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在無限長的時間中難道就只有這個空域,爆炸出我們這個宇宙嗎?


- 2018年6月14日08時26分
- 科學文摘 / 獨品一鳴

獨品一鳴

我們的宇宙有邊嗎?

在無限長的時間中難道就只有這個空域,爆炸出我們這個宇宙嗎?圖片

在無限長的時間中,難道就只有這個空域,爆炸出我們這個宇宙嗎?從邏輯上推理,應該有無數的宇宙與我們為鄰。物理學界夢寐以求的萬物論,能解釋宇宙萬物和我們自身。


真是所謂大智若愚,一隻成熟了的蘋果從樹上掉下來,從沒有人對此產生疑問,唯獨大物理學家牛頓對此卻百思不解。

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最終他悟出了萬有引力定律,並提出了引力公式。牛頓的力學體系(包括引力)至今還在應用。無疑,這意味著物理學與天體、宇宙等有著千絲萬縷的關係。但是牛頓所處的時代,人類的知識積累還不足以產生科學的宇宙論。在牛頓看來,這個宇宙一定是靜態的,即過去是這樣,現在和將來也還是這樣。那麼這個宇宙是無限的還是有限的?這個問題一直讓牛頓陷入困惑之中。牛頓說:「我站在宇宙的邊上,然後伸出手臂,再跨出一步,站在手臂伸出之處,如此一直下去……那麼它豈非無限的嗎?若它是無限的,那麼它所包含的熱量,早該耗散得無影無蹤了,怎麼還含有太陽,且還有生命?」

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300年過去了,1910年愛因斯坦的廣義相對論問世。這是一個普適性的引力理論。牛頓的引力理論,只是相對論中的一個特例。物理學家終於在相對論的基礎上產生了大爆炸宇宙論。到了20世紀60年代,它獲得了三個重要的天文觀測支持;以後,又獲得了「暴脹論」的補充。這樣,它就成為當今宇宙學的主流思想。

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那麼,我們的宇宙有邊嗎?宇宙學家說,約在140億年之前,空間中一個無限高密、高溫的點突然爆炸,能量和物質井噴而出,空間隨之膨脹,溫度也逐漸冷卻,迄今已降至3K(K為絕對溫度,0K對應為-273℃)。由於物質的引力吸引,故空間膨脹的速度將日益減小。由此可知,這是一個動態宇宙,當然無邊可談。

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1988年,宇宙學界有了一個大突破,它不是來自理論,而是出於觀測。原來我們的宇宙膨脹,不是像一些理論家所預言的那樣,其膨脹的速度在加快!那麼,是什麼東西在推動它呢?原來在真空空間中還有一種密度很低的能量,即所謂的暗能量(或稱宇宙學常數),具有斥力,但其特性迄今尚未徹底搞清。

現在再讓我們回到宇宙誕生的問題上。空間既然如此地真空,那它怎麼會無中生有呢?理論家用最小(量子)解釋了最大(宇宙)。研究微觀粒子性質的量子論認為,真空空間平均來說,是一無所有的真空,可是真空中隨時、隨地都有粒子(或能量)湧出,又瞬間回到真空,這就是所謂的量子起伏(它有多種形式)。若粒子湧出時,正好碰上了暴脹這個「接生婆」,極高密度的物質就噴涌而出,變成了我們的物質世界。

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在無限長的時間中,難道就只有這個空域,爆炸出我們這個宇宙嗎?從邏輯上推理,應該有無數的宇宙與我們為鄰。這一多宇宙思想最初僅是少數理論的推論,但隨著暗能量的被發現,以及一個被稱為弦論理論的進展,這一理論開始被許多人看好,認為它可能成為物理學界夢寐以求的萬物論,能解釋宇宙萬物和我們自身。

20世紀早期,天文界曾把銀河系視作整個宇宙,今天知道,在我們的宇宙中包含著2000億個星系。而今科學界又跨出一大步,原來我們的宇宙只不過是宇宙系中的一個小點。

俄國物理學家A·林德是多宇宙論的支持者,20世紀80年代,他發展了暴脹思想。他說,在大爆炸創生後不到一秒鐘的時間內,宇宙經歷了一個指數級的極高速膨脹(即暴脹)時期。暴脹成功地解釋了為何宇宙從各個方向看去是十分一致的,為何時空是如此「扁平」,而按愛因斯坦的看法,它應該是彎曲的。

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林德認識到,暴脹或許是偶然的,也可能是「永遠」的。因此,一旦時空開始暴脹,它可能在某個區域(諸如我們宇宙)停下來,而在別處重新啟動更猛烈的暴脹,這種過程將持續到無限,從而拼湊出一個具有不同特性區域的時空。在某一區域,暴脹在何時和如何停止,這兩點決定了那裡的基本粒子的確切類型和特性,以及控制它們行為的物理定律。另一方面,弦論預言,永恆的暴脹將產生各種可能類型的宇宙。

暗能量被發現後,物理學家希望從這個最原始的東西中推斷出我們宇宙中基本物質(如電子)的性質,以及解釋為何物理定律是這樣的,且正好適合於恆星、星系的形成,甚至生命的出現。可是事情並非如此。

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若我們的宇宙是多宇宙世界中的一員,那麼我們可能會把宇宙的各種特性(諸如電子質量)歸諸於一個偶然性,而我們碰巧生活在一個適於生命存在的地方。

由於弦論也是支持多宇宙論的。弦論與傳統物理理論大不一樣,它認為空間有十維,而所有的物質粒子和自然力(電磁力、引力、強和弱力),皆處於甚細弦的震動。我們迄今並未見到過額外的六維,它們必是捲縮起來,小到探測不到的程度。幾十年來,科學家一直在研究究竟有多少種不同的時空類型,結果令人驚訝,竟有10500個以上的類型。

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每一種類型皆給出不同的時空真空特性,因此不同的宇宙有自己的真空能(即暗能量)、基本粒子和物理定律。一些研究者期望,有某種唯一性的原理能把我們宇宙從無數的宇宙中挑出。可是這種期望變得日益渺茫。史丹福大學的A·塞斯根等人研究了弦論後說,時空的所有理論類型都應為真實物理實體,也即無數的宇宙,塞氏為了便於描述大量的宇宙,即把它們稱之「弦論的景色」。

塞氏說,「唯一性」已經被拋棄。也許我們永遠也無法解釋,為何我們的宇宙是這個模樣。但我們並非無所作為,我們可在多宇宙論的範圍內提出有意義的問題,諸如,能否在「景色」中指認出,對應為我們宇宙的那個點;同樣,我們是否能從「景色」中找到永恆暴脹的起因。


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這些絕不是繁瑣的小事,這是弦論理論家面對的挑戰。可是10500這數字是個什麼概念,著名物理學家溫伯格說,我們宇宙中的原子數目還沒有這麼多!

最重要的突破是已研發出「景色」的數字模型,它把「景色」描繪成峰和各種地形,在這裡,它們各代表一個具有自己特性(諸如電子質量、引力場等)的空域。

一個宇宙如何按照這一地形來演進,這就是該模型要說的事態。當一個宇宙從時空的一個斑點暴脹,這個嬰兒宇宙充滿了傷,若暴脹條件已成熟,他即暴脹,該斑點急速長大,並改變其原有的性質。

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按照「景色」模型,嬰兒宇宙始於一個谷,受量子起伏而使整個宇宙(此時還很小)通過鄰近的峰,最終止於不同特性的其他的谷。宇宙從這一谷到那一谷,這一進程將持續著,直至一個可使暴脹走完全程的穩定區域。

這個模型可歸結為一個結論,即「景色」中具有永恆暴脹。而在林德的暴脹理論中,宇宙的暴脹始於高能量密度,隨著時空的迅速膨脹,能量密度隨之下降。我們的探索是要在10500個宇宙中找出跟林德的暴脹要素相匹配的那個時空形態。這豈非開玩笑嗎?科學界一直來認為這是做不到的。但最近出現了希望,史丹福大學的A·惠斯胱泛等人,指認出景色中有一個區域適合林德的暴脹。

但又如何證明,這一發現是正確的呢?關鍵是實驗,這不僅是對惠氏而言,而且對任何理論皆如此。前面談到,大爆炸理論得到三個天文觀測的支持,其中的一個被認為是3K微波背景輻射中留下的記印,且是可測到的。歐洲空間局的普朗克衛星就為此而發,相信不久,它將會探測到具有結論性的結果。

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再說弦論也預言多宇宙世界,遺憾的是,這些預言皆處在試驗的(能量)範圍之外。但弦論的一個關鍵性質,可能不久即可被驗證:弦論認為宇宙具有所謂超對稱性,這意味著,每一個已知基本粒子,都有一個更重要的超對稱夥伴粒子,可是迄今沒有人見到過。物理學界希望在大型弦子對撞機中找到這些夥伴粒子。該機建造在日內瓦附近的歐洲核子研究中心,它為我們增添了一個人工驗證的手段。

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