我所理解的宇宙

2020-12-02 騰訊網

閒來無事,梳理了下自己對宇宙淺顯的認識,大部分的知識來自《宇宙的琴弦》《時間簡史》《多重宇宙》和幾本記不起名字的天文書籍。簡單做個科普。

貽笑大方,還望海涵。

宇宙的問題,最重要的其實和生命的終極命題有些相仿:宇宙怎麼誕生的?如何發展的?基本情況是怎樣?

這也是宇宙學家極其關心的內容,接著以宏觀和微觀兩個尺度來描述下目前的進展。

1

宏觀——宇宙的發展史

目前來說宇宙學界比較共識的是暴漲宇宙論,所謂暴漲即在很短時間內奇點大爆炸,能量和物質大量膨脹,從奇點展開,在很短時間內形成嬰兒宇宙,甚至誕生了多元宇宙,在很短的時間跨度內,四處噴發的物質粒子相互融合,微觀層面的融合創造了現代實驗室才能創造甚至都難以創造的高能粒子(能量太高),宏觀層面的融合形成了一顆顆小行星、恆星、宇宙雲等形態。

奇點大爆炸的一個很好驗證便是微波背景輻射的發現,通俗來講,就是伴隨big bang而發射出去的高能輻射隨著時間的流逝失去能量逐漸溫度變低,直到成為宇宙的背景輻射。當現代儀器足夠先進能捕捉到微波背景輻射時,大爆炸理論在一定程度上被證實了。

還要提一個問題,大家可能好奇的,奇點之前是什麼?奇點是指密度無限大,能量無限高的一個特殊物質狀態,由於太高能太反現實,所有普適的物理學定律都不適用。時間,也是在奇點爆炸之後誕生的,那奇點內部的狀態怎麼說?霍金提出,奇點的內部狀態是很奇特的,奇點是有限制但無邊界,因此也不能以常理揣度奇點。簡單來說,託馬斯.阿奎那「上帝之前無時間」的主張,頗似霍金奇點之內無邊界,而這兩點又共同構成了奇點這個原初狀態的物理定律。

此外宇宙學對宇宙誕生的假說還有幾派觀點:火劫宇宙論、穩態宇宙論等,從大爆炸到目前的穩定擴展狀態,宇宙誕生論又誕生了另一派觀點:穩態擴張宇宙論。所謂穩態擴張是指宇宙的擴張是穩定,就好像吹氣球,氣球的每個面都是穩定,均勻擴張的,也好像在水裡面加東西,但每次倒進去都是從每一個點均勻地撒進去。該理論的實證在於有學者提出了宇宙平均物質密度(一定區域內宇宙物質的質量是恆定的)在一些區域的觀察是這樣,但另外一些好像差距很大,就此,啟發了暗物質的討論、假設和發現。

與宇宙平均物質密度類似,宇宙還有一個普遍常數:光速,或者說電磁波速度。愛因斯坦在狹義相對論中提出等效原理,便建立在光速不變原理之下。所謂光速不變,是說光速恆定,真空中光速不會受到觀察者的影響而改變速度。從公式來說也是,E=mc2(E能量,m質量,c光速),c=(E/m)0.5,可以看出,要提高光速只能通過兩種途徑:提高能量、降低質量,而光子,就目前來說,其質量微乎其微,可以說是接近本宇宙極限了(具體怎麼解釋忘了,有興趣可以看看《時間簡史》)等效原理則是說,慣性力和引力是等效的,速度相同,性質等效。這幫助物理學解決了一個大難題:牛頓的引力體系的缺陷。牛頓的引力方程涉及到雙方的質量和引力係數,還有距離,但忽略了引力傳播的速度,也就是說,牛頓認為相距遙遠的兩個大物質物體,一個物體質量的變化會立刻傳導到另一個物體,但若是這樣,那光速不變原理就不成立了,因為如果兩個物體的距離超過光的短暫傳播距離,比如說5光秒以上,那一個物體質量的改變會立刻(小於5s)改變引力從而影響另一個物體嗎?這不是違反光速不變原理嗎?

等效原理的提出,改變了牛頓關於引力的主張。等效原理是指慣性力等同於引力,而慣性力主要受a也就是加速度的影響。在此基礎上,愛因斯坦提出廣義相對論,認為引力不是一種傳統意義上的力,而是質量較大的物體在宇宙空間中引起的時空的扭曲,這個扭曲就是引力,而引力的改變受物體質量的影響,這個影響不是立即就傳導到其他地方,而是以波的形式逐漸傳遞到其他地方的。這樣,就將引力從原本無限的超級速度,拉回現實,解決了引力定律的缺陷。

接著是引力波的發現,證實了愛因斯坦相對論的假設。

上述c和宇宙平均物質密度,是常見的兩個宇宙參數,不同的宇宙參數會形成不同的宇宙模式。這也為多元宇宙奠定了基礎。說到多元宇宙就再說說薛丁格的貓,薛丁格提出的主張,貓在不被觀察時是生和死的複合態,只有當觀察者的波動函數觀測到貓這一團不確定的複合態概率團時,貓的生死才是確定的,也就是說,這時候這個世界才是確定的。五維世界,是指事物未來發展的所有可能性被整合形成完備的概率團,在我們現在所處的這個世界是其中一種可能性。推廣來說,正是我們對整個宇宙的觀測,導致宇宙的確定,這一定程度上和唯心主義不謀而合。從歷史唯物主義來看,正是人民群眾的觀察使得歷史、未來都是確定的,人民群眾是歷史的創造者,這實在精彩。

上文提到霍金,就接著說霍金,霍金的最大貢獻在於霍金輻射的提出,而這,建立在霍金對黑洞的理論假設:黑洞無毛假設上。所謂黑洞無毛,是指黑洞的質量極其龐大以至於周圍一切都被扭曲,除了黑洞的確定信息(質量、角動量和電荷),其他所有信息(毛髮)均無法逃逸黑洞的吸引,就此消失在黑洞中。

接著說熵值遞增定律,眾所周知,能量只會從高能傳導向低能,除非受到外在影響,而外在影響在實現時一定會產生資源的浪費(因為效率不夠高)這些被浪費的資源就會以熵值這種混亂無序的量在宇宙中擴散。熵值遞增是說混亂無序量在封閉系統中(不產生熱傳遞和熱交換)只會增加,不會減少。

熵值遞增從整個宇宙來說,一定會導致些悲劇,比如人類某天探索太狠,發現某地的熵值居高(因為文明本質是一種有序量,有序的產生一定會帶來更大量的無序)混亂和毀滅,總有一天會逼近大家。這就是為什麼很多宇宙學家和物理學家認為宇宙是混亂的,無序的。

再來說一個我不知道是不是劉慈欣原創的內容:宇宙社會學,或者說黑暗森林法則。

高級文明發現低級文明時,最可能的動作便是消滅,這就是宇宙危險的原因。

宏觀層面就是這樣,整個宇宙的理解、學者的理論和我自己的看法都寫到了,希望有錯的地方大家多海涵,可以幫我指出來。

2

微觀層面——不確定的未來

接著說微觀層面,上文所提的薛丁格的貓,是為了說明這個宇宙的不確定性。不確定性,正是微觀宇宙的常態。

除了薛丁格的貓的不確定性介紹和相關的理論主張外,海森堡和泡利的理論也對不確定性進行了很深刻的描述,這三者,構成了量子物理的基礎。

海森堡測不準原理是指,在微觀層面,粒子的某些物理量越確定,另一物理量就會越不確定。一般意義上是指粒子的位置越確定,其動量就越不確定。通俗解釋就是,當你在很短時間內觀測某個粒子(時間越短,粒子的位置越確定)那對粒子的能量和行進方向我們就越不確定。你想啊,你以光速跟著一個粒子跑,並且觀測它的時間極短,你短短時間內確定它的位置就已經很不錯了,但要想再確定其動量,就愛莫能助了。

泡利(我最喜歡的物理學家)不相容定律是指自旋為半整數的粒子(費米子),在同一個系統中不可能有兩個粒子同時處於相同的單粒子態。通俗來講就是一條路徑,一次只能過一輛車,其他車想過去,抱歉,請走其他道路,自旋改為3/2。

上述三者構成了量子物理的基礎(我淺顯的物理學知識中的總結,真實的量子物理基礎我不知道,望海涵)

量子層面和我們常識完全不同,量子層面的粒子無時無刻不在運動,量子時刻在漲落,量子還會呈現量子對的方式產生量子糾纏的現象。宏觀宇宙(廣義相對論)時空是平滑的,參考系也是平直的。微觀層面,宇宙是不光滑的,隨時改變的,不確定的。

最後在介紹下目前物理學的大事件,眾所周知,世界有四種基本力:萬有引力、電磁相互作用力、強相互作用力、弱相互作用力。麥克斯韋通過電動方程式實現了電力和磁力的統一,量子理論統合了三種力,除了引力。目前來說物理學最大的問題就是將引力納入大統一理論中。要是實現了,就是人類超級大理論了。

最後是關於宇宙粒子的形態問題,有一部分人認為夸克就是極限了,但實際上還不止,還可以再分,所以物理學嘴硬的夸克不可再分,未來逐漸會被淘汰。目前來說,對基本粒子的形態的假設,有兩派:圈理論和M理論。圈理論認為物質粒子的基本形態是圈,這有助於解釋某些物理現象。M理論的前身是弦理論,認為弦的不同共振和不同形態構成了不同的物質粒子形態。M理論目前來說陷入一種大綜合的狀態,M理論的p-1是點,也就是物質粒子的終極形態,p-2是線,p-3是捲曲的線——弦,p-4是捲曲的面——膜,再高維我就不知道了。

以上,就是我對宇宙的理解,很多錯誤,很多誤解,希望大家指正。感謝。

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