『時間簡史』宇宙是起源於大爆炸,那大爆炸之前呢?宇宙存在嗎? 新聞 第1张

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今天我們繼續分享史蒂芬·霍金的代表作《時間簡史》。

今天我們聊聊:宇宙的起源

愛因斯坦的廣義相對論預言:時空在大爆炸奇點處開始,並會在大擠壓奇點處或者黑洞中的一個奇點處結束。任何落進黑洞的東西都會在奇點處毀滅,在外面只能繼續感覺到它的質量的引力效應。但在宇宙的極早期或者極晚期,當引力場如此之強,量子效應不能不考慮。那麼宇宙究竟是否有一個開端或者終結?如果有那應該是什麼樣子?

作者在整個70年代主要研究黑洞,但在1981年參加宇宙學會議時。在大會上霍金作了主題演講:時空有限而無界的可能性,這意味着它沒有開端、沒有創生的時刻。

在“熱大爆炸模型”來理解宇宙的歷史,宇宙膨脹時,其中的任何物質或者輻射都變得更冷,隨着它們冷卻下來,粒子相互吸引並開始結塊,甚至,連存在於宇宙中的粒子種類也依賴於溫度。在宇宙大爆炸時,宇宙的體積被認為是零,所以是無限熱。

『時間簡史』宇宙是起源於大爆炸,那大爆炸之前呢?宇宙存在嗎? 新聞 第2张

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大爆炸後1秒鐘,溫度降低到約為100億度,這大概是太陽中心溫度的1000倍。此刻宇宙主要包括光子、電子、和中微子和它們的反粒子,還有一些質子和中子。

大爆炸後100秒,溫度講到10億度,在此溫度下,質子和中子不再有足夠的能量逃脫強核力的吸引,開始結合產生重氫的原子核和其他物質。

大爆炸後的幾個鍾頭內,氦和其他元素的產生停止了,之後的100萬年左右,宇宙僅僅是繼續膨脹,沒有發生什麼事,最後,一旦穩定降低到幾千度,電子和核子不再有足夠能量去戰勝它們之間的電磁吸引力,就開始結合形成原子。宇宙逐漸變冷。

隨着時間的流逝,星系中的氫和氦氣體被分割成更小的星雲,它們在自身引力下坍縮。之後原子相互碰撞,氣溫身高,直到最後平衡。

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我們的太陽是第二代或者第三代恆星,大約在50億年前包括早期超新星碎片的旋轉氣體雲形成,雲裡面的大部分氣體形成了太陽或者噴射到外面去,但少量的重元素聚集在一起,形成了像地球這樣的,現在作為行星圍繞太陽公轉的物體!

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地球早期是非常熱,且沒有大氣的,但時間長了它冷卻下來,並從岩石中散發出氣體得到了大氣。

關於宇宙的起源,我們還有一些重要的問題需要解答。

1:為何早期宇宙如此熱?

2:為何宇宙在大尺度上如此均勻?

3:為何宇宙以這么接近於區分坍縮和永遠膨脹模型的臨界膨脹率開始,這樣即使在100億年以後的現在,它仍然幾乎臨界的速率膨脹?

4:盡管宇宙在大尺度上如此一致和均勻,它卻包含了局部的不規則。比如恆星和星系是從不同區域密度之間密度的細小差別發展而來,這些密度起伏來源是什麼?

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廣義相對論本身不能回答這些問題。因為它預言宇宙是從大爆炸奇點處的無限密度開始的。

在所謂混沌邊界條件下,要麼宇宙是空間無限的,要麼存在無限多宇宙,在剛剛大爆炸之後,尋求任何空間區域在任意給定的機構的概率,在某種意義上,和它在任何其他機構的概率是一樣的:宇宙初始態的選擇是隨機的,這意味着早期的宇宙是非常混沌和無序的。在這樣的模型中,人們還預測,密度起伏導致比伽馬射線背景觀測設定的上限多得多的太初黑洞的形式。

在宇宙的情形下,是否我們可能剛好生活在一個光滑和均勻的區域裡面呢?假定只有在光滑區域里,恆星和星系才能形成,才能適合的條件下,產生想我們這樣復雜的機體。這就是應用成為人存原理的一個例子。

人的存在原理可以解釋為:我們看到的宇宙之所以如此,乃是因為我們的存在。

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人存原理有弱和強的意義下的兩個版本。弱人存原理說只有宇宙的某些時空有限的區域里,才存在智慧生命的必然條件。強人存原理提出要麼存在單一宇宙的許多不同區域,每個人都有自己初始的結構,或者還有自己的一族科學定律。

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人們可以提出一系列理由來反對強人存理論。比如,在何種意義上,可以說所有這些不同宇宙的存在,如果他們確實相互隔開,在其他宇宙中發生的事情在我們宇宙中就沒有可觀測的後果。所以,強人存原理,是和整個科學史的潮流背道而馳的。

宇宙如此之大,然而僅僅因我們而存在,這是難以置信的,而在弱人存原理上,人們會更加信服。

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為了試圖找到一個能從許多不同的初始結構演化到像現在這樣的宇宙的東西,科學家阿倫.固斯提出,早期宇宙可能經歷了一個非常快速的膨脹時期。這種膨脹叫“暴脹”,固斯提出,宇宙是以一種非常熱而且相當混沌的狀態開始大爆炸起始的。隨着宇宙膨脹,它會變得冷,並且力之間的對稱性被破壞:強力變得和弱力以及電磁力不同。當它們膨脹時,物質粒子就越分越開,留下了一個幾乎不包含任何粒子,並仍然處於過冷狀態的膨脹宇宙。這種膨脹抹平了宇宙中的任何不規則性,這樣從許多不同的非均勻的初始狀態可以演化出宇宙現在的平滑均勻的狀態。

膨脹的思想還能解釋為何宇宙存在這么多物質,粒子了以及粒子/反粒子對的形成由能量中創生出來。宇宙中的總能量準確為零。宇宙中的物質是由正能量產生的。然後物質本身由於引力總是吸引的。這樣,在一定意義上,引力場是具有負能量的,在空間上大體一致的宇宙情形中,人們可以證明,這個負的引力剛好可以抵消物質所代表的正能量,這樣宇宙的總能量為零。

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1981年10月,作者在莫斯科參加量子引力會議並發表演講,後來提出了“新暴脹模型”。在舊暴脹模型的基礎上,它預言了微波背景輻射的溫度變化要比觀察到的多得多。1983年,林德提出了一個更好的所謂混沌暴脹的理論模型,這里沒有相變和過冷,而代之以存在一個自旋為0的場,由於它的量子漲落,在早期宇宙的某些區域有大的場所。那裡有排斥的引力效應,而使這些區域以暴長形式膨脹。

另外,模型的這個研究指出:宇宙現在的狀態可以從相當大量的不同初始結構引起。按照此理論,人們可以利用科學定律,在時間上將其演化回去,以確定宇宙在更早期的機構。按照經典的廣義相對論的奇點定理,仍然存在一個大爆炸的奇點。

在以實的時空為基礎的經典引力論中,宇宙可能的行為只有兩種:要麼它已存在了無限長時間,要麼它在有限的過去的某個時刻的奇點上有一個開端。而在量子引力論中,產生了第三種可能。時空有可能在範圍上是有限的,卻沒有形成邊界或者邊緣的奇點。時空就像地球表面,只不過多了兩維。

空間和時間可以形成換一個沒有邊界的封閉曲面的思想,對於上帝在宇宙事務中的作用還有一個深遠的含義。但是也並沒有告訴我們宇宙的太初應該像什麼樣子。

但如果宇宙的確是完全自足的,沒有邊界或者邊緣,它就既沒有開端也沒有終結:它就是存在,那麼,還會有造物主存在嗎?

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