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《时间简史》| 浅谈宇宙的几大基本问题

Damn couples 分类:思考

Not only does God play dice, but... he sometimes throws them where they cannot be seen.
----- Stephen Hawking

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爱因斯坦在评论量子理论时,曾说过一句非常著名的话:“上帝是不会掷骰子的”。以此表达他对量子论中不确定性原理的怀疑。当霍金被人问及这个观点时,他十分幽默地答道:“上帝不仅会掷骰子,而且有时还将骰子掷到我们看不见的地方。”

这句话中,“会掷骰子”承认了量子论的正确性,“看不见的地方”则是指黑洞中的奇点。在黑洞的事件视界之内,没有任何物质能够走出黑洞,即使连光也不行。因此,我们无法看见在那里面发生了什么。而在奇点处甚至所有的物理规律也都失效了。而根据现有的理论,我们的宇宙也是起源于一个奇点。

在物理学蓬勃发展的20世纪,连爱因斯坦当初无法相信的理论,也在诸多事实面前被确立为了物理学的正统理论。从托勒密的地心说,到哥白尼的日心说,再到爱因斯坦的相对论宇宙,再到最新的超弦理论、膜理论,每一代人都有他们自己对宇宙的认识,而且这种认识不断趋于深刻,接近真实。斯蒂芬霍金的《时间简史》,出版于1988年,也是他那一代人对于宇宙的前沿探讨。而将近40年后的今天再读,我们会发现其中许多理论已被观测结果所证明或是证伪。本文将基于该书以及科学界更新的研究进展,来浅谈一下目前人们对宇宙几个基本问题的回答。

(预计阅读时间 8-10 min)

1.宇宙是什么
宇宙是是空间,时间,物质和能量构成的统一体。

2.宇宙的起源
20世纪以来,随着天文学的发展,人们提出了几种宇宙起源的模型。先是爱因斯坦的静态宇宙模型,发现了哈勃定律后“稳恒态理论”取而代之。发现微波背景辐射后,“大爆炸理论”则最终成为物理学界普遍认同的理论。

大爆炸理论认为,宇宙的诞生于一场约138亿年前的奇点大爆炸。一切物质与时间都是在那之后产生的。大爆炸早期,正物质和反物质被成对地创造出来。但由于早期的对称性破缺,正物质的总量比反物质略微多出一点点,随后很快正反物质湮灭,宇宙中失去了绝大部分的正、反物质。而那剩下来的一点点正物质随着宇宙的膨胀开始冷却,凝聚形成了我们现在看到的宇宙。

图1:宇宙演化模型
一开始,这个理论面对着3个质疑。即视界疑难,平坦性疑难,和磁单极疑难。

视界疑难:宇宙微波背景辐射(CMB)是大爆炸遗留下来的热辐射,它在黑体辐射光谱的温度为2.73K,而且这个温度在宇宙的各个方向都是相同的。然而可观测宇宙中最远的两点,随着宇宙的膨胀,已经远到以光速都无法在他们之间传递信息了(相距约900亿光年)。那么,宇宙的温度怎么可能保持得那么均匀呢?

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图2:宇宙微波背景辐射图像
平坦性疑难:科学家通过计算,发现早期宇宙空间是非常平坦的,曲率几乎处处为0。为什么这么平坦呢?

磁单极疑难:由于宇宙早期存在对称性破缺,理论上应该能够找到一些磁单极子,但是人们至今没有发现。

对这三个问题最好的解释来自Alan Guth的“暴胀理论”(Inflationary Theory)。暴胀理论认为,大爆炸后的  秒之前,宇宙在缓慢膨胀,进行了充分的热交换,温度达到均匀。随后突然在极短时间内暴胀成为庞大的宇宙。这样温度在暴胀之前就已经均匀了,由于快速的膨胀,时空曲率也被拉平了。而磁单极子迅速分散到整个宇宙中,并由于密度过低,至今没有被我们发现。当然,暴胀理论虽然能很好地解释现象,但至今仍然没有确凿证据证明其正确。

3.宇宙的年龄
那么根据大爆炸理论,宇宙的年龄又是多少呢?我们定义宇宙的年龄为从大爆炸至今的时间。根据哈勃定律   ,退行速度快的天体离我们远,退行速度慢的天体离我们近,说明宇宙中各处具有统一的年龄(如下图)。而这个统一的时间t就可以用距离除以速度来计算。我们再看看哈勃定律,时间   正好就等于哈勃常数   的倒数。因此,只要能精确测量哈勃常数,就能够求得宇宙的年龄了。

根据普遍认可的对哈勃常数的测量(   ),科学家认为宇宙的年龄约为138亿年。然而2019年的一些新研究又发现哈勃常数的实际值应该更大,根据新数据宇宙的年龄应该减小到约114亿年。

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4.宇宙的大小
由于受到光速的限制,我们能够观测的宇宙有一个固定的范围,半径为460亿光年。照理说宇宙年龄只有138亿年,在离我们460亿光年处的恒星所发出的光,就算用尽宇宙诞生至今的所有时间,也不可能走到我们地球,那我们怎么可能看见他们呢?

问题就出在了宇宙的膨胀上。当这些恒星刚刚形成时,还在宇宙的早期,它们与我们之间的距离还没有那么远。它们那时发出的光经过约138亿年到达了我们地球。而今天,随着宇宙的膨胀,那些恒星已经被”推“到了距离我们460亿光年远处。换言之,我们确实看到了这些距离我们460亿光年的恒星,不过我们看到的只是过去的它们。至于今天的它们是否已经寿终正寝,我们都不得而知了。

此外,宇宙的真正大小仍然是科学无法解决的问题,因为460亿光年外的东西,我们就看不到了。也许宇宙真的像有些人所说的那样,是无边无界的。

5.宇宙的终点
最后我们来探讨一下宇宙未来的终极命运。物理学家们一开始认为暴胀之后,宇宙会在物质间引力的作用下开始减速膨胀,直到膨胀速度减至0,然后再反向收缩。就像我们向天空中抛出一个小球,小球离开手之后在引力的作用下会减速上升,达到最高点后,开始加速掉落。由此,人们预言宇宙将最终重新收缩成一个奇点,终结于Big Crunch。

霍金在《时间简史》里给出的就是这种预言(如图3)。霍金说,宇宙的演化就像一个地球,时间之矢就像地轴,从北极指向南极。北极表示Big Bang。南极表示Big Crunch。宇宙的随着时间先膨胀,在“赤道”处达到最大,随后在引力作用下开始收缩,终结于Big Crunch。

而这样一个球就是我们所能够了解到的全部,由于我们的维度不够高,我们看不到这个球之外的东西。假设我们站在球顶部Big Bang那一点上,我们无论往哪个方向走,都会走向未来。所以我们无法讨论在Big Bang“之前”有什么。

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图3:宇宙演化与地球的类比
然而,戏剧性的是,霍金的这个预言如今已经被观测结果所抛弃。1998年三位物理学家在观测Ia型超新星爆发时,得到数据证明宇宙从距今大约40亿年前开始,由减速膨胀又转变为加速膨胀了。在图1中我们看到最右端Modern Universe那里有一个钟形的开口,可见宇宙的范围正在加速扩大。

至于为什么加速膨胀,仍然是一个谜。科学家们的新猜想是宇宙中充斥着我们难以观测的“暗能量”。暗能量提供“万有斥力”,将物体相互推开。曾经有一段时间物质间引力大于斥力占主导,于是宇宙减速膨胀。但40亿年前开始,由于宇宙物质密度减小,暗能量超过了引力,开始占主导地位。于是宇宙又开始加速膨胀。当然,人们至今还未发现任何暗能量存在的证据,因此无法为该理论提供有效的证明。

基于宇宙加速膨胀的理论,未来各个星系之间的距离会变得无比遥远。太空旅行也会变得相当困难。至于宇宙的终结,有科学家认为会是一场“大撕裂”。即“万有斥力”变得越来越强大,以至于在约500亿年后,我们的银河系,太阳系,甚至所有原子都会被这种斥力所撕裂,一切生命自然也将不复存在。

附:《时间简史》全书思维导图

图4:我自制的思维导图

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结语:
Remember to look up at the stars and not down at your feet. ----- Stephen Hawking
最后希望大家记得仰望星空,不要只看着脚下。

一方面,我们应该追求科学之美,不要只关注眼前的金钱和物质。探索世界,探索未知是人类的天性,对知识的探求才能给我们带来最纯粹的快乐。

另一方面,2020年是不平凡的一年,新冠疫情再一次提醒人类,地球不是永恒的家园。随着人口的膨胀和人民生活水平的日益提高,地球的资源已经不足以支持人类的发展了。人类必须要尽快开展太空移民计划,为子孙后代们开疆拓土。因此,宇宙学也更值得我们所有人去学习。

Acknowledgement:

最后感谢Youtube博主李永乐老师 和妈咪说MommyTalk。他们的精彩视频对我这个物理小白的学习有很大帮助。有兴趣的朋友们可以去关注这两个视频号。

References:

图1:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%B9%B4%E8%A1%A8

图2:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%BE%AE%E6%B3%A2%E8%83%8C%E6%99%AF

图3:graph in A Brief History of Time

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