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宇宙由什么构成的:微观尺度上的无序微粒

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发表于 2016-2-18 15:52:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
科学中最关键却未受到充分赏识的成就之一,就是用数学方法描述物理宇宙。具体讲,就是对连贯而流畅的数学函数的运用,比如用正弦函数来描述光和声音。这一做法有时候被称作牛顿运动第零定律,以向运用了类似函数的著名的牛顿三定律致敬。

20世纪初期,阿尔伯特·爱因斯坦对牛顿宇宙学说的地位造成了影响深远的撼动,他向人们展示了宇宙的两个新特性:一是质量可以造成空间的弯曲,二是空间和时间具有内在相关性。他把这一新的概念称为时空。尽管这一观点令人震惊,但它的公式和牛顿的方程一样,连贯并且流畅。
然而,近期一小群研究人员发现,时空本身具有内在的随机性,这使得牛顿第零定律在小尺度上也不再适用了。

让我们来探究这一发现的意义。

首先,什么是时空?你或许还记得在平面几何当中,如果取两个点,通过第一个点画x轴和y轴(也就是把该点当作原点),那么这两个点之间的距离就是x2+y2的平方根,其中x和y是第二个点的坐标。在三维空间中,对应的距离用x2+y2+z2的平方根表示。这些距离是恒定的,它们的值不会因为坐标的画法而改变。

那么,如果把时间作为第四维呢?

四维时空中的一个点被称作一个“事件”:它在空间上的位置由x轴、y轴和z轴确定,在时间上的位置由t确定。那么,两个“事件”之间的距离是多少?用类推的方法,很容易认为这一距离是x2+y2+z2+t2的平方根,但事实并不是这样。如果采用不同的坐标系,这一距离就会变化,所以它事实上并不能真的被看作距离。爱因斯坦发现,恒定距离是x2+y2+z2-ct2的平方根, 其中c代表光速。如果你采用不同的坐标系,x、y、z和t的值可能发生变化,x2+y2+z2-ct2的平方根却不会。
爱因斯坦通过一个绝妙而且高度复杂的逻辑链推理得出,引力的实质是时空自身的几何学特性——它的曲率。而这一曲率是质量造成的。爱因斯坦说,如果宇宙中没有质量,那么时空就是平坦的,也就是没有曲率。


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想要理解空间的曲率,可以想象一只在球体表面爬行的虫子。这只虫子要怎样才能知道它不是在一个无尽的平面上呢?如果这只虫子沿一个方向走,它最终会回到最初的地方。或者,如果这只虫子以正确的角度画一个坐标轴,它就会发现从起始点到任一点的距离并不是x2+y2的平方根。这只聪明的虫子或许就会推导出,自己处在一个曲面上。
因此,曲率影响两点之间的距离,而质量决定曲率。

在真空中,粒子和反粒子不断产生。

这就是爱因斯坦时空概念的要义。但是他的相对论仅仅是20世纪物理学的两大革命性突破之一,另一项是量子力学。因此,提出这样的问题就会显得很自然:量子力学怎样影响时空的几何学特性?这是当今物理学试图解决的最大的问题之一。随机时空似乎是答案的一部分。

量子力学的核心是海森堡不确定性原理。该原理指出,每个物理系统都一定会具有一些残余能量,即使是在绝对零度。这一残余能量被称为零点能,即使是时空中的真空也具有。在真空中,粒子和反粒子持续产生,然后互相碰撞使对方湮灭。粒子的突然产生和消失导致真空的零点能随时间波动。因为能量和质量是等效的(E=mc2),质量会产生时空弯曲, 真空能量波动会产生时空弯曲的波动,而这会造成时空中两点之间距离的变化。这就意味着,在小尺度上,时空是随机而无序的。

如果我们在一个不那么小的范围里看量子波动,这一区域内的波动倾向于抵消。但是如果我们在一个无限小的范围里考察这个现象,比如一个点,我们就会发现无限的能量。这不禁让人
思考:在什么尺度上才能捕捉到我们感兴趣的物理现象?它当然要足够小,但也不能小到它的能量庞大到无法把握。什么才是这一距离最合适的测量单位呢?


普朗克探究了距离的自然单位是什么的问题,这一自然单位应该基于普适常数。


为了回答这一问题,我们采用普朗克的思考方式。普朗克是量子力学之父,他曾经探求过距离的自然单位是什么的问题。所谓自然单位,就是不基于米的仲裁标准。他提出了一种使用普适常数的自然单位:真空中的光速(c);表示重力场强度的重力常数(G);普朗克常数(h),该常数表示粒子能量和频率之间的关系。普朗克确定了我们现在知道的普朗克长度lp,数值为hG/c3的平方根。普朗克长度是一个非常短的距离,大概为10-35米,是一个质子直径的亿兆分之一。这个距离太小了,目前无法被测量,或许永远都无法被测量。

但是普朗克长度具有重要意义。弦理论对点已经有了完整的研究,并且认为普朗克长度是已知可能的最小距离。更新的圈量子引力理论提出了相同的说法。极小体积内能量被无限放大的问题得以避免,因为根据这一理论,这种极小体积根本不存在。

普朗克长度还有另外一个重要的应用。相对论指出,身处快速行进的参考系中的观察者测量的距离会缩短,即所谓的洛伦兹收缩。但是普朗克长度是唯一可以通过c、G和h这样的常数推算
出的距离, 所以在任何一个参考系中的测量值都是相同的,不会受到洛伦兹收缩的影响。但这意味着,在这一尺度上,相对论也不适用。我们需要新的理论来解释这一现象,而随机时空理论很可能提供了这样一个解释。普朗克长度无法因洛伦兹收缩而变短,表明它是长度的一个基本量子,或者说单位。因此,普朗克长度很可能是时空的最小尺寸,比普朗克长度更小的尺寸可以被认为是不存在的。


现在,我们终于可以描述随机时空了。首先,它是颗粒状的,尺寸大约相当于普朗克长度。

其次,这些颗粒之间的距离定义并不明确。量子力学指出,一个物体越大,它的量子学特性就越不明显。因此,我们可以认为时空中某一区域内的质量增加,这一区域的随机性就越小。(这一点和相对论相似。相对论指出,一个区域内的质量越多,它产生的曲率就越高。)随机时空认为,如果宇宙中没有质量,时空就是平坦的,如同爱因斯坦相对论指出的那样。但这是完全随机的,无法被实际确定。如果没有质量,我们还要空间干什么?


第三,在随机时空理论中,因为在这一尺度上的随机特性,这些粒子可以随意飘动,这一点和弦理论以及圈量子引力理论不同。如果把随机时空中的粒子描述为一盒鹅卵石,随机性就像轻微晃动这个盒子,让石子们来回移动。我们希望这些活动的体积元素(鹅卵石)能够解释在普朗克长度上相对论不适用的问题。这是因为相对论是一种建立在牛顿第零定律之上的理论,它需要连贯流畅的数学函数,但在普朗克长度上,这种流畅的函数不再适用。
牛顿可能会感到吃惊。 他认为空间和时间是一个没有特征的空虚,只是让他的三大运动定律能够适用的框架,而这也确实见于每天在我们身边上演着的一切。随机时空理论却设定了一个不确定的时空,这个时空超出了连贯流畅的函数所能描述的范围。
量子力学的希望在于,其函数能够产生于时空本身的特征,像一根扎根地下的支柱,而不是随机搭建的屋顶。
卡尔·弗里德里克,理论物理学博士,先在美国航空航天局做研究员,后供职于康奈尔大学。目前在一家高科技创业公司工作,也是一位专业科普作家。


宇宙是怎么形成的

有些宇宙学家认为,暴涨模型最彻底的改革也许是观测宇宙中所有的物质和能量从无中产生的观点,这种观点之所以在以前不能为人们接受,是因为存在着许多守恒定律,特别是重子数守恒和能量守恒。但随着大统一理论的发展,重子数有可能是不守恒的,而宇宙中的引力能可粗略地说是负的,并精确地抵消非引力能,总能量为零。因此就不存在已知的守恒律阻止观测宇宙从无中演化出来的问题。

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这种“无中生有”的观点在哲学上包括两个方面:
①本体论方面。如果认为“无”是绝对的虚无,则是错误的。这不仅违反了人类已知的科学实践,而且也违反了暴涨模型本身。按照该模型,我们所研究的观测宇宙仅仅是整个暴涨区域的很小的一部分,在观测宇宙之外并不是绝对的“无”。现在观测宇宙的物质是从假真空状态释放出来的能量转化而来的,这种真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式,并不是创生于绝对的“无”。如果进一步说这种真空能起源于“无”,因而整个观测宇宙归根到底起源于“无”,那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式。


②认识论和方法论方面。暴涨模型所涉及的宇宙概念是自然科学的宇宙概念。这个宇宙不论多么巨大,作为一个有限的物质体系 ,也有其产生、发展和灭亡的历史。暴涨模型把传统的大爆炸宇宙学与大统一理论结合起来,认为观测宇宙中的物质与能量形式不是永恒的,应研究它们的起源。它把“无”作为一种未知的物质和能量形式,把“无”和“有”作为一对逻辑范畴,探讨我们的宇宙如何从“无”——未知的物质和能量形式,转化为“有”——已知的物质和能量形式,这在认识论和方法论上有一定意义。









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宇宙是如何起源的?


空间和时间的本质是什么?这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过了哥白尼、赫歇尔、哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲,宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辩,而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学。
  目前学术界影响较大的“大爆炸宇宙论”是1927年由比利时数学家勒梅特提出的,他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里,在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片,形成了今天的宇宙。1948年,俄裔美籍物理学家伽莫夫等人,又详细勾画出宇宙由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后,经一系列元素演化到最后形成星球、星系的整个膨胀演化过程的图像。但是该理论存在许多使人迷惑之处。

  宏观宇宙是相对无限延伸的。“大爆炸宇宙论”关于宇宙当初仅仅是一个点,而它周围却是一片空白,即将人类至今还不能确定范围也无法计算质量的宇宙压缩在一个极小空间内的假设只是一种臆测。况且从能量与质量的正比关系考虑,一个小点无缘无故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量从何而来呢?
  人类把地球绕太阳转一圈确定为衡量时间的标准——年。但宇宙中所有天体的运动速度都是不同的,在宇宙范围,时间没有衡量标准。譬如地球上东西南北的方向概念在宇宙范围就没有任何意义。既然年的概念对宇宙而言并不存在,大爆炸宇宙论又如何用年的概念去推算宇宙的确切年龄呢?

  1929年,美国天文学家哈勃提出了星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律,并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。哈勃定律只是说明了距离地球越远的星系运动速度越快--星系红移量与星系距离呈正比关系。但他没能发现很重要的另一点--星系红移量与星系质量也呈正比关系。
  宇宙中星系间距离非常非常遥远,光线传播因空间物质的吸收、阻挡会逐渐减弱,那些运动速度越快的星系就是质量越大的星系。质量大,能量辐射就强,因此我们观察到的红移量极大的星系,当然是质量极大的星系。这就是被称作“类星体”的遥远星系因质量巨大而红移量巨大的原因。另外那些质量小、能量辐射弱的星系(除极少数距银河系很近的星系,如大、小麦哲伦星系外)则很难观察到,于是我们现在看到的星系大多呈红移。而银河系内的恒星由于距地球近,大小恒星都能看到,所以恒星的红移紫移数量大致相等。


  导致星系红移多紫移少的另一原因是:宇宙中的物质结构都是在一定范围内围绕一个中心按圆形轨迹运动的,不是像大爆炸宇宙论描述的从一个中心向四周作放射状的直线运动。因此,从地球看到的紫移星系范围很窄,数量极少,只能是与银河系同一方向运动的,前方比银河系小的星系;后方比银河系大的星系。只有将来研制出更高分辨程度的天文观测仪器才能看到更多的紫移星系。
  宇宙中的物质分布出现不平衡时,局部物质结构会不断发生膨胀和收缩变化,但宇宙整体结构相对平衡的状态不会改变。仅凭从地球角度观测到的部分(不是全部)可见星系与地球之间距离的远近变化,不能说明宇宙整体是在膨胀或收缩。就像地球上的海洋受引力作用不断此涨彼消的潮汐现象并不说明海水总量是在增加或减少一样。


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1994年,美国卡内基研究所的弗里德曼等人,用估计宇宙膨胀速率的办法计算宇宙年龄时,得出一个80~120亿年的年龄计算值。然而根据对恒星光谱的分析,宇宙中最古老的恒星年龄为140~160亿年。恒星的年龄倒比宇宙的年龄大。

  1964年,美国工程师彭齐亚斯和威尔逊探测到的微波背景辐射,是因为布满宇宙空间的各种物质相互之间能量传递产生的效果。宇宙中的物质辐射是时刻存在的,3K或5K的温度值也只是人类根据自己判断设计的一种衡量标准。这种能量辐射现象只能说明宇宙中的物质由于引力作用,在大尺度空间整体分布的相对均匀性和星际空间里确实存在大量我们目前还观测不到的“暗物质”。
  至于大爆炸宇宙论中的氦丰度问题,氦元素原本就是宇宙中存在的仅次于氢元素的数量极丰富的原子结构,它在空间的百分比含量和其它元素的百分比含量同样都属于物质结构分布规律中很平常的物理现象。在宇宙大尺度范围中,不仅氦元素的丰度相似,其余的氢、氧……元素的丰度也都是相似的。而且,各种元素是随不同的温度、环境而不断互相变换的,并不是始终保持一副面孔,所以微波背景辐射和氦丰度与宇宙的起源之间看不出有任何必然的联系。



大爆炸宇宙论面临的难题还有,如果宇宙无限膨胀下去,最后的结局如何呢?德国物理学家克劳修斯指出,能量从非均匀分布到均匀分布的那种变化过程,适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件,在任何给定物体中有一个基于其总能量与温度之比的物理量,他把这个物理量取名为“熵”,孤立系统中的“熵”永远趋于增大。但在宇宙中总会有高“熵”和低“熵”的区域,不可能出现绝对均匀的状态。所以,那种认为由于“熵”水平的不断升高而达到最大值时,宇宙就会进入一片死寂的永恒状态,最终“热寂”而亡的结局,是把我们现在可观测到的一部分宇宙范围当作整个宇宙的误识。

  根据天文观测资料和物理理论描述宇宙的具体形态,星系的形态特征对研究宇宙结构至关重要,从星系的运动规律可以推断整个宇宙的结构形态。而星系共有的圆形旋涡结构就是整个宇宙的缩影,那些椭圆、棒旋等不同的星系形态只是因为星系年龄和观测角度不同而产生的视觉效果。
  奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式。这种螺旋现象对于认识宇宙形态有着重要的启迪作用,大至旋涡星系,小至DNA分子,都是在这种螺旋线中产生。大自然并不认可笔直的形式,自然界所有物质的基本结构都是曲线运动方式的圆环形状。从原子、分子到星球、星系直到星系团、超星系团无一例外,毋庸置疑,浩瀚的宇宙就是一个大旋涡。因此,确立一个“螺旋运动形态宇宙模型”,比那种作为所有物质总和的“宇宙”却脱离曲线运动模式而独辟蹊径,以直线运动方式从一个中心向四面八方无限伸展的“大爆炸宇宙模型”,更能体现真实的宇宙结构形态。



 一种广为认可的宇宙演化理论。其要点是,宇宙是从温度和密度都极高的状态中由一次“大爆炸”产生的。时间至少发生在100亿年前。
这种模型基于两个假设:
第一是爱因斯坦提出的,能正确描述宇宙物质的引力作用的广义相对论;
第二是所谓宇宙学原理,即宇宙中的观测者所看到的事物既同观测的方向无关也同所处的位置无关。这个原理只适用于宇宙的大尺度上,而它也意味着宇宙是无边的。因此,宇宙的大爆炸源不是发生在空间的某一点,而是发生在同一时间的整个空间内。有这两个假设,就能计算出宇宙从某一确定时间(称为普朗克时间)起始的历史,而在此之前,何种物理规律在起作用至今还不清楚。

宇宙从那时起迅速膨胀,使密度和温度从原来极高的状态降下来,紧接着,预示质子衰变的一些过程也使物质的数量远超过反物质,如同我们今天所看到的一样。许多基本粒子在这一阶段也可能出现。过了几秒钟,宇宙温度就降低到能形成某些原子核。这一理论还预言能形成一定数量的氢、氦和锂的核素,丰度同今天所看到的一致。大约再过100万年后,宇宙进一步冷却,开始形成原子,而充满宇宙中的辐射则在宇宙空间自由传播。这种辐射称为宇宙微波背景辐射,它已经被观测所证实。除了原始物质和辐射外大爆炸理论还预言,现在宇宙中应充满中微子,它们是无质量或无电荷的基本粒子。现在科学家们正在努力找寻这种物质。



 大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实:
  (a)理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短,即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。
  (b)观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释,那么红移就是宇宙膨胀的反映。

  (c)在各种不同天体上,氦丰度相当大,而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明。



于“宇宙无始无终”的新论断。他们认为,宇宙既没有“诞生”之日,也没有终结之时,而就是在一次又一次的大爆炸中进行运动,循环往复,以至无穷的。 至于“宇宙无始无终”的新论是否正确,科学家认为,过几年国际天文学界可望对此做出验证。


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