诞生宇宙的量子蛋
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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。
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