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标准大爆炸论描述了我们的宇宙,从核物质密度的状态中爆发出来,以后一直在膨胀。若我们把这个膨胀倒退回去,随着时间的后退,追踪宇宙的演化,那么,约在150 亿年前,所有的一切皆必集于一个单一的、无限密实的点上,数学上称之奇点。宇宙学家把这一创生瞬间搁在一边,而来考虑宇宙如何从超密态中演化出来。科学上的一个伟大成就,是对奇点后 1秒钟以来,所发生的一切作出描述,这一瞬间前宇宙处于无限密实和高温状态,是现代物理学所无能为力的。此时的密度和温度,已分别下降了;标准模型解释了25% 的原始氢,如何从大爆炸中转变成氦,为何宇宙弥漫着温度在3K之下的微波辐射以及其他一些问题。但标准模型无法解释创生本身——一个极密极热的宇宙,如何在 1秒的岁数上创生出来。在探索这一奥秘中,理论家考虑到这种可能性:我们的宇宙,只不过是无数宇宙中的一个。这一思想和黑暴胀概念相关。标准模型难以解释宇宙中的平滑性和均匀性,而暴胀说却迎刃而解。暴胀开始于一个瞬间,当时整个宇宙只有一颗基本粒的大小,由于短暂的量子起伏能无限扩大,从而出现了按指数性急剧膨胀的暴胀,它为从无(真空)中生有(宇宙)提供了一条途径,这听上去像神话,但量子论的测不准原理确实导致了这种结果。该原理说,在微观世界,我们能精确地测定一粒子(如电子)的位置,但却以测不准其动量为代价,反之亦然。这相当于说,我们了解一辆汽车的速度,可是却无法确定它在那里?这并非荒谬?(幸亏这仅发生于粒子世界)量子说的奠基人海森堡说,这个“测不准”并非测量技术的问题,这是一条自然法则。我们把诸如位置动量这样的,显现量子行为的一对物理量,称为共轭变量,能量和时间组成另一对共轭变量。量子论精确地定义能量(E)和时间(T)之间的关系,据此,能量可在微小的真空空间中出现,只要它能很快消失,以致没有时间来觉察这一过程。这就延伸出一个重要的结论,因据爱氏的相对论,质量(m)和能量(E)是等价的。故测不准原理认为,在微小空间中,能出现物质,只要它很快消失。例如,现在人们知道,电子和正电子从真空中暴出存活极短的间隙而相互湮灭。此般粒子称为云粒子,它们的存在,解释了带电粒子间的电磁力作用。若无云粒子,理论跟观察就不吻合,在此意义上,云粒子可视为“真实”。真空中的量子起伏是一个量子水平上的事件,它怎么能暴出含有如此大量物质(质量)的宇宙呢 ?理论家说,引力场中含有能量,若以物质(也即能量)所表示的能量为正,则引力能为负,宇宙总的引力能与其总的质量能必相等,故宇宙的净能为零。因此,所有一切皆通过量子起伏,从零无中涌出也就不奇怪了。既然我们的宇宙(一个质能论)当真从零无中涌出,并经暴胀生成完整的宇宙,那么类似的过程也可在其他空间出现吗? 是的,应该是那样。从测不准原理的观点来看,在这时间的长河上,浮着无限的质能论,我们这个理论,只是其中之一,遗憾的是,理论与理论之间无法互通信息!多宇宙论无疑是现代宇宙学的一个进展,它兴起于80年代后期。在这一领域中近来出了一位新秀——维仑金,他从宇宙学的业余爱好者,变成了宇宙学家,他的观点使得像霍金(被誉为爱因斯坦第二)、古斯(暴胀论创立者)这样的人物,都为之刮目相看。他提出了平凡原理。我们宇宙是众多中的一个,现在要问,它为何具有这些特征,这里指的是一些基本自然常数:光速、电子电荷、夸克质量等,它们形成物理学的基础,也用以界定我们的宇宙。要知道,这些常数对恒星的形成,生命的产生,都是十分关键且敏感的,也就是说,这些常数的值稍有变化,恒星不会形成,更谈不上你、我、他的存在了,但在这里还未包括令理论家深感头痛的宇宙常数。宇宙常数来得也蹊跷,当爱氏把广义相对论方程应用于宇宙学时,使他陷入困境,因为物质的引力吸引,势必造成宇宙的塌缩,于是他在方程中添上一个带正号(因引力能为负)的宇宙常数(表示斥力),以使宇宙保持平衡而处于静态( 这是当时科学界的共识 ),但1927年哈勃发现了宇宙在膨胀,根本不需要这个人为的斥力了。故爱氏把宇宙常数称为“我一生中最大的错误。”半个多世纪以后,现代宇宙学家为宇宙常数平了反,它不但不多余,且地位重要,其值的大小甚至可决定我们宇宙是否存在;它的含义已不再像过去那样模糊,而是我们宇宙真空能量密度的一种量度。一些物理学家计算出的宇宙常数值是一个大的正值,这将引起很大的反引力,使宇宙膨胀达到碎裂的程度;一个大的负值,将使宇宙有一个奇怪的曲率,当你从窗口朝外看时,竟可看到房子的内部,显然跟实际不符。物理学家已认识到,期望值与观察值之间有个很大的距离,这说明有某种尚未知晓的原因,正在使该常数值下降;若有某种因素使此常数从一个可疑的高值,降到十分接近于零,那么此常数必为零。因在他们看来,零与一个小数相比,则零更具有本质的意义。但是维仑金的想法却不然,他认为一个小数更可取。如何解决这个问题,维氏借用了宇宙学中的“人择原理”。
科技日报 2012年04月03日 星期二本报记者 常丽君 综合外电http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/04/201204031347_358918_1644522_3.jpg 1998年,科学家发现宇宙的膨胀有一个加速度,因此提出了暗能量的假设,作为这种加速度的动力。但直到现在,人们也不清楚这种暗能量到底是什么。对一些科学家而言,与其说它是个答案,不如说它是个问题。有人说暗能量只是标准宇宙模型中的专用概念,缺少其他物理含义,他们一直在为宇宙的加速膨胀寻找新解释,而替代暗能量的另一种假说就是反万有引力,这种反引力来源于隐藏在虚空中的反物质。 宇宙巨洞的反物质 宇宙巨洞(Cosmic voids)是指宇宙大尺度结构上的物质稀薄区域,含有很少或完全不包含任何星系。意大利国家天体物理学院科学家马西莫·维莱特说:“人们能清楚地观察到宇宙巨洞,这是我们宇宙中最大的组成结构。但它们是否真是空的?还是包含了具有反引力性质的反物质?”他在近期出版的《天体物理和空间科学》上发表论文,提出在这些巨大的空洞中可能隐藏着反物质,反物质和物质由于万有引力互斥作用而分离开来。根据广义相对论预言,物质带有正引力荷,反物质带有一种假设的负引力荷,而万有引力的相互作用是同性相吸,异性相斥,因此物质和反物质之间存在万有引力互斥作用。 根据维莱特的计算,物质和反物质之间的引力互斥非常强,足以造成宇宙的加速膨胀,从而不再需要暗能量和暗物质。 这种假设在理论上能解释一些无法用暗能量来解释的观察现象:宇宙的膨胀速度并不均匀。最近,科学家观察到一种运动异常的“局部层”,是包括银河系及其他附近星系的宇宙部分,这一局部层的速度和宇宙其他部分明显不同。 天文学家已经找到了3种推动局部层运动的因素:一是附近稠密的室女星系团的吸引力;二被认为是人马座星系团的吸引力,但这一点还不太确定;第三正是造成这种“局部速度异常”的力,因为这种力并没有朝向任何明显的结构。它和前两种吸引力明显不同,很可能是反引力。为了证明这一点,维莱特指出,位于局部层和吸引区之间的Leo Spur星系,相对于这种运动好像是静止的。因此第三种力可能是来自相反方向,对局部层的作用是推斥而不是吸引。据他推测,在某个巨洞中存在一种合理的反物质,由于互斥的万有引力作用,造成了局部速度异常。 这样一来,反物质可能作为一种类似暗能量的东西,在宏观尺度上,大量的反物质巨洞会推动宇宙膨胀而不需要暗能量,甚至可能连大爆炸也不需要。这一新理论还暗示了,我们的宇宙具有等量的物质和反物质,正像标准宇宙模型所预期的那样。 量子真空的虚粒子 在过去几年中,欧洲核子研究中心(CERN)物理学家德拉根·哈杜科维克也在研究一种被忽略的宇宙部分:量子真空。他认为,量子真空中有一种万有引力荷,来源于虚粒子和虚反粒子之间的引力互斥。 此前,他已经论证了这种反引力能解释包括暗物质效应在内的一些观察现象,还暗示了我们生活在一个无需大爆炸的循环宇宙中。此外,这一假设还能帮人们进一步了解黑洞的性质,判断中微子物质。他发表在《天体物理和空间科学》上的最新论文还证明,量子真空还能解释宇宙的加速膨胀,也不需要暗能量。 “量子真空是60多年前提出的理论预测,现在已有明显的实验证据证明量子真空存在。而物质和反物质之间存在万有引力互斥作用,这一假设早在一个多世纪前就已提出。”哈杜科维克说,“我决定把量子真空这一事实和反粒子的负引力荷这一假设结合起来,结果令人吃惊,基于这种框架很可能解释宇宙的加速膨胀。” 哈杜科维克的解释和马西莫·维莱特的理论相似,量子真空中的万有引力来自正反物质之间的引力互斥。物质带有正引力荷,反物质带有负引力荷,同样是同性相吸,异性相斥。不同的是,维莱特认为,带负引力荷的反物质存在于巨洞中,而不是量子真空。尽管量子真空中不含有真实的物质和反物质,但虚粒子和虚反粒子会成对地刹那生灭,变成万有引力双极子。 “如果粒子和反粒子有着相反的万有引力荷,当万有引力场足够强时,就能将虚粒子对转化为真实的粒子对。”哈杜科维克说,“这并非新提出的假说,而是施温格量子场论的结论。” 哈杜科维克也计算了量子真空中的万有引力双极子的能量密度,是宇宙常数的某个数量级,或者说是造成宇宙加速膨胀的力的某个数量级。宇宙大约在达到目前大小的一半时,开始加速膨胀,只比标准宇宙模型预测的略早一点。但哈杜科维克的量子真空模型和标准宇宙模型之间也有明显不同:前者预测膨胀的加速度在减小,而后者预测加速度在增大,这种差异使得二者预测的宇宙命运截然不同。 实验检验有难度 “科学家认为,暗能量是均匀一致地遍布于宇宙中,这样才能解释宇宙的整体加速。但它既无法解释局部层强大的反引力效应,也不能解释局部巨洞的极度虚空和银河系以外的某些性质。”维莱特说,“而提出在局部巨洞中存在反物质的暗斥力,解释了所有这些情况。而且从整体上讲,隐藏在全部宇宙巨洞中的反物质,也解释了整个宇宙的加速膨胀以及其他宇宙特征,不需要暗能量,也不需要各种离奇的大爆炸之初。” 维莱特设想通过反引力透镜实验来进一步验证他的观点。“基本上,如果我们有一张高质量的远离巨洞的星系群三维图,就能更容易分析它们中的某些星系在视线轮廓上是否有被缩小的情况,这表示它们和间隔巨洞中的大型反物质体在一条直线上。”但这种实验会很困难,因为同时还有一种干扰效应,会让辐射状星系看起来严重扭曲:由于异常运动会影响红移检测,也会使星系群的视线轮廓收缩,而反引力透镜会让它更加缩小,要把这两种情况区别开是非常困难的。 哈杜科维克也表示,量子真空结合反物质的负万有引力荷假设,有望解释天体物理学和宇宙学中的观察现象,不需要引入暗物质和暗能量、膨胀的神秘机制,以及物质—反物质不对称。“欧洲粒子物理研究所的AEGIS实验将通过反氢原子揭示反物质是否带有负引力荷,加州大学河滨分校也在研究电子偶素(一个电子和一个正电子组成的类原子系统)的万有引力性质。如果这是真的,将开启新一轮的科学革命。”
宇宙诞生之前,没有时间,没有空间,也没有物质和能量。大约150亿年前,在这四大皆空的 “无” 中,一个体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始,物质和能量也由此产生,这就是宇宙创生的大爆炸。 刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的,随着宇宙的迅速膨胀,其温度迅速下降。最初的1秒钟过 后,宇宙的 温度降到约100亿度,这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的一锅基本粒子汤。随着这锅汤继 续变冷, 核反应开始发生,生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块,并逐 渐演化 成星系、恒星和行星,在个别天体上还出现了生命现象。然后,能够认识宇宙的人类终于诞生了。 这幅大爆炸图景,是目前关于宇宙起源最可能的一种解释,被称为“大爆炸模型”。大爆炸理论诞生 于20年代,在40年代由伽莫夫等人进行补充和发展,但一直寂寂无闻。直到50年代,人们才开始广泛注 意这个理论,不过也只是觉得它很好玩,并不信服。人们更愿意认为,宇宙是稳定的、永恒的。 但是,越来越多的证据表明,大爆炸模型在科学上有强大的说服力。我们不得不相信,宇宙有一个开始,也将有一个终结。它产生于“无”,也终将回归于“无”。 宇宙:可有始,可有终? 在人类历史的大部分时期,有关创世的问题,一向是留给神去解决的。宇宙起源于何处?终点 又在哪里?生命如何产生?人类怎样出现?对这些疑问,许多宗教都能给出一份体系完备的答案。至于 上帝从哪里来,这种问题是不该问的。 直到最近几个世纪,人们才开始学着把神撇开,以超越宗教的角度,去思考世界的本源。这样 一来, 就有一个重大的原则性问题需要解决:宇宙是永恒存在的,还是有起始的? 这两种说法长久以来一直困扰着科学家、哲学家和神学家,对于普通人来说,更是难以理解。 假设宇 宙在时间上没有起源,即过去一直存在,那么宇宙的年龄就是无穷大了。无穷大这个概念,一听 就让人 头昏脑胀:既然是已经过去了无穷久的时间,我们的“现在”又是什么呢?而如果说宇宙是有起 始的, 那么它就是从“无”中突然产生的了,这最初的一刹那,又是怎样呢? 凭着人类在短暂的生命中获得的常识,实在是很难想明白这些东西。不过,我们可以从科学上寻求一些佐证。大爆炸模型的一个基本假设是宇宙的年龄有限,这个说法令人信服的直接理由,来自物 理学中 一条最基本的定律——热力学第二定律。这条科学史上最令人伤心绝望的定律,冥冥中早已规定 了宇宙 的命运。 简而言之,第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方。对任何物理系统,这都是众所周知并 且显而 易见的特性,毫无神秘之处:开水变凉,冰淇淋化成糖水。要想把这些过程倒过来,就非得额外 消耗能 量不可。就最广泛的意义而言,第二定律认为宇宙的“嫡”(无序程度)与日俱增。例如,机械 手表的 发条总是越来越松;你可以把它上紧,但这就要消耗一点能量;这些能量来自于你吃掉的一块面 包;麦子在生长的过程中需要吸收阳光的能量;太阳为了提供这些能量,需要消耗它的氢来进行核反 应。总之 宇宙中每个局部的嫡减少,都须以其它地方的嫡增加为代价。 在一个封闭的系统里,嫡总是增大的,一直大到不能再大的程度。这时,系统内部达到一种完 全均匀 的热动平衡状态,不会再发生任何变化,除非外界对系统提供新的能量。对宇宙来说,是不存在 “外 界”的,因此宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全死亡,万劫不复。这种情景称为“热寂”。 宇宙正在缓慢地、但坚定不移地走向这无法抗拒的命运,几代智者为此怀疑人类的存在是否有 意义。 暂且撇开这种沮丧的情绪,作一个简单的推理,我们就可以发现,宇宙不可能有无限的过去。很 简单, 如果宇宙无限老,那它早就已经死了。以有限速率演变的东西,是不可能永远维持下去的。换句 话说, 宇宙必然是在某个有限的时间之前诞生的。 大爆炸:有推论有根据 第二定律明示了宇宙有起始,但这个重要推论竟然被19世纪的科学家忽略了,它只是在后来成 为大爆 炸模型的佐证。该模型的提出,是基于20世纪初的天文观测。 20年代,天文学家埃德温哈勃注意到,不同距离的星系发出的光,颜色上稍稍有些差别。远 星系的 光要比近星系红一些,即波长要长一些,这种现象被称为“哈勃红移”。它说明,各星系正以很 高的速 度彼此飞离。一列火车快速驶远时,它的汽笛声听来会沉闷很多,因为声波相对于我们的频率变低、波 长变长了,这就是多普勒效应。把声波换成光,产生的效果就是红移。哈勃对众多星系的光谱进 行研究 后确认,红移是一种普遍现象,这表明宇宙正在膨胀。这一发现,奠定了现代宇宙学的基础。