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天人地 2023-11-20 11:44
现代主流科学理论认为,我们的宇宙起源于138亿年前的大爆炸,一个体积无限小,密度和温度无限高的奇点突然急剧膨胀,诞生了我们的宇宙,而且时间和空间都是在宇宙大爆炸之后产生的。
不过宇宙大爆炸和那个神秘的奇点,总是充满了各种疑问。奇点本身就够诡异的了,毕竟我们很难想象一个体积无限小的点到底该如何存在,更大的问题是:这个奇点到底是如何存在的,存在于哪里?


对于这个问题,其实科学家们也没有确切的答案,说白了就是“不知道”。但科学家们显然比我们这样的普通吃瓜群众要知道得多。
首先,奇点并不是某个空间上的点
其次,宇宙大爆炸也不是从某个点开始的


奇点,其实更多的是一个数学上的概念,代表的是数学对象没有办法处理的点,对于该点上的值,数学上是没有明确定义的。通俗来讲,奇点就相当于一个函数:f(x)=1/x,当点x等于0处,函数的值是无穷大,但是无穷大在数学概念上并不是特定的有定义的值,因此x=0就是上述函数的奇点。
所以,“宇宙是从一个无限小的点开始的”这种观点其实是不严谨的,是对奇点概念的误解。那么,宇宙大爆炸时的奇点到底该如何理解呢?
上世纪20年代,美国著名物理学家哈勃在观察遥远星系的运动时,然后发现了一个看似反常的现象:遥远星系都在加速远离地球,而且距离地球越远的星系远离地球的速度越快。利用广义相对论理论,如果我们让时间倒放,就可以得出这样的结论:在有限的时间里,宇宙一定处于一个极度密集极度高温的状态,在此状态下,包括广义相对论在内的所有物理定律都彻底失效,而这种状态就被称为“奇点”。


能够看出,“体积无限小,密度温度无限高的奇点”这种描述其实是不严谨的,只不过为了更通俗让大家理解奇点,很多科普会这样说,其实我之前也这样说过。
事实情况是,如果我们把时间回溯到138亿年前,可观测宇宙的确在一个体积非常小的点内,这个点甚至远小于电子。但,可观测宇宙并不能代表宇宙,它只是宇宙的一部分,宇宙真正的大小远大于可观测宇宙,只不过由于宇宙膨胀速度超过了光速,可观测宇宙外面的光线信息永远到达不了地球,因此,那部分宇宙对于我们来讲,其实是没有意义的,至少对于目前的我们来讲是毫无意义的。
那么,真实的宇宙到底有多大?根据目前的科学理论和观察结果,真实宇宙的大小很可能是无限的。
一个无限大的宇宙,不管如何收缩,都不可能在有限的时间里收缩成有限大小。但是无限大的宇宙仍旧可以继续膨胀,只需要在其里面不断膨胀就行了。
那么,奇点到底是怎么回事呢?我们先看看现有科学理论对奇点和宇宙大爆炸瞬间的研究吧。


宇宙大爆炸瞬间又可以细分为三个瞬间。
第一,电弱时代,在大爆炸发生之后大约10的负32次方秒,当时的可观测宇宙只相当于一粒沙子,宇宙的温度仍旧过高,希格斯场根本无法赋予基本粒子静质量。这就意味着所有的基本粒子静质量都为零,它们都必须以光速飞行。
不过,此时的弱相互作用与电磁力已经结合成了电弱力,所以这个阶段又被称为“电弱时代”。在此阶段,人类已有的物理定律已经很完善了,科学家们甚至可以在大型粒子对撞机中创造出如此温度,并用来验证电弱力理论。


第二,大统一时代,在大爆炸发生之后大约10的负36次方秒,当时的温度高达10的27次方度。在如此高温下,强相互作用也会与电弱力结合在一起,三种力合并在一起,如今很多理论都是研究这三种力的合并,也被称为“大统一理论”。
不过,目前科学家们并不能通过实验来验证大统一理论,因为即便是大型粒子对撞机也无法创造如此高度的温度和能量,不能让强相互作用与电弱力合并在一起,我们需要更强大的对撞机,起码能达到现有对撞机提供能量的1000亿倍,这对于人类来讲是极大的挑战,很可能意味着用对撞机这种方法验证大统一理论是行不通的,最终会走进死胡同。
第三,普朗克时代,在大爆炸发生一个普朗克时间,也就是大约10的负43次方秒,当时的可观测宇宙只有普朗克长度。广义相对论预言,普朗克时代的四大基本作用力完全处于合并状态,因此,在这样一个尺度下,描述引力和时空的广义相对论遇到了奇点


我们需要用量子力学描述微观世界,但是广义相对论与量子力学是有冲突的,如何解决这种冲突?就需要更高的理论,量子引力理论,或者说是“万有理论”,在所有的理论当中,超弦理论是很有竞争力的。
说了这么多,所谓的奇点,其实就是现有物理学的奇点,通俗理解就是:奇点是现有物理学的“当头一棒”。而随着新物理理论的不断涌现,物理学上的奇点很可能会自动消失。
还有,大爆炸理论本质来讲其实是假说,是根据宇宙膨胀等现象推测出来的宇宙过去的某种状态,大爆炸理论本身其实并不能告诉我们大爆炸到底是如何发生的,为什么会发生,当然更不能告诉我们大爆炸之前到底是何种状态。
要想回答上述问题,需要新的理论,新的假说,比如说量子场论。何为量子场论?
量子场论是量子力学狭义相对论和经典场论相结合的物理理论,已被广泛的应用于粒子物理学和凝聚态物理学中。量子场论为描述多粒子系统,尤其是包含粒子产生和湮灭过程的系统,提供了有效的描述框架。
量子场论中,粒子就是场的量子激发,每一种粒子都有自己相应的场。
具体来讲,宇宙并不存在绝对“无”的状态,而是充满了各种场的“混沌”状态,这些场一开始都处于稳定的基态,而基态的场受到激发之后,就会衍生出对应的基本粒子


比如说,电子场激发之后就会形成电子,中微子场激发之后就会形成中微子,希格斯场激发之后形成希格斯粒子。
按照量子力学不确定性,基态的场总是会受到激发,从而形成各种基本粒子,这个过程其实就是我们通常所讲的“量子涨落”。


宇宙一开始就是处于各种场交织在一起的“混沌”状态。而量子效应又表明,在足够短的时间里,可以发生任何随机事件,具体表现为量子的随机涨落。通常情况下涨落出来的基本粒子都会瞬间湮灭消失。
我们不能用宏观世界的经典物理思维衡量量子效应。刚才也说了,只要时间足够短,就可以发生任何事件,这意味着在足够长的时间里的某个瞬间,一定会随机发生这样的事件:衍生出来的基本粒子并不会湮灭消失,而这些基本粒子就是宇宙起源的源泉和动力。
对于量子世界,并不存在我们每天感受到的明确时间概念,可以通俗理解为:量子世界里的一瞬间就相当于我们宏观世界的“永久”。宇宙一开始各种场交织的“混沌”状态一定会衍生出我们的宇宙,当然不仅仅有我们的宇宙,还会有其他无限多个宇宙。


因为量子涨落是随机的,可以涨落出我们的宇宙,当然也可以涨落出其他无限多个宇宙。
能够看出,用上述量子场论来诠释宇宙的起源和奇点问题,就不会遇到“宇宙奇点之外是什么”这样的尴尬问题了,因为所谓的奇点或者宇宙本身就是通过量子涨落出现的。如果非要问奇点之外是什么,答案是:其他的奇点,其他的宇宙。


宇宙一开始各种场交织在一起的“混沌状态”就像是一片汪洋大海,而场的激发就相当于大海从波澜不惊变得波涛汹涌,溅起的水珠就相当于“微观粒子”或者“奇点”。而水珠不可能只有一个,而会有无数个。
当然,你肯定还会这样问:如果量子场论是正确的,那么宇宙一开始的各种场交织在一起的“混沌”状态又是怎么来的?
送你三个字:不知道。不仅我这个普通科普作者不知道,任何人都不可能知道问题的答案。


不知道的根源就在于“局限性”,这种局限性包括人类的认知,时代的束缚,甚至人类某些固有观念,人类生活的四维时空,这些其实都造就了我们认识上的局限性。
举个最明显的例子,在我们的固有观念里,因和果是必然联系在一起的,也就是所谓的“因果律”,但因果律真的存在吗?或许因果律只在我们生活的四维宏观世界成立,换一个环境就不成立了。


还有,在我们的固有观念里,任何东西任何事情都必须有一个开端,这也是很多人质疑“宇宙一开始的混沌状态到底是怎么来的”的主要原因。简单表述就是,如果B是由A形成的,那么A是怎么来的?按照这种问题逻辑,可以一直追问下去,最终必然走进死胡同!
为什么会走进死胡同?我们并不知道,可能的原因之一是:我们一开始对世界的固有思维认知就错了:为什么万事万物必须有一个开端呢?没有哪条大自然法则表明万物必须有一个开端。
其实从“证伪”和“不可证伪”的角度来讲,“万物都必须有一个开端”也不一定站得住脚,或者说是没有太大现实意义的。


因为不可证伪的存在其实就等同于不存在,也可以理解为没有现实意义。
卡尔萨根就有一个关于龙的著名比喻:
你:我家的车库里有一条会喷火的龙!
我:真的吗?那能让我看一看吗?

你:很遗憾,这条龙是隐形的,就算打开大门你也看不到,事实上,这条龙,只有我能看到。
我:那它不是能喷火吗?可以测试一下你们车库的温度有没有升高啊。

你:非常遗憾,我这条龙喷出来的火是冷的,它并不能提高车库的温度。但是,这条龙的确存在。
我:......那你能不能让我往车库里面喷漆,龙如果存在的话,身上一定会沾上一点油漆,从而就现身了。

你:很遗憾,这条龙的鳞甲并不能沾上油漆,所以,你就算那样做,也肯定看不到,不过请相信我,它真的存在!
我: ......



看出来了吗,上面对话中,我提出的每一个试图推翻你说法的测试,都会被你用一个前提条件来规避掉,结果就是,我永远没有办法推翻你的说法。也就是说,你的说法通过增加无限条件而变得不具有可证伪性。在科学上,这类命题是无意义的,这就是奥卡姆剃刀原理的体现:如无必要勿增实体


我们同样可以用这个原则来理解我们的宇宙,理解宇宙大爆炸和奇点之前之外的问题。正是因为我们的认知被限定在可观测宇宙内,我们总结出来的物理定律也被限定在已有的宇宙,那么讨论“宇宙之外”之类的问题其实就没有现实意义了,因为这种问题无论如何都不可能通过观测进行验证。
当然,这只能说明我们不能通过“科学手段”去理解那些问题,但科学并不是万能的,也不是认识宇宙的唯一方式,还有其他方式,比如说哲学和宗教或者神学,前者在逻辑上是自洽的,而后者更简单,是主观信仰。
当然,人类要做的是用科学的手段诠释宇宙,毕竟如今人类文明取得的成就几乎全部都是科学的力量。想用科学手段诠释宇宙起源问题,就要求我们必须突破传统思维的枷锁,甚至是四维时空的束缚,才能站得更高,甚至能够以“上帝视角”重新审视宇宙的起源。


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