宇宙起源於138億年前,在宇宙誕生之前,世界是什麼樣的?

2020-10-12 T哥講宇宙

話說在1915年,愛因斯坦提出了他的廣義相對論。從這個時期開始,天文學的一個細分領域得到了快速的發展,這個細分領域就是宇宙學。所謂的宇宙學研究的是宇宙整體的演化和歷史。

20世紀至今的宇宙學發展主要是以愛因斯坦的廣義相對論基礎,而獲得最大的成就就是標準宇宙模型,這個模型如今叫做Λ-CDM模型,這個模型的前身是宇宙大爆炸模型。

可以說,宇宙大爆炸模型是宇宙學最重要的成果,也是如今主流的科學理論,並且獲得許多觀測證據的支撐。按照最近的探測器的觀測,以及理論模型的推算,如今的宇宙誕生於138億年前。那麼很多人就會疑惑:138億年前誕生的宇宙,那麼138億年以前這個世界是什麼樣子的呢?

古代中國的宇宙觀

關於這個問題其實涉及到了宇宙觀,說白了就是宇宙到底是什麼?

在距今2000多年前,中國的古代先哲們就在思考這個問題。春秋戰國時期諸子百家中有一個學者叫做尸佼,他被人尊稱為尸子,他的著作也被稱為《尸子》,在這本當中就給出宇宙下了一個定義:

四方上下曰宇,往古來今曰宙。

這句話翻譯過來就是宇是空間,宙是時間。說白了就是宇宙是時間和空間的集合。

後來,古代的學者們基本上就是繼承了這個認知並且開始發揚光大。在後世的一些著作中常常重複記述了這個定義。那為什麼中國古人會有這樣的認識呢?

我們要知道古代是沒有手機和手錶的,那你有想過他們如何看時間嗎?

他們實際上是通過觀測天象計時的,比如:一個晝夜就是一天,月球繞地球一圈就是一個月,太陽同一時間在天球上出現的位置正好繞了一圈就是一年。

甚至包括日晷,它是用過觀測日影記時的儀器,所以本質上也是反映太陽一天在天空中的位置。也就是說,對於古人而言,時間就是天象(宇宙)的反映,沒有天象(宇宙)就沒有時間。

現代人的宇宙觀

中國古人對於「宇宙」的認識已經十分接近如今的觀點了。按照現代宇宙學的觀點,宇宙泛指一切的物質和時空,這裡時空指的就是時間和空間。也就是說,按照現代宇宙學的觀點就是有了宇宙,才有了時間,沒有宇宙,也就沒有時間。討論宇宙誕生之前是沒有意義的。

說白了,時間是從宇宙大爆炸的那一刻才開始有的,宇宙大爆炸之前並不存在時間。很多科學家都持有這樣的觀點,比如:霍金,他在他的科普書《時間簡史》就闡述過類似的觀點。

時間到底是什麼?

現代宇宙學的觀點聽起來有點流氓,但是實際上從邏輯上是說得通的,這其實需要我們從「時間的本質」入手來思考這個問題。如果我們沒有完全搞懂「時間到底是什麼?」,再去探討宇宙誕生之前的問題也是沒有任何意義的。

那時間到底是什麼?

科學家就發現,如果你要直接對時間進行定義是沒有辦法。不過,好在牛頓早就為我們指出了一條明路,我們可以用測量的方式來定義時間,這也叫做測量定義法。

如果從測量定義法來看時間,時間說白了就是周期性的運動。我們進行適當地簡化,我們可以理解成時間就是運動。這其實也很好理解,我們的手錶是通過振動來計時的,古人是通過天象來計時,天象說白了就是周期性的運動。脫離運動談時間是沒有任何意義的。愛因斯坦曾經就是回歸到了時間的測量定義法本身,發現了時間和運動之間的關係,於是推導出了著名的相對論,並且指出了一個驚人的觀點:時間就是空間,空間就是時間,這就是相對論的時空觀。

試想一下,如果宇宙中所有的一切包括粒子都靜止了,那對於這樣的宇宙而言,時間也變得沒有任何意義了。

宇宙誕生之前

那我們回歸一開始的問題,如今宇宙的一切實際上都是來自於那一場大爆炸,那場大爆炸之後宇宙開始出現了粒子,進而慢慢有了恆星,星系。而宇宙沒誕生之前,並沒有這些這些,更談不上「運動」,也就不存在「時間」。因此,宇宙誕生之前並不存在時間。那是不是就是說我們沒辦法探討宇宙誕生之前的樣子,實際上並不是不可以,只是探討那個狀態不需要引入時間參數而已。至於那個時期的狀態目前還沒有任何可靠的研究成果。

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    假設宇宙大爆炸模型是正確的,那麼我們沿著時間的反方向行進,就會發現我們宇宙在138億年前是一個無限小的點,稱之為宇宙奇點,時間和空間在這裡似乎都消失了,人類的想像力也在這裡終結,我們無法直接想像宇宙大爆炸之前的場景。
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    138億年,而且科學家們對這個數字非常有信心。但在過去一直是錯誤的(過去有很多宇宙年齡的數據,如200億歲,150億歲,137億歲,30億歲等等),現在最精確的138.17億歲可能又錯了嗎?然而在我們發現核聚變之前無法準確地估計出太陽的年齡。圖片:NASA’s Solar Dynamics Observatory / GSFC當然,幾十年後隨著核反應的發現以及愛因斯坦的E = mc2在太陽中發生的氫聚變的應用,這個問題得到了解決。當充分計算後才意識到太陽的生命周期將會在10 - 120億年間,而我們太陽系的存在已經有45億年了。
  • 如果站在宇宙邊緣,能看見138億年前的宇宙大爆炸嗎?
    按照目前的主流宇宙學理論,我們的宇宙有一個時間開端,距今已有138億年。當時,一個無窮小的時空奇點發生大爆炸,由此創生出時間和空間,並產生了宇宙中的所有能量和物質。另一方面,我們能夠看到宇宙中的各種天體和宇宙事件,是因為那些光傳播到地球上,被我們的眼睛或者天文望遠鏡接收到。光在真空中始終以恆定的速度傳播,我們接收到距離越遠的光,也就看到了時間上越久遠的宇宙。