本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文
宇宙真的誕生於奇點嗎?根據輻射,物質,暴脹不同時期對宇宙膨脹的主導來看,宇宙之前並沒有奇點。這到底怎麼回事呢?
宇宙誕生後到第一個中性原子的形成,覆蓋宇宙最初的38萬年。在這段時間裡,宇宙就像一個巨大的氣球,空間一直在擴張。
有一個問題,那就是宇宙在這段時間是如何膨脹的?這個概念相對簡單,其實就是一句話:宇宙膨脹的速度取決於它的能量密度。體積越小,物質和能量越多,膨脹就越快。這就很好解釋為什麼我們的宇宙空間一開始會暴漲,呈指數增長。
那麼這對我們的宇宙意味著什麼?我們的宇宙大部分時間都在膨脹和冷卻。
如果我們想知道宇宙是如何膨脹的,我們就需要知道宇宙在任何時候的能量密度。組成宇宙的物質有三種,它們在宇宙膨脹的不同時期都很重要。它們是什麼?
1),物質,正常的物質是像你和我,身邊能看到,摸到的任何有質量的東西。當宇宙膨脹時,物質密度就會稀釋。你應該還記得密度就是質量除以體積,所以體積越大,能量越小。
2).輻射。輻射是一種要麼沒有質量,要麼質量很小的物質,就像光子或中微子,它們要麼以光速運動,要麼極其接近光速。但與物質不同的是,當宇宙膨脹時,輻射會失去額外的能量!
我們知道輻射的固有能量由其波長決定。長波光子(如無線電波)比短波光子(如x射線)的能量要少。但是隨著宇宙的膨脹,除了體積的增加(就像對物質一樣),波長也會被拉長。這意味著一個充滿輻射的宇宙比一個同樣充滿物質的宇宙能量損失的更快。
3),一個恆定的能量源。宇宙空間被一種恆定的能量充滿,這種能量不會隨著宇宙的膨脹而稀釋。這種能量不僅發生在我們現在的宇宙中,也發生在宇宙暴脹時期,而且在未來也會一直持續下去!在這種情況下,只要宇宙充滿這種能量,能量密度保持不變,那麼膨脹率也將保持不變,這就是目前掌控我們宇宙的暗能量。
那麼,這對於宇宙的起源意味著什麼呢?我們知道宇宙一直在膨脹和冷卻,我們知道宇宙現在有物質和輻射,我們知道在宇宙開始的時候,有一個恆定的能量來源。下面我要做的是,從現在開始往回推,然後問宇宙是否從奇點開始的?
你可能會說網上的這些圖片都是從一個點看開始的,但我想說的是圖片並不能給出正確的答案。
大約在地球形成的45億年前,暗能量才開始主導的宇宙膨脹,之前都是由物質主導。然而在物質之前,當宇宙只有幾千年(甚至更早)的時候,輻射的能量更大!由於膨脹後波長的額外「拉伸」(上文已將說過),輻射就快速的失去了能量,但在最初的幾千年裡,宇宙主要由輻射能量主導。然後,我們再往前追溯,接近大爆炸到暴脹結束時的那一刻,於是我們就來到了宇宙暴脹時代,宇宙由一個恆定的能量源主宰,並呈指數級膨脹。下面讓我們用圖形來比較一下這三種情況。
很明顯,隨著時間的推移,指數膨脹的宇宙膨脹得最快,物質膨脹得比輻射膨脹得更快。你現在可能看不出這有什麼奇怪之處,那麼就讓我們看看當把宇宙的大小收縮到零時會發生什麼!畢竟零就是奇點的定義,宇宙中所有的物質和能量都集中在一個點上。我們來計算一下,看看能得到什麼。
上圖中想必你已將發現了異樣,一個有物質或輻射的宇宙在t=0時有一個奇點,但是
一個暴脹的宇宙沒有!
事實上,我們可以把暴脹的,指數膨脹的宇宙推回到任意遠的地方,我們會發現什麼?
宇宙永遠不會達到零的大小!如果非要一個暴脹的宇宙有一個奇點,那麼就需要回到無限的負時間!負時間什麼概念,並不清楚,這在物理上也是不允許,不存在的。我們目前所掌握的有關宇宙暴脹的唯一信息來自於暴脹結束時的情況。之前的一切都被指數膨脹從我們的視野中抹去了!(上帝真是用心了,害怕我們看到宇宙是怎麼開始的嗎?)
所以這一切意味著什麼呢?意味著如果我們的宇宙只存在物質和輻射時,宇宙從一個奇點開始的想法是個很好的概念,但這個概念只是幫助我們理解,宇宙怎樣開始的。但是現在我們知道了宇宙存在暴漲,所以現在沒有理由相信我們的宇宙在過去曾經有過奇點。
這個說法可能與你在任何地方都看到的不同,包括在網上,課本上,甚至在許多大學裡,但宇宙不存在奇點是正確的,所以我們也不能肯定地談論宇宙之前發生了什麼。
所以我的答案就是,就我們目前對宇宙的了解而言宇宙沒有奇點!