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视界疑难、平坦疑难、磁单极子疑难,它们都是啥意思?

大爆炸理论来自于爱因斯坦的广义相对论,以及哈勃对星系的距离和红移关系的测量,广义相对论说,物质和能量会影响空间的形状,而空间的形状又告诉了物质要怎样运动;

那么在一个充满物质和能量的,均匀的宇宙当中,空间不是在收缩就是在膨胀。这是广义相对论作出来的预言。

而哈勃正是通过观测,实证了这一点,它发现离我们越远的星系,远离我们的速度越快,这就意味着我们的空间在膨胀。

然后经过反推,我们就能知道在遥远的过去,宇宙的体积更小,密度更大,温度更高,因此就有了大爆炸理论,这是一个很自然的推论。

所以人们根据大爆炸理论就做出了一系列的预言,比如说,我们往远处看,就是在回顾宇宙的历史,我们应该能够看到早期宇宙中的星系和星系团没有经过充分演化的样子,他们的数量不仅少,而且规模也小,甚至我们还能找到一些刚形成的婴儿星系。

如果我们再往远处看,我们应该能够看到宇宙的第一批恒星,以及原始的中性气体云,通过测量气体云的成分,我们就能知道宇宙诞生之初都有哪些元素了。

再往远处看,我们应该能看到宇宙诞生后的第一批光子,它出现在中性原子刚形成的时候,是大爆炸火球的余温,通过对这些光子的测量,我们就能够知道早期宇宙中的物质分布,以及宇宙的成分。

以上的这些预言都得到了观测的证实,所以大爆炸理论就以前所未有的准确性为我们描述一个动态、演化的宇宙模型。

但是,这个宇宙模型也给人们带来了不少的困扰,比如说,最初的那个奇点的问题,空间、时间、物质和能量都聚集到了一个点上,我们现在所知的理论也只能预测到这个点,不能对它的状态做出任何描述;

我们不知道这个点它是如何爆炸的,为什么会爆炸?它是如何诞生出时间、空间、以及物质和能量的?不知道,所以人们对这个点并不满意。

除了这个点以外,还有另外三个难题,分别为视界难题、平坦难题、单极难题,好,下面我就分别解释一下这三个问题。

先说视界难题,视界你可以理解为能够看到最远的地方,在宇宙的大尺度上出现视界是因为我们宇宙的年龄有限,而且光速有限,有些地方离我们很远,光还来不接到达我们这里,所以我们就看不见他们了。

所以在我们的宇宙中有一个可观测半径为460亿光年,在这个球体内是我们今天能够看到的全部,那有些同学就要问了。

我们的宇宙不是才138亿岁吗?光的速度不是恒定的吗?为什么我们可以看到460亿光年,而不是138亿光年吗?

原因很简单,我们的宇宙在膨胀,很显然膨胀的速度超过了光速,有些星系曾经在离我们很近的地方,比如说只有几十亿光年,它就诞生发出了光,这些光一直在靠近我们,但是这些星系却一直在远离我们,等我们现在看到它的时候,它已经跑到了距离我们460亿光年的地方了,所以我们说可观测是460亿光年。

当然我们现在能够接受到距离我们最远的光就是微波背景辐射了,它是宇宙中最古老的光子,是在38万年的时候发出的,当然也就成为了我们可观测宇宙的边界。

在1989年的时候,COBE卫星就对微波背景辐射进行了细致的测量,它就发现微波背景在各个方向上的温度差异只有0.003%,十分的微小,可以认为在全天空的各个方向上温度都是一样的。

这就带来了所谓的视界难题,你想一下,可观测宇宙的东边,和西边相距920亿光年,它们之间不可能发生任何的信息传递,现在不可能、未来也不可能。

38万年的时候更不可能,因为那个时候宇宙膨胀的速度更快,远远超过了光速,那么没有信息的传递,就意味着没有热量交换,那你说一个彼此隔绝两个地方温度是如何变成一样的?

所以人们就认为大爆炸可能不是宇宙的起源,在此之前还存在一个阶段,它的存在可以让宇宙先达到一定的热平衡,所以经历膨胀以后,这些本身温度就一样的地方,才被拉伸到了遥远的距离。

下面说下平坦难题。广义相对论说,物质可以影响空间的曲率,比如我们的地球就可以让它周围的空间发生弯曲,这是小尺度上的,我们知道在宇宙中有大量的球,所以我们认为小尺度的空间并不平坦,坑坑洼洼的。

除了考虑小尺度上的形状,物理学家还考虑了大尺度上的,也就是把整个宇宙空间,以及其中的物质密度看作一个整体,来思考我们宇宙空间的曲率是怎样的。

宇宙空间的曲率由曲率因子K决定,K可以取值为(-1、0和1),分别对应了负曲率的马鞍面、0曲率的平面、正曲率的球面,这三种几何形状。

K到底是等于-1、0还是1,又跟宇宙中的物质密度和临界密度的比值Ω有关,我这里解释一下什么是临界密度,根据大爆炸模型,科学家设想了这样一种情况,宇宙最开始有一个初始膨胀率,但宇宙中的物质会产生引力互相吸引,那么两种力就开始对抗了。

在引力的作用下,宇宙的膨胀率会一直变小,如果引力让宇宙的初始膨胀率无限地逼近于0,但不能达到0,我们就说宇宙的物质密度和初始膨胀率处在了一种完美的平衡状态。

那么在这种情况下,宇宙的物质密度就是临界密度,这样的宇宙它的体积会达到一个最大值,然后不再变大,也不再缩小,可以一直存在。

但这种平衡状态非常脆弱,不稳定,如果宇宙中少一个质子,宇宙就会膨胀,多一个质子宇宙就会坍缩,这就是临界宇宙。

当宇宙的物质密度等于临界密度的时候,Ω等于1,这样的宇宙空间曲率就是平坦的二维面。当物质密度大于临界密度的时候,Ω大于1,这对应了正曲率的球面,当物质密度小于临界密度的时候,Ω小于1,这对应了负曲率的马鞍面。

我们理所当然地会认为,我们宇宙的曲率不是正,就是负,不可能平坦,不然这也太巧合了吧。

但是根据微波背景辐射角功率谱的测量结果显示,我们的可观测宇宙平的不可思议,没有可观测的曲率,Ω非常接近于1,只有1.005正负0.007,只有千分之几的差异。

而且根据预测,Ω和1的差异会随着时间的发展不停地被放大,也就是说,在38万年的时候,宇宙更平。所以我们就需要解释,为什么宇宙空间没有曲率?这就是所谓的平坦难题。

最后一个是单极难题,这个说的是,为什么我们找不到磁单极子?这个问题有点太难为大爆炸理论了,这应该高能粒子物理需要解释的问题,但人们认为大爆炸理论作为描述宇宙起源的理论,应该要对磁单极的问题,有一些说法。

我们知道电学和磁学是对称、统一的,在电学当中,如果我们让负电荷聚在绝缘棒的一端,那么另外一段就会聚集正电荷,正负电荷的聚集就会在绝缘棒的周围形成虚拟的力线,这就是电场,也叫电偶极子效应。

在磁学中也一样,一个磁铁它也有南极和北极,在它的周围也有类似于电场的力线,这叫磁场,也叫磁偶极效应。

但是电偶极子可以分开单独存在,就是我们所说的负电荷和正电荷,但是我们从来没有发现过磁单极子,也就是南磁荷和北磁荷,它们只能以偶极子的形式成对的出现。

你看,当你一块磁铁掰成两半的时候,你期望会得到一个单独的南极和一个单独的北极,但是你却得到了四个磁极,当你把它们再掰成四半的时候,就成了8个磁极。这就是磁单极子不能存在的证据。这意味着在低能状态下,电学和磁学的对称性也自发破缺了。

但是,我们认为在高能状态下,宇宙会恢复对称性,尤其是电磁力、弱力、强力统一在一起的时候,宇宙应该创造了大量的磁单极子,南磁单极子和北磁单极子互为反粒子,它俩相撞会湮灭掉,但是只要当时的量够大,就算湮灭以后,也能够保留一些磁单极子,而且能够在今天被我们找到。但是我们发现不了磁单极子,所以人们就怪宇宙学了,这就是所谓的磁单极子难题。

好了,今天的内容就到这里,下节课我们就解释这些问题。同时也说下,大爆炸之前发生了什么?