类似。使用费米望远镜在波长较短的伽玛能段对遥远类星体的探测,以及使用VERITAS在波长更短的能段上的探测说明,另一种所谓的全息模型也不成立,后者给出的光线弥散程度较小。

来自北卡罗来纳大学教堂山(Chapel Hill)分校的论文合作者杰克·吴(Jack Ng)说:“我们发现,我们的数据可以排除掉两种不同的时空泡沫模型。我们可以得出的结论是,时空的泡沫程度要比某些模型的预言更低。”

X射线与伽玛射线数据表明,时空在小至氢原子核千分之一的尺度上仍旧是平滑的。

这一结果刊登在5月20日的《天体物理学报》上。位于阿拉巴马州亨茨维尔(Huntsville)的NASA马歇尔空间中心为华盛顿的NASA科学任务理事会管理着钱德拉望远镜。马萨诸塞州剑桥(Cambridge)的史密松天体物理天文台控制着钱德拉的科研和飞行运转。

NASA的费米伽玛射线空间望远镜是天体物理学与粒子物理学的联合项目,由马里兰州格林贝尔特(Greenbelt)的NASA戈达德航天中心管理,它是与美国能源部合作开发的,来自法国、德国、意大利、日本、瑞典以及美国的学术机构和合作伙伴对此作出了重要贡献。

VERITAS是由来自美国、爱尔兰、英国与加拿大的22所机构的超过100名科学家合作运营的。美国能源部、美国国家科学基金会、史密松学会、加拿大自然科学与工程研究委员会、爱尔兰科学基金会以及英国STFC为VERITAS提供了资金赞助。

 

译文登载在http://www.astron.ac.cn/bencandy-3-12553-1.htm

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