宇宙真的是从一片虚无中产生的吗?生命与医学

时间:2022-5-17 作者:admin
核心提示:从宇宙微波背景到星系团、再到单个星系,这些观测结果都需要由暗物质来解释。新浪科技讯 北京时间3月15日消息,据国外媒体报道,我们对广阔宇宙中的未知事物越是好奇,就会浮现出越多的未解之...

宇宙真的是从一片虚无中产生的吗?生命与医学

从宇宙微波背景到星系团、再到单个星系,这些观测结果都需要由暗物质来解释。

新浪科技讯 北京时间3月15日消息,据国外媒体报道,我们对广阔宇宙中的未知事物越是好奇,就会浮现出越多的未解之谜。对任何事物本质的探索最终都将把我们引向同一类谜团:宇宙的终极本质和起源、以及宇宙中的万物。但无论我们往回追溯得多久,总是规避不掉同一个问题:一旦倒退回到某个时间点之前,我们的“起点”也许就不复存在了。

这也许是最最重要的问题之一,因为它想问的不仅是万物来自何处,还问了万物最初是如何出现的。到目前为止,科学都没能为我们解答这个难题。

我们在观察宇宙时,可观察到的全部范围、甚至将庞大的未知领域考虑在内,都指向一个统一的场景。宇宙由物质(而不是反物质)构成,无论何时、何处,都遵循同一套物理法则。就我们所知,宇宙开始于138亿年前一次炽热的大爆炸。宇宙由广义相对论主宰,体积在不断膨胀,温度在持续下降。暗能量和暗物质占据了宇宙的大部分,其余则由普通物质、中微子和辐射组成。

宇宙真的是从一片虚无中产生的吗?生命与医学

即使在空无一物的太空中,基本相互作用场自带的量子波动也依然存在。在宇宙初期的暴胀过程中,这些波动会在宇宙中被大幅拉伸,形成如今仍能观测到的温度波动。

如今,宇宙中充满了星系、恒星、行星和重元素,并且在至少一颗星球上存在拥有先进技术的智慧生命。但这些结构并非亘古有之,而是在宇宙演化的过程中逐渐出现的。作为一项重大的科学飞跃,20世纪的科学家倒推出了宇宙的时间线,描述了宇宙是如何从缺少复杂结构、除了氢氦之外别无一物的起初,逐渐发展到如今遍布大型天体结构的模样的。

如果让我们从今日出发、让时光倒流,追寻每一个结构和每一个构件的起源。每次得到一个答案,我们都可以进一步追问:“可这究竟是从哪来的呢?这又是如何出现的呢?”直到最终实在答无可答:“不知道,至少目前为止还没有头绪。”届时我们就可以对手头掌握的情况进行复盘,然后追问下去:“这究竟是如何出现的?难道是从一片虚无中浮现的吗?”

那我们就开始吧。

宇宙真的是从一片虚无中产生的吗?生命与医学

图为在宇宙膨胀过程中、宇宙结构形成过程的模拟图像,描绘了引力在富含暗物质的宇宙中一连数十亿年的增长过程。图中的细丝和团簇主要在暗物质作用下形成,普通物质起到的作用很小。

如今的生命全都由复杂分子构成,这些分子又由元素周期表中的原子构成,与宇宙中所有普通物质所用的是同一批“原材料”。但宇宙并非生来就有这么多原子,而是在经历了多轮恒星诞生和死亡、每一次核反应的产物不断循环利用后,才逐渐达到今天的局面。若没有这一过程,就不可能出现行星和复杂的化学反应。

要想形成现代的恒星和星系,首先需要引力将较小的星系和恒星团拉拢到一起,形成更大的星系,激发新恒星的形成。这就需要该区域借引力之手收集一定的质量;这就需要暗物质提前围拢、形成一个环,防止恒星形成过程中将这些物质反弹出去;这就需要普通物质、暗物质和辐射之间达到一定的平衡,形成宇宙微波背景,需要较轻元素在大爆炸中形成、并且已经达到所需的丰度和分布规律;这就需要宇宙产生初始波动、或者说密度上的瑕疵;而这就需要找到这些瑕疵的形成方式、以及初始暗物质和普通物质的形成方式。

这些都是宇宙大爆炸初期所需的“基本原料”。除此之外,我们还需要物理法则、时空、以及物质和能量,这些原料都需要以某种方式实现从无到有才行。

所以简而言之,要想回答宇宙能否从无到有的问题,首先要揭开以上这些未解之谜才行。

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超新星爆发残余(左图)和行星状星云(右图)都可以将恒星中经过“焚烧”的重元素回收到星际间介质中、供下一代恒星和行星所用。重元素对生命的形成不可或缺,很难想象假如宇宙中缺少这些重元素、智慧生命要如何形成。

要想弄清宇宙中物质的量为何多于反物质,我们必须回溯到宇宙的最初阶段,也是物理法则充满不确定性的一个阶段。就我们所知,物理法则在物质和反物质之间存在一定意义上的对称关系:我们创造或观察到的每个反应,用等量的反物质也可以实现。虽然在宇宙极其炽热和致密的初始状态下、物质和反物质的量可能同样丰富,但宇宙后来一定通过某种方式、形成了如今物质/反物质不对称的局面。

这一结果有多种解释,不过我们并不确定早期宇宙真正经历的是哪一种。无论是何种情形,都离不开以下三个要素:

1、一系列失衡条件,这在不断膨胀和冷却的宇宙中会自然而然地发生;

2、与重子数量相违背的相互作用;

3、产生足够的C与CP破坏(C指电荷共轭,P指宇称)、以此形成足量的物质/反物质不对称性。

标准模型虽具备上述全部要素,但还不够。如果将刚开始具有物质/反物质对称性的宇宙视为“空无一物”,那么宇宙一定是从无到有、凭空创造出了后来的各种事物,尽管我们并不明白这究竟是如何发生的。

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如果具备合适的大统一理论特性,数量相等、完全对称的物质和反物质玻色子也可以形成在现今宇宙中观察到的物质/反物质不对称局面。这种解释算不上完美,但我们也不确定真相究竟如何。

产生暗物质也有许多可行的方式。我们从大量测试和搜索工作中了解到,无论暗物质究竟为何物,都不可能含有标准模型中的任何粒子。不管暗物质的真正本质是什么,都涉及到我们目前尚不了解的物理法则。但创造暗物质的方法倒是有很多,比如在炽热的早期宇宙中在热作用下形成,但后来并未彻底湮灭,而是以稳定状态一直保留了下来;或者在宇宙膨胀和冷却的过程中通过物相变化自发形成;或者以新型中微子的形式出现;又或者是一种单纯的引力现象,这种方式可以形成超大质量粒子(比如WIMPzilla,巨型弱相互作用大质量粒子)。

但如今的宇宙就算没有暗物质,似乎也过得挺好,那暗物质存在的意义又是什么呢?在此前从未有过暗物质的情况下,暗物质的凭空诞生一定有其原因。无论暗物质通过上述哪种途径产生,都需要耗费能量。这些能量又从哪里来?根据宇宙暴胀理论(关于宇宙大爆炸起源的最流行理论),暗物质也许还真是凭空产生的。关于这一点,我们还需要多解释几句。

说到宇宙大爆炸初期,你脑海中想到的一定是某种极为稠密、高能、并且极其均匀一致的状态。如果有人问起:“这究竟是如何达成的?”我们一般有两种对策。一种可以借用LadyGaga的歌名来回答——《天生如此》:宇宙生来就具有这些特性,我们把它们称作“初始条件”就好,不需要进一步解释。但在理论物理学家看来,这种解释无异于举手投降。或者我们也可以采用理论物理学家最擅长的做法:尝试建立一套能够解释这些初始条件的理论机制,梳理出异于标准的预测结果,再对关键参数进行度量。

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早期宇宙中的过度致密区域会随着时间的流逝不断“生长”,但该过程一方面受自身初始大小限制、另一方面也受高能辐射限制(防止天体结构生长过快)。第一批行星过了数千万年、甚至数亿年才出现,但早在此之前,宇宙中就已经存在物质团块了。

宇宙暴胀理论就是采用第二种方法得到的结果,极大改变了我们对宇宙形成方式的认知。该理论并未将“炽热致密”的前身推断为一个无限炽热、无限致密的奇点,而是指出:“也许在大爆炸发生前的一段时期内,空间本身的能量密度极大,导致宇宙以极快的速度迅速暴胀。在暴胀结束后,这些能量转化成了物质、反物质和辐射,我们所熟知的大爆炸就是这么产生的。”

在以这种方式形成的宇宙中,不仅温度统一、空间均匀,还能预见到我们如今观察到的密度波动。凭借这一自然过程,整个可观测宇宙都从空无一物的空间中就此产生,并逐步演化出了我们如今所见的各种天体结构。

这应当是“宇宙如何从无到有”这个问题最好的解释了,但并非所有人都愿意接受这种说法。在许多人看来,宇宙中有时空、有物理法则、有基本常数、还有空间自带的非零场能量,似乎与“空无一物”的概念相去甚远。毕竟我们完全可以想象出一个在空间之外的地点、一个超越时间限制的时刻、一组不存在任何实际物理限制的条件。并且这些想象至少在哲学上是完全说得通的。

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我们如今观察到的宇宙始自一场大爆炸,即某种极其炽热、致密、均匀、不断膨胀的状态,具有一系列特定的初始条件。但要想弄清大爆炸究竟如何产生,我们千万不能假定大爆炸就是宇宙的绝对开端,也不能默认“我们无法预测的事情必定无法解释”。

但哲学层面上的“虚无”和物理定义的“虚无”之间还存在区别。2018年的一篇论文指出,目前对于“虚无”已经有了四种科学定义,并且在对应的情境下,每种都很合理:1、一段不存在任何我们所理解的“物体”的时间;2、空无一物的物理空间;3、在能达到的最低能态上空无一物的时空;4、将整个宇宙和主宰宇宙的各种法则移除后剩下的一切。

如果我们使用前两种定义,那么完全可以说“宇宙是凭空产生的”,用第三种就不行。对于第四种,我们掌握的信息还不够多、无法做出判断。除非我们能找到一套新的物理理论、能够描述宇宙之外和目前物理法则范围之外的事物,从物理上就无法定义什么叫真正的“虚无”。

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量子尺度上的时空波动会在宇宙暴胀过程中被大幅拉伸、跨越整个宇宙,形成密度瑕疵和引力波。虽然暴胀过程中的太空从很多层面上都可以被视作“空无一物”,但并非人人都同意这种说法。

在物理学层面上,很难弄清什么叫绝对的虚无。到底什么叫“时间和空间之外”?时间和空间又怎样才能以一种合理的、可预见的方式从无到有、凭空出现?如果没有时空,就无法定义时间或地点,那么时空又怎样才能在特定的时间或地点上出现?主宰量子的法则又要从哪里来呢?

如果我们接受了物理学上对“虚无”的定义,那么我们如今所知的这个宇宙在很大程度上的确可以说是凭空产生的。但如果将各种物理限制考虑在内,这个最初的宇宙起源也就无从谈起了。

然而,宇宙暴胀已经抹去了可观测宇宙出现前可能留下的全部证据。虽然想象是无限的,但我们只能在物理现实的基础上、以及能开展测试的前提下得出结论。无论其它想法在逻辑上是多么可行,都只能停留在思维层面而已。

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