诞生宇宙的量子蛋
(全文约2000字,看完需5分钟)
宇宙是如何诞生的?这是一个永恒的谜题,也是一个科学家们一直在探索的问题。宇宙的起源究竟是什么样的?我们能否用物理学的规律来描述它?今天,我们来回顾一下引领了宇宙大爆炸模型的一些重要思想,这是一种非常成功地描绘了宇宙早期历史的尝试。有趣的是,这一切都始于一个宇宙之“蛋”,不过它是一颗量子蛋。

1929年,爱德温·哈勃发现了星系之间正在远离彼此的事实,这为新时代的宇宙学奠定了基础。在这个时代,宇宙学家们认识到,宇宙有着自己的历史,甚至有着一个遥远的开始。这个结论是从哈勃的发现自然而然地推出来的:
如果星系现在正在分离(我们说它们在后退),那么也许在宇宙过去的某个时刻,它们曾经“堆叠在一起”,所有的物质都被挤压到一个微小的体积里。把这个体积推到极限,它就变得和物理学能够想象的任何东西一样小。当然,我们也有理由相信,在这个极端的层面上,存在着我们还不知道的规律。
不久之后,在1931年,比利时神父兼宇宙学家乔治·勒梅特尔在一篇文章中推测,这个初始事件——宇宙的开始可以被模拟为一个单个物质量子的衰变。一个原始的微粒孕育了一切。勒梅特尔说:
“如果世界是以一个单一的量子开始的,那么空间和时间的概念在开始时就完全没有任何意义;只有当原始量子被分成足够多的量子时,空间和时间才会有一个合理的意义。”
在勒梅特尔的描述中,宇宙的初始状态是没有空间或时间的。勒梅特尔暗示说,也许这个初始量子就像一个“独特的原子”。这个高度不稳定的原子“会通过一种超放射性过程分裂成越来越小的原子。这个过程的一些残余可能……促进了恒星的热量,直到我们低原子序数的原子使生命成为可能。”他在这篇非常短的文章中以一个惊人的洞察力结束:“世界上所有的物质必须在开始时就存在,但是它要讲述的故事可以逐步写下来。”
总结一下勒梅特尔的论点,就是有一个初始状态,它超出了空间和时间正常描述之外,有点像一个无时无刻的量子原子,这个量子原子自发地开始衰变成更小的原子,或者说量子碎片。时间是变化的衡量,它只有在原子衰变时才开始流逝。空间随着碎片远离它们的祖先而增长。一些热量或辐射在衰变过程中产生。
这就是勒梅特尔所说的“超放射性过程”,也就是我们今天所说的宇宙大爆炸。这个过程并不是一个真正的爆炸,而是一个极快的膨胀,把原来紧密相连的物质和能量分散到越来越大的空间里。这个膨胀仍然在继续,正如哈勃所观察到的那样。
勒梅特尔的想法非常有创造力,但也有一些问题。首先,他没有解释为什么初始量子会开始衰变,或者说为什么宇宙会开始存在。这可能是一个超越科学范畴的问题,因为科学只能描述已经存在的事物,而不能解释为什么它们存在。其次,他没有给出初始量子或其衰变产物的具体性质,也没有给出任何数学方程来描述这个过程。他只是提出了一个定性的图像,一个启发性的比喻。
不过,勒梅特尔的思想为后来的宇宙学家们提供了一个重要的灵感来源。他把宇宙的起源联系到了量子物理学,这是当时最前沿的科学领域之一。他认识到,在极端条件下,物质和能量会表现出奇异和非直观的特征,而且空间和时间也会失去它们平常的意义。他还强调了宇宙历史中不同阶段之间的联系,从最初的高温高密度状态到现在的低温低密度状态,从最简单的元素到最复杂的生命形式。
勒梅特尔可以被称为宇宙大爆炸模型的先驱,虽然他自己并没有用这个术语。这个术语是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔在1949年创造的,当时他在一次广播节目中嘲笑了勒梅特尔和其他支持这种模型的人:
“这些人认为世界是从一个原始状态开始的,你可以想象成一个巨大爆炸。”霍伊尔本人并不赞同这种模型,他更倾向于一种稳恒态理论,认为宇宙没有开始或结束,而是一直保持不变。
然而,随着更多的观测和理论证据支持了大爆炸模型,霍伊尔的嘲讽反而成了这个模型最流行的名称。虽然这个名称有些误导人,但它确实传达了一种强烈的视觉印象:一个从无到有、从小到大、从热到冷、从简单到复杂、从无序到有序、从死寂到生机勃勃的宇宙演化过程。
宇宙大爆炸模型并不是一个完美的理论,它也有一些困难和疑问。例如:
它无法解释为什么宇宙的初始状态是这样的,而不是别样的。它也无法描述宇宙最早的时刻,当物理学的规律还没有形成或者还不适用的时候。它还需要引入一些假设和参数来解释一些观测现象,比如暗物质、暗能量和宇宙的平坦性等。
为了克服这些问题,科学家们提出了一些修正或扩展的理论,比如暴涨理论、多元宇宙理论和弦理论等。这些理论都试图从更深层次或更广阔范围来解释宇宙的本质和起源。
然而,无论我们如何改进或修改我们的宇宙模型,我们都不能忘记勒梅特尔的最初的洞见:
宇宙是一个有故事要讲的实体,而这个故事是逐步写下来的。
我们作为人类,也是这个故事的一部分,也是这个故事的讲述者。我们正在用我们的智慧和想象力,去探索和理解这个故事,去发现和创造这个故事中的美丽和奥妙。我们也许永远无法知道这个故事的全部真相,但我们可以不断地接近它,不断地欣赏它,不断地分享它。
Marcelo Gleiser. The quantum egg that birthed the Universe. Big Think. 2023-04-19. https://bigthink.com/13-8/quantum-egg-birth-universe/Georges Lemaître. The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory. Nature. 1931-05-09. https://www.nature.com/articles/127706b0Edwin Hubble. A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1929-03-15. https://www.pnas.org/content/15/3/168Fred Hoyle. The Nature of the Universe: A Series of Broadcast Lectures. Basil Blackwell. 1950.Adam Frank and Marcelo Gleiser. The Big Bang: What Really Happened at Our Universe’s Birth? Scientific American. 2011-06-01. https://www.scientificamerican.com/article/the-big-bang-what-really-happened-at-our-universes-birth/
当前出现的机械小狗,会不会成为未来人类的宠物?(机械宠物)
机械宠物不能满足人们的感情需求当前有很多人都是希望能够养一个宠物的,比如说小狗或者小猫。就可以给一些人的精神生活增添不少的乐趣。但是现在却有很多的城市或者家庭不太适合养这些宠物,所以就有人突发奇想,可不可以打造出来一个机械宠物让人们去养育呢?这不也一样,都是一个宠物吗?但其实对于人类来说机械宠物其实和手机没有什么区别。我要新鲜事2023-05-15 07:30:020000窃蛋龙是否像所说的那样盗取其他恐龙蛋(并不是)
窃蛋龙并不是像所说的那样盗取其他恐龙蛋。在探索史前生物的神秘世界时,窃蛋龙这一独特的恐龙种类引起了人们极大的兴趣。自从1923年在蒙古戈壁滩上首次发现窃蛋龙化石以来,这种生物因其似乎与恐龙蛋有关的特殊行为而成为研究的焦点。窃蛋龙的名字来源于它的化石最初被发现时的情形——它似乎正在偷吃恐龙蛋。然而,随着更多的研究成果被公之于众,关于窃蛋龙生活习性的理解也在不断深化和修正。我要新鲜事2024-03-04 15:13:360000地球内部发生异常 地球核心正在进行反向自转(内地核)
科学家发现地球的自转方向已经出现反向,这是内地核周期性的反转造成的。他们对地球的研究进一步发现,内地核竟然出现了反向旋转,这一现象曾经让人们感到非常惊讶。地球的结构我要新鲜事2023-02-28 16:37:460003科学家认为人类并不是唯一生命体,百亿年前就诞生过其他生命
虽然目前人类才是宇宙中独一无二的生命,但有科学家提出过一个观点,在宇宙爆炸之后的八亿年左右时间,宇宙就曾经孕育过其他外星生命,不过这背后的真相还有待人们继续研究。我要新鲜事2023-05-14 20:04:240000微信彻底放开限制,免手机号也能注册小号
去年7月,不少小伙伴发现自己自己的微信多了个「注册小号」的功能。简单来说,就是一个手机号可以注册两个微信号。这波确实是一件好事儿。只不过当时这功能还处在内测阶段,许多人还体验不到。如今微信进一步扩大了这项功能的覆盖面。只要你的手机号绑定现有帐号2年以上,且1年内没有违规封号的记录,就能注册小号。如果是上述情况,系统也会弹出「暂时无法注册」的提醒。我要新鲜事2023-05-13 17:54:030000