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宇宙诞生前是什么样子,为啥会出现宇宙,未来归宿有几种可能?

有人看到科学界关于宇宙已经诞生了130多亿年的说法,就老想弄清,宇宙每诞生时是个什么样子呢?这种好奇心可以理解,但问题是科学界并不能给出一个标准答案。现在我们试着用已有的一些科学常识,分析一下这个问题。

宇宙奇点

宇宙诞生了130多亿年,是基于宇宙大爆炸理论,因此要知道130亿年前宇宙还没有爆炸前的样子,首先必须承认宇宙大爆炸理论,才能够根据这个理论去追溯。

大爆炸理论认为,宇宙在约138亿年前,由一个奇点爆炸(或者说是膨胀)而成。奇点是一个体积无限小、温度无限高、密度无限大、曲率无限大的存在,从逻辑推断,我们就可以看出,后面的三个无限都是基于第一个无限,因为体积无限小的东西,只要有温度、密度、曲率存在,就只能是无法估量的大。

从大爆炸开始,宇宙就一直在扩张,现在宇宙已经膨胀到了可观测宇宙930光年直径,物质从能量中诞生,从最早的基本粒子到现在的数万亿星系,而且膨胀还在进行中。正是基于宇宙膨胀的观测事实,反推过去,宇宙是从一个奇点爆发的。

经典物理学认为,奇点无法认知

因为在我们世界不存在无限小的事物,人类可认知的最小尺度约为10^-35m,这个尺度就叫普朗克尺度,也就是比原子还小10亿亿亿倍的尺度。而奇点是无限小,就是不知道比普朗克尺度还要小多少倍,因此现有的一切理论在那个地方都失效,因此人类无法认知奇点,更无法认知奇点以前的事物。

但有一点是经典力学和量子力学都有统一认识的,就是宇宙没有诞生前,世界是虚无虚空的,何为虚无虚空?就是处于真空状态,没有空间,没有物质,也没有时间。因为是宇宙大爆炸那一刻开始,时间、空间和物质才开始诞生。

量子力学对宇宙出现前的猜想

首先,量子力学认为真空其实不空,即便在所谓“绝对真空”中,也充满了能量,这种能量就叫真空零点能。这些能量会以正反虚粒子对的方式不断出现,又不断湮灭,这种现象叫量子随机涨落。

宇宙中占有普遍性的绝大多数时候,是宇称守恒的,也就是对称的,但也存在着极少的不对称现象,也就是对称性破缺。用哲学观点说,就是这个世界并不是十全十美的,总有那么一些偶然和意外,破坏了完美的平衡。

杨振宁、李政道获得1957年诺贝尔物理学奖的宇称不守恒原理,说的就是这个。这是一个石破天惊的理论,从此,对解释宇宙诞生、生命诞生有了重要依据,也改变了后来的物理学、量子力学研究的走向。

对称性破缺造就了宇宙和生命

宇宙中如果正物质和反物质完全一样,正反就永远会湮灭掉,就不会出现宇宙。

宇宙诞生前,在一片虚空真空中,能量以不确定性涨落方式不断涌现又湮灭,但有极少量的虚粒子对出现了破缺,没有湮灭,正粒子占了上风,这样奇点就出现了。随着奇点的爆发(膨胀),时空、物质同时诞生,奇点不断地膨胀,就成为今天的宇宙。

生命也是这样从无到有的。宇宙从最初简单的轻元素(主要是氢、氦、锂),经过恒星演化和超新星大爆炸,形成了越来越多的重元素,迄今为止人类已经发现了118种元素。这些元素的碰撞和结合,在不断的偶然性“破缺”中,物质从无机物演化到有机物,再演化到细胞生命。

现在的世界已经发现许多对称性破缺的例子,如弱相互作用下宇称不守恒、粒子和反粒子的不对称、手性分子的对称性破缺等等。如果没有这些“破缺”,世界将是单调、暗淡、失去活力的,就不会出现恒星、星系乃至生物;而地球物种也不会分化、进化成为今天这个样子。

如今,对称性破缺已经成为一个跨物理学、生物学、社会学、系统论等学科的概念,是阐述事物呈现出差异性的理论,说明这个世界既有对称性,又有不对称性,是差异性和对称性破缺造就了今天多姿多彩的世界。

平行宇宙和多重宇宙论

多重宇宙论认为宇宙有很多甚至无限多,这种理论同样基于量子涨落的对称性破缺。前面说了,既然宇宙奇点诞生于真空零点能中的量子涨落,是虚粒子对出现的对称性破缺,那么就不可能只有一个虚粒子对由于对称破缺而诞生了奇点,很可能有无数个虚粒子对的对称性破缺,每一个破缺都诞生一个奇点,因此宇宙就有无数个之多。

平行宇宙的来源是基于量子力学的不确定性原理和量子叠加态原理。最有名的思想实验就是“薛定谔的猫”,那是一只既死又活的猫(详情已经说过多次,这里就不展开说了)。在量子世界,每一个粒子都有两种状态,即既死又活。即在打开“薛定谔的猫”那只实验盒子时,看到一只“死猫”,在另一个世界就一定有一只“活猫”,而且这种既死又活的状态每时每刻都在不停地分裂,因此宇宙中就有无数平行宇宙存在。

这就是多重宇宙和平行宇宙的简单由来,这些理论都很复杂高深,要说清楚话就很长,今天就不说了。当然,这些说法都还只是基于量子力学的某种推断,科学界的共识是,不管是平行宇宙还是多重宇宙,都是各自不同的时空,相互都不可能越界来往,因此这种猜想将永远无法证实。

宇宙归宿

现在科学界对于我们自己这个宇宙的归宿有多种猜想,主要有热寂说、大撕裂说、大塌缩说。

热寂说就是在很久远的未来,宇宙所有热量都消耗殆尽,整个宇宙处于热平衡状态,热量和粒子再也没有流动和交换,由此宇宙死寂,空间时间消失,回归虚无;大撕裂说是基于宇宙膨胀速度越来越快,如果最终引力无法抑制住宇宙膨胀不断加快的趋势,原子和基本粒子都将承受不了宇宙膨胀的破坏,所有基本粒子都被撕裂,宇宙分崩离析,化为虚无;大塌缩说是宇宙膨胀到一定阶段,引力收缩的力量占了上风,宇宙从停止膨胀到开始收缩,由于重力影响将会收缩得越来越快,形成坍缩之势,最终收缩回到一个奇点。

现在的理论是暗能量占据宇宙总能的68.3%,主导着宇宙膨胀;暗物质占宇宙总质能的26.8%,主导着宇宙收缩。它们之间的较量一直在继续,最终鹿死谁手,决定了宇宙的归宿是大撕裂还是大塌缩。不管哪一种归宿,宇宙都将重新开始,但这已经与人类完全无关。

因为人类只不过是宇宙演化过程中的一个过客,而且很可能是一个极其短暂的过客,就像长河中的一朵浪花,转瞬即逝。

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