從極小尺度到極大尺度,宇宙為何變得如此廣闊?存在必然性嗎?

2021-01-09 天文同好樂園

是什麼讓我們的宇宙如此廣闊又如此特殊?時間已經進入了21世紀,正如我們所見,隨著人們對宇宙的理解越來越深,現在有大量的證據表明,我們周圍的可見宇宙起源於137億年前的一個炙熱的高密度火球——俗稱「大爆炸」。無論你願不願意相信,從大爆炸發生的那一刻開始,宇宙就在不斷地膨脹和冷卻,在這個過程中,氣體和塵埃被引力拉到一起形成了星系、恆星、行星,然後就有了我們。宇宙從原始的極小尺度膨脹為今天的極大尺度,而且還在繼續膨脹中,這其中存在某種必然性嗎?

要回答這樣的問題,無論是從科學的角度還是哲學的角度都很難。這裡我們對哲學不作探討,僅從科學的角度來分析。常識上,要解釋宇宙為何如此廣闊似乎很簡單,在愛因斯坦的廣義相對論中,相對論方程是一種描述引力的方程,它描述了物質、能量、空間和時間的關係,這個方程可以準確描述宇宙的膨脹。在不加入「宇宙學常數∧」(∧,讀音為蘭姆達)的前提下,在大爆炸後隨著時間的推移,引力將對膨脹起阻礙作用,就相當於剎車,膨脹會減慢並最終停止,這種情況下的宇宙應是有限的。

但在20世紀90年代末,對遙遠星系的觀測數據表明,宇宙的膨脹正在加速,只有將原來被愛因斯坦從方程中拿掉的「宇宙學常數∧」重新加入進去,才能和現今對可見宇宙的觀測數據相吻合,但是要想精確確定宇宙學常數的數值卻又是個大問題。科學家認為,真空本身具有一種能量,該能量被稱為「∧場」,這種能量在宇宙誕生之時,給宇宙施加了一種強大的向外推力,促使宇宙不斷膨脹,直至今天的無限。當然,暗能量導致宇宙的膨脹也是一種主流的解釋,但這無關緊要了。因為無論是什麼原因導致了我們這個無限的宇宙,都沒能清楚的詮釋無限宇宙的存在對於生命的意義。

但是在「人擇宇宙學」中有一種論述,它以我們存在這一事實為基礎,很好的解釋了為什麼我們周圍所見的宇宙是如此的廣闊和古老。這種論述認為,宇宙不可能空無一物,物質的進化遲早會在宇宙中出現,包括生命。但是,要製造出像碳元素這樣的重元素的恆星,需要數十億年才能走完其生命歷程,並且在其消亡的時刻,把這些重元素散布到太空中去。然後,還需要數十億年的時間才能在圍繞較年輕恆星運轉的一個或多個行星上進化出生命和智能生物。

那麼,可以粗略地說,像我們這樣的生命形式出現在宇宙中,並且能夠關注到周圍的環境,至少也需要幾十億年的時間,而且我們很有可能出現於宇宙的最早時間。從這個意義上來說,如果宇宙是有限的,將沒有足夠的時間孕育出智能生物。所以,儘管乍一看廣闊的宇宙似乎凸顯了人類的微不足道,但實際上,廣闊的宇宙是使我們得以出現並且能夠生存下去的最基本的要求。

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    撰文 | Ethan Siegel翻譯 | 唐璐如果要想了解宇宙是如何運作的,我們就必須從基本層面來進行研究。因為宏觀物體是由粒子組成的,而粒子只能在亞原子尺度上進行探測。為了研究宇宙的屬性,我們必須在儘可能小的尺度上觀察最小的構件。
  • 精選一組罕見的宇宙大圖;宇宙最小的尺度與宇宙最大的尺度
    宇宙最小的尺度是普朗克長度,是有意義的最小可測長度;普朗克長度≈1.6x10-33釐米(一個質子大小的1022分之一。)宇宙最大尺度;可觀測直徑930億光年,預估直徑1600億光年;至於930億光年之外有什麼那是人類大腦所不能理解的問題!
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    極小到極大額外的六個維度會捲曲成極小的空間,即卡拉比-丘空間。但由於現代科技無法探測如此小的尺度,因此我們並不清楚這些假想是否正確。基本粒子世界 基本粒子是指那些無法由更小的粒子組成的粒子,比如夸克和電子。
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    人類生存的宇宙,從量子的普朗克尺度(有意義的最小可測長度,小於這個長度則處於不可觀測範圍。)到宇宙中最為龐大的結構武仙——北冕座長城(寬達100億光年,銀河系寬度的10萬倍,太陽直徑的7億億倍)。全都處於一定的時空範圍內,沒有尺度無以認知世界。
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    必須有某種方式來產生這些缺陷,否則宇宙就不會像我們看到的那樣存在。但是宇宙的一個重要特性,以及宇宙膨脹以最驚人的方式拯救了我們;空間本身並不是完全平坦和光滑的,而是在最小的尺度上表現出量子漲落。圖註:量子場理論計算的可視化圖顯示了量子真空中的虛擬粒子,即使在空蕩蕩的空間裡,這種真空能量也不為零。
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    如果將視野再放寬一點,銀河系的直徑達10萬光年,而它卻不過是宇宙中數萬億個星系中的一個而已。面對這些真實的天文數字,我們能感覺到自己僅僅只是宇宙中的一粒微塵,甚至連微塵都算不上!如果你再多了解一點天文知識,你會知道數萬億星系之間相互間隔有多遠、了解到宇宙膨脹速度有多快,所有的一切越來越遠,那一瞬間,相信你對「渺若塵埃」的感受會更加明顯。
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    因此本文內容分4部分:(1)宇宙進化的8個層次結構;(2)物質結構的層次和尺度;(3)尺度的劃分;(4)尺度效應的重要性。 一、字宙進化的8個層次結構 筆者建議把宇宙進化分為8個層次。第一層次是物理進化,從宇宙大爆炸開始到3萬年,是宇宙的嬰兒時期。按照宇宙大爆炸理論,大爆炸開始時處於超高溫、超高密的超統一場。
  • 諾獎得主:極大與極小交叉 理論與手段同重
    自1978年訪問中國後,1979年諾貝爾物理學獎獲得者、著名理論物理學家斯蒂文·溫伯格教授再次面向中國公眾講述「極大」與「極小」的宇宙學與粒子物理學的故事,他在中國科學技術館開設的《科學連線》欄目中指出,根本的科學問題也是哲學問題。
  • 諾獎得主:極大與極小交叉理論與手段同重
    自1978年訪問中國後,1979年諾貝爾物理學獎獲得者、著名理論物理學家斯蒂文·溫伯格教授再次面向中國公眾講述「極大」與「極小」的宇宙學與粒子物理學的故事,他在中國科學技術館開設的《科學連線》欄目中指出,根本的科學問題也是哲學問題。
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  • 「極大」與「極小」|諾獎得主:根本科學問題也是哲學問題
    近日,1979年諾貝爾物理學獎獲得者、著名理論物理學家斯蒂文·溫伯格教授在中國科學技術館開設的《科學連線》欄目中講述了「極大」與「極小」的宇宙學與粒子物理學的故事,並指出根本的科學問題也是哲學問題。「物理學家研究的『極小』就是大自然的最小尺度,比原子核還小,『極大』就是大自然的最大尺度,大到整個宇宙。」溫伯格表示,「『極大』與『極小』的研究相互促進,共同支撐物理學家了解自然的最終定律。」此外,在溫伯格看來,基礎理論為科學家開展研究指明了方向,而實驗手段則是驗證理論的重要途徑。
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    量子效應不僅限於原子尺度,有幾個宏觀量子行為的例子。量子物理學將物質和能量描述為量子波函數,它們有時像波一樣起作用,有時像粒子一樣起作用,但實際上不僅僅是波或粒子,還更複雜。實際上,宇宙中的每個物體(從原子到恆星)都根據量子物理學進行運作。
  • 探索宇宙中的極限——普朗克尺度
    我們知道一個質子是非常小的,但是質子比普朗克長度大約1億再乘以1萬億倍。這是一個什麼樣的比例?如果我們把質子的大小按比例放大到可觀測宇宙的大小,那麼普朗克長度就是東京到芝加哥的距離。雖然14小時的飛行對我們來說已經夠長了,但是相對於宇宙的尺度來說,這實在是微不足道。下面是普朗克時間的公式:
  • 宇宙時空泡沫尺度限定:氫原子核一億分之一
    他們的這項研究結果為極小尺度上時空的量子本質,或「時空泡沫」給出了一個限定。在這項研究中,科學家們綜合了來自美國宇航局錢德拉X射線空間望遠鏡,費米伽馬射線空間望遠鏡以及來自地基的「高能輻射成像望遠鏡陣列」(VERITAS)的伽馬射線觀測數據。
  • 大腦將在量子尺度上與宇宙連接
    在神經元活動與宇宙量子尺度的關係中,一些科學家認為,這可能是答案。這就是荷蘭格羅寧根大學的德克·K·F·邁耶和漢斯 蓋申克在 "神經定量 "是在上發表的一篇文章中提出的。哈梅羅夫和彭羅斯表示,這種涉及到大腦深層的量子活動,除了管理神經元和突觸功能外,還將把大腦過程與存在於大腦之外、現實的量子結構中的自組織過程聯繫起來。也就是說,我們的大腦可能與一個外部結構相連,而這個外部結構在某種程度上會是 "原意識"。
  • 他們在細如髮絲的尺度尋找其他維度的世界,獲獎300萬美元
    一些試圖「大一統」的理論,例如弦理論,預言了在足夠短的距離內,引力將不再遵循平方反比律,還會存在超越3(空間)+1(時間)維度的世界。此外,看不見摸不著,卻在宇宙中比普通物質還多的神秘暗物質,只能通過引力被人類感知到。更為神秘的暗能量,表現出奇特的「反引力」特徵。一旦引力平方反比律真的在極小的尺度內出現扭曲,從小小的裂縫裡可能透出這些重大的「新物理」之光,關乎宇宙本質。
  • 大到宇宙,小到亞原子尺度,AI可解決雙重難題
    雖然這些碰撞中只有一小部分被認為值得研究(大約每秒100萬次)但它仍然為科學家提供了大量的數據進行研究。所以它們的空間方向很重要,在LHC拍攝的圖像也是如此。當一個粒子穿過探測器時,它會在空間模式中留下特定於不同粒子的能量信號。再加上不僅在籤名中編碼的數據量,而且在籤名周圍的3-D空間中編碼數據量也是如此。
  • 從粒子到宇宙,從膨脹到坍縮,宇宙或許逃脫不了輪迴的命運
    ——愛因斯坦愛因斯坦的廣義相對論是二十世紀人類最偉大發現之一,雖然廣義相對論可以解釋大量令人著迷的天體物理學和宇宙學現象,在最大尺度上,宇宙的某些性質仍然是一個個外界之謎。圖註:早期宇宙中微小的量子漲落解釋了宇宙大尺度結構的兩個主要奧秘,即宇宙的極小和極大。
  • 宇宙最大尺度的星團運轉可能是什麼呢?
    宇宙有著橫跨930億光年的巨大尺度,但這也僅僅只是目前的科技的可觀測範圍而已要知道在宇宙的可觀測範圍之外必定有著非常廣袤的星海及探之不盡的空間。這真是一個完美的旅居場所與其宇宙的巨大尺度來講,找到這樣一個完美的星系生存或許才是對生命最大的負責。
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    在沒有探索宇宙之前,我們一直以為自己居住的天地是方形的,只要順著一個角度一直走,就會走到世界的盡頭。後來有了科研,大家這才明白,我們生活的地方是地球,是一個圓形的行星,也是整個宇宙中一個渺小的存在。為了探索地球外邊的地方,科家們不懈努力,想要發現外星的生命。