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宇宙物质是无中生有还是本来就有?听听科学家怎么说

本文基于回答网友问题,见截图:

这是一个很大的问题,也可以说人类的根本问题,就是宇宙和人类从哪里来,到哪里去的问题。目前世界科学界对这个问题都还没有一个完美解释,只有一些理论片段,如量子力学的不确定性原理、真空零点能等理论。

以我对这些理论的理解,宇宙物质来源既可以说是无中生有,也可以说是有中生有。要解释这些理论,还是离不开爱因斯坦的质能方程,就是E=MC^2。这个公式虽然简单,却诠释了宇宙深层次的奥秘,即质量与能量的等价性,并且可以互换。

宇宙中的物质就是由能量转化而来,在极端情况下,又会转化为能量而去,最终归于寂灭。这就是宇宙生生灭灭的规律。

从宏观上说,宇宙是从无到有

大爆炸宇宙模型,已经是现代宇宙学的标准模型,也就是这个理论成为全世界天文学家、宇宙学家的主流认识,这个认识对宇宙来源的大致脉络是:宇宙于138亿年前起源于一个奇点,这个奇点在机缘巧合下突然爆炸了,这个爆炸我们可以理解为急速膨胀开来,由此形成了今天的宇宙。

奇点从138亿年前大爆炸开始,经历了暴涨和快速膨胀阶段,如今依然在以超过光速若干倍的速度膨胀,今天已经成为一个半径约465亿光年可观测宇宙。所谓超光速膨胀,并不是所有的地点都在超光速膨胀,而是指整个宇宙叠加的膨胀超光速,在距离我们465亿光年可观测宇宙最边际处,星系离开我们的速度超过光速。

在科学术语中,奇点被表示为体积无限小,密度无限高,曲率无限大,温度无限大。那么问题来了,这个奇点是什么?如何产生的呢?从宏观来说,它就是无中生有,从虚空中突然出现的。

物理学上把一个存在又不存在的点称为奇点,是空间和时间具有无限曲率的一点,时空在该处完结。广义相对论预言这种奇点必然会发生,是在极端引力场中物质受量子过程影响,坍缩到另一组时空维度的现象,比如黑洞奇点。

而宇宙大爆炸则是从另一个时空反弹的结果。从这个意义上来说,奇点是超时空的玩意,也就已经不是本宇宙时空的物质了,所有物理理论在那里都失效,也就是无法解释。而奇点出现就是从另一个时空膨胀到我们时空来的,因此是无中生有。

但根据量子力学理论,宇宙是有中生有

现代量子力学有两个理论解释了这种现象,即海森堡不确定性原理,以及由此派生出来的真空零点能理论。

海森堡不确定性原理认为,在微观世界,不可能同时精确得知一个粒子的位置和动量,由此可以推断,即便温度降低到绝对零度,粒子依然在振动,否则就会违背不确定性原理。

这就是说,即便宇宙消亡了,时空没有了,只有绝对真空,还依然会有粒子运动,有粒子运动就有能量,这就是真空零点能的来源。在绝对真空的虚空中,这些能量会以量子泡沫的形式存在,也就是以虚粒子的方式随机出现。

这些虚粒子都是正负成对的,也就是以正反物质的方式随机出现,而正反物质碰在一起就会湮灭(释放能量后消失),因此真空中的这些虚粒子对随机出现,又会瞬间随机湮灭。

如果这个世界一直这样对称平衡完美无缺,那么我们这个世界就永远不会出现。但物理学家们发现了世界并不完美,最杰出的代表就是杨振宁、李政道和吴健雄,他们发现并实验验证的“宇称不守恒定律”获得了1957年诺贝尔物理学奖。

这些理论认为,我们宇宙并不完美,而是会偶尔出现不守恒不对称的破缺现象,才造就了这个世界的不断变化。由此,科学界对宇宙大爆炸有了突破性的解释,即这些在量子涨落中不断随机出现的虚粒子对,并不是100%都会湮灭,有那么一个两个甚至很多个错开了,没有湮灭,就成了宇宙奇点。

我们宇宙就是这样一个奇点爆发出来的,或许还有许多个宇宙都是这种奇点爆发出来的,但物理规律让我们无法突破自己的宇宙,因此无法窥探别的宇宙秘密。

破缺而没有湮灭的奇点能量无法回归虚无,只能膨胀开来,这就是宇宙大爆炸。大爆炸的温度极高,密度极大,开始只有能量,什么也没有。大爆炸发生1秒钟之内,宇宙发生了暴涨,引力、胶子、夸克、玻色子、轻子、质子、中子及其反粒子等先后出现,后来强、弱、电磁力等相互作用也分离出来了。

1秒钟后的宇宙温度虽然从开始的10^32降到了100亿K,核力还是无法束缚中子和质子,因此核子还没有出现,原子就更没有出现,这时的宇宙还没有我们认知的常见物质。

一直经过38.4万年的膨胀和冷却,宇宙已经足够大了,温度冷却到约3000K,中性原子才出现了,而宇宙也终于度过了黑暗时期,第一缕光(电磁波)从致密的宇宙中脱耦而出,从此宇宙变得透明起来。

这时,由原子组成的常见物质才出现了,最早的物质就是最简单的元素氢和氦,还有极少量的锂,这些轻物质在宇宙中由于引力作用渐渐聚合成星云星团,再收缩坍塌成恒星,宇宙中的恒星和星系就诞生了。

早期的恒星都比较巨大,因此寿命很短,在恒星核聚变和不断的超新星大爆炸中,更重的元素一个个被生成出来,逐渐出现了现在已知的118种元素,正是这些元素,构建了宇宙中各种物质和地球上千姿万态的生物。

从这个意义上来说,宇宙物质就是从有到有的。在宇宙没有诞生前,这些能量就蕴藏在真空中,是巨大的真空零点能转化出了各种物质,符合爱因斯坦质能方程揭示的质能转换规律。

宇宙奇点能量为啥那么大

在所有的宇宙诞生理论中,迄今为止只有大爆炸理论最有说服力,而且迄今为止,所有的观测和实验试验,都符合这个理论预期,因此在没有更有逻辑性和说服力的理论出来之前,我愿意相信这个理论。

真空零点能理论在各种实验中已经得到了证实,最普遍的证据就是卡西米尔效应(在此不作解释, 有兴趣的可以查阅资料),许多科学家做过这个实验,验证了真空零点能的存在,由此真空零点能成为科学界没有争议,普遍接受的存在。

而大型强子对撞机通过接近光速的粒子对撞,重现了宇宙大爆炸百万分之一秒的状态,验证了大爆炸理论对大爆炸初期高温高密夸克饺子汤状态。

那么为啥一个没有湮灭的虚粒子成为奇点,就有那么巨大的能量,以至于演化成为今天浩瀚的宇宙物质呢?

研究发现,真空零点能本地能量异常强大,著名物理学家约翰・阿奇博尔德・惠勒估算零点能的密度高达10^95g/cm^3。这是个什么概念?就是宇宙大爆炸刚开始的普朗克时间,宇宙只有一个普朗克尺度时,其密度为10^94g/cm^3的10倍。

普朗克时间为10^-43秒,普朗克尺度为1.6*10^-35m,普朗克温度为10^32K。就是说宇宙大爆炸开始后的1000亿亿亿亿亿分之一秒,宇宙只有1600亿亿亿分之一米,温度为1亿亿亿亿K时,宇宙密度为10^94g/cm^3,但真空本底能量1立方厘米就比宇宙初始整体能量大10倍。

而现在一些研究认为,可观测宇宙总质量约为10^53g,只有真空零点能1个立方厘米的1/10^42,也就是100亿亿亿亿亿分之一。

由此,这个奇点具有整个宇宙的能量就不奇怪了。至于为什么真空零点能的本底能量有这么大,这是量子力学里面很高深复杂的话题,我们吃瓜群众只要知道这很神奇,但真实存在就够了,无须追根究底。

那么宇宙既然是大爆炸诞生,为啥没有中心呢?

这个问题许多人迷惑,我解释过很多次还是迷惑。之所以有这个迷惑,是因为许多人都把宇宙爆炸想象成我们周围的事物,如一个爆竹或一个炸弹爆炸了,那个爆竹或炸弹爆炸点不就是中心吗?

其实,宇宙大爆炸可以想象成一个炸弹爆炸,但又不完全像炸弹这样爆炸,而是膨胀。可以理解为最开始的奇点膨胀成了今天的样子,有点像一个气球(当然是没有吹嘴的气球)或一个篮球,而所有能量转化出来的物质,如星系和恒星,都在球面上,而不是在球里面。

这样所有的星系物质就像画在篮球或气球表面的各种图案或星星点点,在一个圆球表面,我们取任意一点向四周看,都是一样的。随着宇宙膨胀这些星星点点的图案都会相互分得越来越开,但却没有中心,或者说任何一点都是中心。

就比如在地球表面,你说哪里是中心呢?是北京还是纽约,又或者说是巴黎?只有古代帝王及其拥簇者才会认为自己是世界的中心,如果现在还有人这样认为,就愚昧了。当然这里说的只是地球表面,宇宙就像地球的表面,宇宙没有地核这样的核心。

宇宙膨胀的证据是天文学家埃德温・哈勃在上世纪初发现的,并以此创立了哈勃定律。这个理论的主要内容是,宇宙在不断膨胀,站在宇宙任何一点观测,各向同性(都是一样的),因此宇宙没有中心;距离我们越远的星系离开得越快,且与距离成正比关系,公式简单表述为:V= HD。

这个公式里的V表示星系离开我们的视向速度,单位km(千米或公里);H是哈勃常数,就是距离我们1Mpc(1百万秒差距,约326万光年)的地方,星系离开我们的速度,单位是km/s(公里/秒);D为目标星系与我们的距离,单位为哈勃常数距离的倍数。

要计算宇宙膨胀的速率,或者某个星系离开我们的速率,哈勃常数必须是已知参数。为了获得更准确的哈勃常数,各国科学家运用各种望远镜、卫星等精密仪器,辛勤观测计算了几十年,但每次得出的数据都不完全一样。

几十年来,先后得到比较有影响的几次数据为:77km、74.2km、68.7km、82.4km。我们取其一个平均数,约等于75.6km/s,如果将这个哈勃常数代入公式,就可以得出在哈勃常数2倍距离,也就是652万光年的地方,星系退行速度为151.2km/s,以此类推,在可观测宇宙边际,距离我们465亿光年的星系,离开我们的速度约为1078343km/s,约为光速的3.6倍。

有些人又有了疑问,既然宇宙膨胀速度这么快,我们怎么感觉不到呢?千百年来,太阳还是那个太阳,月亮还是那个月亮?

其实我前面都已经说得很清楚了,宇宙膨胀只是大尺度叠加的膨胀,并非星系之间相互离开的速度,膨胀速率为光速的3.6倍,只是可观测宇宙465亿光年最远处的星系离开我们的速度。

根据越近速度越慢的规律,在我们附近宇宙膨胀速率很慢,而且天体更主要受到的影响是引力作用,因此是感觉不到膨胀的。今天就说到这里吧,欢迎讨论,感谢阅读。

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