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  • 当代主流理论认为宇宙起源于138.2亿年前的宇宙大爆炸

    之前写过两篇相关的读书笔记,贴出来分享一下。因为是笔记,所以内容会比较简单:

    当代主流理论认为,宇宙起源于2亿年前的大爆炸1.38.。

    上世纪初世界上最有成就的天体物理学家爱丁顿曾说过:“作为一名科学家,我根本不相信宇宙是从大爆炸开始的。”

    宇宙的历史和宇宙的演化一直是包括一些物理学家在内的宇宙学家一直在苦思、非常纠结、经常争论的事情。有些人坚持稳态宇宙理论;有些人坚持大爆炸理论;有人认为,宇宙没有起点,也没有终点;有些人认为宇宙有始有终;有一些量——比如光速、万有引力常数总是相同的,而有些人认为这些量在宇宙的不同时期是不同的……对于这些观点和争论,基于现有的知识和天文观测,一些问题已经解决,但还有很多问题没有解决。

    爱因斯坦的广义相对论并非在所有情况下都能很好地发挥作用,例如,在广义相对论失败的称为“普朗克时期”的时期。这个“普朗克时期”是在宇宙存在“大爆炸奇点”的前提下提出的。假设我们逆着时间线追踪宇宙的膨胀,来到奇点定理预测的历史起点,假设宇宙各处的历史同时开始,将这一时刻记为t=0。科学家估计广义相对论在 t 等于 10 – 43 秒内失效。在宇宙的前10-43秒,时间和空间是如此的不确定,整个宇宙都呈现出一种爱因斯坦理论无法描述的量子涨落行为。

    因此,科学家们转向寻找更多方程来描述大爆炸理论中早期宇宙中基本粒子的运动。然而,直到 1970 年代,这个问题仍未解决。1975年,描述三种基本相互作用(电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用)的“大统一理论”(GUT)的出现,为重构宇宙历史时期遇到的问题提供了新的途径.

    简单地说,如果考虑真空涨落的影响,那么自然界中强、弱和电磁相互作用的等效强度将在非常高的能量处收敛。那时,自然界存在三种相互作用。“大统一论”诞生了。这意味着,当我们回溯到宇宙开始膨胀时本应发生的那个极高温度的时期,相互作用的强度会变得越来越弱,越来越简单,事情也会变得越来越简单。

    宇宙学研究大尺度的物理机制,基本粒子物理学研究微观尺度的物理机制。当谈到宇宙开始的极端条件时,这两种物理学不可避免地融合在一起。大势所趋也是宇宙本性所要求的——宇宙本身就是最大与最小的融合。

    除了大统一理论,还有一个新问题。粒子物理学家发现,如果在宇宙刚诞生的时候,弱、强和电磁相互作用在极高能量下变成同一个相互作用,那一定是产生了一个不必要的副产品——这是一个非常重的新粒子,磁单极子,而摆脱它的唯一方法就是正负磁单极子相互碰撞湮灭,但是一旦形成,磁单极子两极遇到反磁单极子的机会就更少了,所以它们会留在宇宙中,而数量很大。但这与宇宙目前的状态很不相符。这就是“磁单极子问题”。

    为了解决这个问题,1980 年,年轻的粒子物理学家艾伦·古斯提出了暴胀宇宙模型。在这个模型中,他定义了一种新型粒子,后来称为“标量场”,其压力为负,从而产生排斥力;它就像宇宙常数,但不是因为标量场的快慢,它衰变并转变为普通的辐射物质或基本粒子,所以压力变为正,斥力变为引力。

    膨胀发生在宇宙的早期,就在磁单极子出现以及物质和反物质之间建立平衡之前。在标量场的作用下,宇宙经历了短暂而突然的加速。

    到目前为止,暴胀理论已经受到很多人的欢迎,因为它有一大堆非常简单和令人满意的结果。它解释了一大堆问题,包括为什么可见宇宙是均匀的和各向同性的,为什么它没有充满磁单极子,以及为什么宇宙的膨胀至关重要。当然,学术界仍有一些人继续反对这一理论。

    如果暴胀理论是正确的,我们可能需要认真思考它所导致的多元宇宙理论。

    大爆炸和暴胀理论是多元宇宙理论的基石之一。暴胀宇宙学认为,宇宙的初始状态极有可能是混沌混沌的。如果一小块区域开始膨胀,体积会迅速增加,空间会变得更加平滑,更加各向同性。最后,其他暴胀区域被挤出事件视界。

    然而,这个通胀区域不会绝对一帆风顺。其中一定有非常微弱的统计和量子涨落。这些波动被通货膨胀放大。随着时间的推移,这些最初的波动最终会变成我们今天观察到的宇宙级密度变化——比如星系。

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    暴胀理论还预测,暴胀会导致宇宙微波背景辐射的温度谱发生特定角度相关的变化。为了确认暴胀理论是否正确,宇宙学家开始通过观测仪器寻找证据。美国宇航局先后发射了两颗人造卫星——宇宙背景探测器(COBE)和威尔金森各向异性探测器(WMAP)。,用于检测宇宙背景辐射中是否存在这种特殊印记。

    探测结果极大地支持了暴胀理论,但当接近仪器灵敏度极限时,观测结果的不确定性增加,也就是说只有更灵敏的探测器才能获得更完整、更准确的辐射信号。科学家们能否更好地确定宇宙是否真的经历过暴胀。

    描述宇宙早期行为的暴胀理论除了解释我们可观测的宇宙外,还有两个不同寻常的推论。

    该理论提出早期宇宙经历了短暂的膨胀加速,而我们现在看到的宇宙是由早期宇宙一个不起眼的角落膨胀形成的,这个角落必须小到足以让光和其他物理机制有时间膨胀这是“讽刺”的。

    那么随之而来的问题是m理论宇宙无中生有,这个小角落旁边的空间发生了什么?

    推论 1:早期宇宙的每个这样的“角落”都可能经历过类似的暴胀,每个都变得巨大而均匀,但最终与我们所在的宇宙不同。我们当地的宇宙并不反映整个(可能是无限的)宇宙的特性。

    推论 2:暴胀的宇宙会自我复制。一次通货膨胀会引发更多通货膨胀,子孙无限短缺。一个形象的比喻,我们的小宇宙就像一个膨胀的气泡,它可能有一个开始,但整个多元宇宙就像无数个气泡,没有任何开始,也不会有任何结束。

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    三、多元宇宙

    如果暴胀理论被更多证据证明是正确的,我们必须认真对待它看似不可避免的结论:我们只是无限复杂的暴胀“泡沫”中的一个支配它们的自然法则。我们必须认真对待极有可能存在的“多元宇宙”。

    对于多元宇宙来说,每个气泡可能有自己的物理定律m理论宇宙无中生有,它们彼此不同,但可以自洽,相互作用的次数可以不同,时空维度可以不同,还有许多其他性质可以不同。每个宇宙气泡的性质都有随机性。而我们现在生活的宇宙的各种属性,似乎都是随机生成的结果。

    从某种角度来看,这种随机性是宇宙的重要特征之一。在很早的宇宙中,爱因斯坦的相对论失败了,粒子物理学在这个领域变得非常重要。根据现有的量子物理学知识,我们可以知道,在极早期的宇宙中,所有的随机事件都源于量子不确定性(有兴趣的朋友可以了解一下海森堡测不准原理,量子理论的核心在哪里),我们只能预测这种事件发生的概率。

    物质和能量本质上是量子的,具有内在的不确定性,这就是随机性的来源。无法收集任何信息来消除这种随机性,并且两个相同的原因不会导致相同的量子结果。(关于量子物理科普知识,推荐几本我觉得还不错的书:《量子宇宙》、《宇宙弦》、《宇宙结构》)

    极早期宇宙中的随机事件波及到遥远的未来,因此我们发现微小的密度波动最终形成了巨大的星系团,而这一切也源于宇宙膨胀的量子不确定性和量子随机性。

    量子不确定性还告诉我们,如果我们想预测一个永远膨胀的宇宙中的事件进程,我们应该只能用概率论的语言来描述它。

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