我们的宇宙是怎么诞生的?是如何一步步演变成今天的样子?

国际初期是怎样的?又是怎么一步步演变成今日的姿态? 我们人类又是以何种姿态存在于这个国际呢?

宇宙初期是怎样的?又是怎么一步步演变成今日的样子? 我们人类又是以何种姿势存在于这个世界呢?

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时下

女孩子真的对 520 这个日子特别的在意吗,是一定要过的吗?

2022-5-21 7:06:00

时下

2022 年 MSI 季中冠军赛 RNG 1:0 EG,延续不败神话,如何评价这场比赛?

2022-5-21 7:06:02

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  1. 赵泠

    根据现有观测数据和理论,可观测宇宙约在138亿年前出现[1][2],误差范围约±2000万年;讨论“整个宇宙”或“多重宇宙”则目前无解,宇宙的不可观测部分的尺寸[3]与存在状况目前无法确定,其未必是通过和可观测宇宙类似的过程起源的。

    “产生我们这个宇宙”的事件,在古代叫做“神创造世界”,后来叫做“宇宙大爆炸”,在霍金他们那里则改为霍金-哈特尔无边界条件下的量子事件,在模拟宇宙论里叫做“模型开始运转”。

    二十世纪六十年代,霍金和罗杰·彭罗斯证明,当时空的弯曲足够陡峭,时空会不可避免地坍缩,爱因斯坦方程将会不起作用,需要新的量子引力理论才能解释。彭罗斯-霍金奇点定理表明,时空无法从一个点中平滑而稳定地展开“大爆炸奇点”并不存在

    为了抹平理论与观测事实间的矛盾[4],1980年,美国物理学家阿兰·古斯提出了暴胀:极早期宇宙在10^-35秒到10^-34秒的极短时间内以惊人的速度加速膨胀[5]

    • 暴胀宇宙论预言了宇宙的不均匀性,并给出了不均匀程度的估计。根据维尔纳·海森堡的不确定性原理,在暴胀时期,宇宙中存着微小的量子热涨落,暴胀将这些涨落放大到宇观尺度,成为当今宇宙中所有结构的种子。暴胀理论预言,这些原初涨落基本上具有尺度不变性并满足高斯分布。
    • 上述预言已经通过测量微波背景辐射得到了精确的证实[6]

    霍金将费曼的总和历史方法应用于研究宇宙起源,这涉及总和在时空的每一条世界线可能发生的事件,意味着必须考虑宇宙的边界条件,而最特殊的边界条件就是没有边界。1981年,霍金发表了论文《宇宙边界条件》,提议宇宙可能没有边界,即没有起源或终结

    1983年,霍金与詹姆斯·哈特尔合作提出宇宙无边界模型:

    • 在普朗克时期之前,由于量子力学的不确定性原理,宇宙没有时空边界;
    • 在极早期宇宙里只有空间、没有时间,宇宙起源的概念毫无意义。

    那之后,霍金多次谈到,宇宙可以通过量子机制整个涌现于虚无之中。

    • 我们可以构建这样的模型:宇宙的总能量是零。
    • 在宇宙的总能量是零的情况下,要平衡恒星的能量,简单有效的方法是抬出引力:引力是吸引的,引力能是负的,你必须做功才能把引力束缚的系统(例如地球和月球)分离开。
    • 但是,地球的引力能不到构成地球的物质粒子的不变质量所对应之能量的十亿分之一。恒星这样的物体会有更负的引力能,恒星的尺寸越小(它的不同部分相互靠得越近),引力能就越负,可是在引力能足以抵消自身的不变质量之前,该恒星就足够坍缩成黑洞了,而黑洞具有正的能量。
    • 这导致真空的相对稳定,避免在你脸上随机涌现恒星或黑洞[7]——避免量子涨落给你造成什么特殊的打击。
    • 而整个宇宙却能自发涌现。因为引力赋形于时空,允许时空局部稳定且全体不稳定。在全宇宙的尺度下,物质的能量可以被引力能的负能量抵消到零。
    • 由此,宇宙可以从无之中自我创生,不需要一个非常特殊的奇点,不需要任何类型的创世者

    过去几十年里,人们已经建立了许多不需要大爆炸奇点的宇宙学理论。

    三十多年前热门过的永恒暴胀模型认为宇宙是永无止境地高速膨胀的伪真空,在里面随机地产生膨胀减慢下来的岛宇宙。

    • 这可以和开放宇宙的遥远未来或者大撕裂合并起来,认为我们这个宇宙将来会回到永恒暴胀之中。
    • 近年来有一些十分蠢的“先给出一个不可能的假设再推导出矛盾来谈论‘永恒暴胀必须有开端’”的文章也发表在有同行评议的期刊上了,因此你大可在这领域随便想想。

    支持模拟宇宙论的观点主要是这种格式:

    • 如果先进文明对“自己的过去”或者“落后文明是怎么发展的”感兴趣,而且有能力建立模拟世界,他们就很可能建立模拟世界来研究模拟的文明,这步骤可以反复进行(一个先进文明可以模拟许多个落后文明)和多重嵌套(模拟出来的文明发展到一定阶段也可以建立自己的模拟),于是多重宇宙里虚拟文明的数量应该远远超过实体文明,我们是虚拟文明的概率非常高。

    2001年到2003年,英国牛津大学哲学教授尼克·博斯特罗姆提出,一台和一颗行星质量差不多的非常先进的超级计算机每秒可以进行10^42次运算,这样的计算力能够运行全人类规模的模拟,包括所有人的记忆、思想和感受。博斯特罗姆提出了一个三难选择,认为以下三个命题中必有一个为真:

    1、文明发展到能够运行高度真实模拟的几率趋近于0;

    2、先进文明有兴趣模拟进化史的几率趋近于0;

    3、我们这样的人是先进文明模拟出来的几率趋近于1。

    博斯特罗姆表示,显然,1和2都不大可能为真,那就只有3为真了。

    • 悲观主义者显然会提出异议,认为1为真的可能性更大一些。

    看起来极度复杂的模拟宇宙的底层规则其实也不用太复杂,康威生命游戏那样单纯的规则在大尺度上就能制造出巨大的混乱和有序性,2020年热了一阵的斯蒂芬·沃尔夫勒姆数学结构也是一样的思路。

    只要我们能找到这个模拟系统的严重错误,就能证明这个理论。根据这个系统的具体情况,这比研究其它的宇宙论可能还要简单,但也可能靠我们的能力找不到它的错误,或者错误看起来太像是个机制。

    “我们人类又是以何种姿态存在于这个世界呢”是非常次要的问题。

    在你相信你认识到的东西就是实体的情况下,人的姿态就是你感官告知你的那样。

    在你相信你认识到的一切都是你的脑中的信号,或是“相当于你的脑的东西”里的信号的情况下,不存在什么“人的真实姿态”,你能把握的一切都是你建立起来的模型。

    参考

    1. ^https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200715170541.htm
    2. ^有少数研究得到更年轻的结果,但2020年的观测数据不支持那些想法。
    3. ^被暴胀带到可观测距离之外的物质距离我们可能有3.5万亿光年,乃至无穷远。
    4. ^在旧大爆炸模型中,宇宙视界不断向外扩张,使新的区域落入到可观测范围之内。然而,当某个观测者第一次看到这些区域时,他会发现彼此相距极其遥远的区域看起来极为相似:背景辐射具有几乎相同的温度,时空曲率的演化也近乎相同。这是一个难题:在从未“沟通”过的情况下,两个从未有过因果联系的区域要如何达到如此接近的温度和曲率呢。
    5. ^这假定可观测宇宙的所有区域来自同一个早期阶段,这一阶段具有很高的真空能量(宇宙常数),视界并不向外扩张,而是维持不动,任何观测者离视界的距离都是相同的。这时,空间指数膨胀,使两个十分接近的观测者极迅速地远离对方,其速度之快,使两者马上超出了对方的可观测范围。当暴胀逐渐衰弱时,宇宙常数趋向于零,空间开始正常膨胀。这一正常膨胀阶段内落入到视界以内的空间区域,正是曾经因暴胀而超出视界的区域。由于这些区域曾经十分接近,所以具有相同的温度和曲率。暴胀理论可以解释为什么相隔遥远的区域具有几乎相同的温度和曲率。它预测在任一时刻的总空间曲率为零,意味着宇宙中的普通物质、暗物质以及残余的真空能量之总和必须是临界质量。现有的观测证据对此表示支持。
    6. ^https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/map/dr2/pub_papers/threeyear/parameters/64897.web.pdf
    7. ^但这并不影响涌现总能量零的东西。已经有人在数学上构建出质量零的虫洞、白洞之类东西。
  2. 左斌

    中微子是一种很难被探测到的粒子,只有在非常强大的加速器当中才会产生。它的质量非常轻,并且以接近光速运动,几乎不与任何物质反应,号称宇宙间的“隐身人”。2013年科学家利用埋在南极冰下的粒子探测器首次捕捉到了源自太阳系外的中微子。它的发现提供了一个独特的窗口,让人们了解天体物理物体中原本隐蔽的粒子加速机制。

    近日,来自纽约大学和德国DESY研究中心等二十多个机构的研究人员共同发布了一项研究,报告了2019年冰立方中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory)的南极探测器捕捉到的中微子。

    利用来自加州帕洛玛天文台Zwicky瞬变设施的数据,研究人员能够将这个中微子的起源追溯到发生大约7亿年前的黑洞撕碎恒星事件,AT2019dsg。这是第二次追溯到中微子的来源。

    当恒星接近黑洞时,巨大的潮汐力将其拉伸得越来越大,直到最后被撕碎。一半的恒星碎片被抛回太空,而剩下的部分则形成一个旋转的吸积盘,两股强大的物质外流从这里上下飞射。这个系统就像一个强大的天然粒子加速器。此前的研究发现了黑洞摧毁恒星的一些最早证据,即现在所谓的潮汐破坏事件(Tidal disruption event, TDEs)。这些发现为确定TDEs是否会对产生超高能宇宙射线 (Ultra-high-energy cosmic ray, UHECRs)奠定了基础。

    发现与TDEs相关的中微子是理解高能天体物理中微子起源的一个突破,这些中微子的来源至今难以捉摸。中微子与TDE的联系也揭示了一个困扰科学界几十年的老问题:超高能宇宙射线的起源。

    参考

    编译/前瞻经济学人APP资讯组

    参考资料:

    [1]scitechdaily.com/ghost-

    [2]cnet.com/news/ghost-par

    论文链接:

    doi.org/10.1038/s41550-

  3. 朱慢慢

    一体而生…

    整个世界,都是一体而生的。

    没有时空的延迟。

    你我诞生的那一刻,

    世界便诞生了。

    世界诞生的那一刻,

    你我便诞生了。

    而诞生这一切,只需要…

    一个念头,而已。

    换而言之…

    这个世界,

    可有可无…

    可存在…可不存在。

  4. 柴儒鸿

    宇宙并非是大爆炸产生,而是宇宙走向了最后阶段产生了大爆炸。以下给出简单论证。

    浩瀚无垠的宇宙璀璨无比,宏观到巨大的星系,微观到渺小的原子,它们的排列和特性都是极其有序精妙的,严格的遵守着恒定的规律。人以几千年的智慧文明根本无法创造出这样的宏微结构。

    那这样精妙无比的宇宙如何而生?当前最盛行的科学界观点:大爆炸产生了宇宙。天文学观测发现,宇宙正在不断地膨胀,类似于爆炸的状态。于是就推测宇宙就是由大爆炸产生。

    当然这只是个假说。因为这其中还有很多逻辑问题,最关键的一点是——宇宙的爆炸膨胀和宇宙的产生之间的因果关系到底是怎样的?有两种可能:

    第一种可能,宇宙爆炸产生了宇宙。

    第二种可能,宇宙先存在了,后来发生了爆炸。

    到底哪种可能性更大呢?我们可以观察下宇宙中天体的演化。目前科学家观测到,如果一个恒星发生了爆炸,成为了一颗红巨星,就意味着该恒星的走向了恒星周期中的最后阶段,不久将从宇宙中消失。我们可以参考:

    猎户座中的参宿四就是这样一颗红超巨星,随时可能发生爆炸。

    在宇宙中,普遍存在着这样的天体,经过爆炸后,走向毁灭。

    宇宙大爆炸理论的建立基于了两个基本假设:物理定律的普适性和宇宙学原理。那么,宇宙本身也是一个大型天体。也就是说,宇宙也要遵循天体爆炸的普遍规律——爆炸后走向毁灭。

    如果我们承认大爆炸理论,那么我们就不得不否定大爆炸理论的基本假设,这无疑是自相矛盾的。

    我们再换另一个热力学视角来分析。

    大爆炸理论告诉我们,宇宙一开始结构非常简单,在大爆炸过程中,宇宙演化出越来越复杂有序的粒子结构、天体结构和物理规律。但是,根据熵增原理(孤立热力学系统的熵不减少,总是增大或者不变),宇宙在爆炸中应该是熵增(不断失去秩序或保持原有秩序),这和上述的宇宙演化刚好相反。反过来看,熵增理论和宇宙正在走向最后阶段相吻合。

    不管是从当前天文学观察天体的演化经验,还是从纯粹理论角度来看,我们都可以得出一个结论:宇宙确实是在发生大爆炸,但大爆炸不是宇宙生成的原因,相反而是宇宙走向最后阶段的体现。

    宇宙究竟如何而生?

    如果我说,我可以创造出一个高于自己智慧之上的作品,没有人会相信。宇宙的产生也是如此。宇宙本身具有极高的智慧,那么产生宇宙的那个本源必然拥有高于宇宙智慧的智慧。我们可以把这种本源称为自然机制,称为造物主。这些不过是名词的不同。但本质上,这种本源用造物主来形容更加恰当。因为自然机制是人将宇宙视为一个大机器世界观的体现,这种机器不包含道德、艺术等人类智慧,它是不完整的。因为,人既然有道德,人也是宇宙的一份子,那么宇宙中必然也存在着道德这种特性。

    所以,我们还是将这种本源叫做造物主。

    越有成就的大科学家往往越能接受高于科学发现的存在,比如牛顿、爱因斯坦、杨振宁等。我们可以看看杨振宁对造物主的感悟。

    我们人类又是以何种姿态存在于这个世界呢?

    既然宇宙正在发生巨变,在走向最后的阶段,人类所在的地球也在所难免。当前,疫之情之肆虐、环境恶化、国家相斗这些其实都是最后阶段的一种体现。只不过大多数人都习惯了萱传,觉得形势一片大好。从这点来看,做一个清醒的人至关重要。大概只有清醒认识到这个时代的特殊,才能活出人生真正意义。

    宇宙中有各种不同的时空,宇宙之外还有不同的平行宇宙。每个时空时间快慢不同。具有大智慧的人早在很久之前看到了另外时间较快的时空发生的一切,从而整理成各种预言。他们的意图大概就是在唤醒我们这些后世之人。

    不妨跳出我们这个时空,借用大智慧之人的视角,看一看自己能否做一个更加清醒的人。

    柴儒鸿:《马前课》略解

    柴儒鸿:品武侯百年乩

    柴儒鸿:金陵塔碑文解

    一孔之见,请辨证参考,欢迎交流斧正。

  5. 吕克非

    有一个极复杂的超大的生物,有制造宇宙的初始宇宙,相当于人类干细胞,通过分裂增殖为许多种不同的宇宙;宇宙只有超大生命体的一个功能单位。新宇宙的产生被渺小的人类描述为大爆炸。

    人类细胞有超大生物的烙印,并非完全是其缩小板:人类细胞内大部分是水,少部分细胞器;宇宙内多数是暗物质,少部分是天体,相当于人体细胞的细胞器,比如银河系,仙女座…;细胞中有生物电,宇宙内有超大电活动;细胞中有理化反应,宇宙内也有相应活动如仙女座与我们的银河系的合并等;细胞中有ATP保证细胞的能量供应,银河系内有数不清的恒星如我们的太阳;由于宇宙的复杂性,太阳通过核聚变向所属卫星供热能,可见光,X光,紫外线,红外线,微波等。人类的细胞内一切都是动态有序的;宇宙内也是,银河系带着我们的太阳系在高速运动,太阳系带着各天体,包括载有七十多亿人的地球也在高速运动;银河系内有数不清的天体,细胞内有电解质,维生素,氨基酸等;细胞中微小物有序,再看恒星,根据大小与个数确定周围的卫星数量及大小;拿我们的太阳系看:最边卫星气态的,其中我们的地球位置刚好位于生命宜居地,光照温度湿度磁场等均适宜生命;有木星月亮挡住了数不清的小天体,不至于撞击地球…。细胞一经产生就不断长大,以渺小的人类看,宇宙目前也在极速胀大着,这种胀大的速度超光速,力量远大于其内一切物质,包括暗物质质量和天体引力之和,所以一应天体都是悬着的,人类太小,测不出这个能量,以暗字表示…;细胞有膜,可选择性的通过吸收来的有用物质并运出代谢产物;宇宙也有边,可选择性地吸进有用物质,代谢的废物也由吞噬性质的天体排出,像黑洞就可吞噬已衰老的天体;人类因端粒酶而衰老死亡,宇宙也有终结。宇宙虽大,但在超大生命面前完全可以忽略不计;人虽雄居地球,但在银河系也可忽略不计!人类的有性生殖细胞不断分裂增殖着,据霍金说,本宇宙是第20次,也不是最后一次。我们与宇宙内一切高级文明的任务:为下一次宇宙大爆炸作记忆,数据,物质,遗传等诸方面的准备,就好像人类的基因。由此可推想:宇宙缔造了其内一切,掌控着其中生物的出现,发展,最后归属,我们的存在是宇宙必须的,但当今人类必须尽量避免争议,在全球实现共同体,以应对太空高风险,这是迫在眉睫的事!

  6. zhangxi

    21世纪人类的宇宙观

    张熙
    发展航天事业,进行星际移民!

    宇宙的起源
    宇宙来自于宇宙磁场,宇宙磁场产生万有引力,万有引力聚合了宇宙磁场产生物质微粒,形成最初的最简单的物质氢原子,氢分子。这些氢分子形成氢气星云。这些氢气星云在万有引力作用下越来越大。内部产生一定的压力,温度越来越高,当达到一定阈值时爆发核聚变。这些气体星云就变成一个一个的恒星。恒星在万有引力的作用下聚集成一个一个的恒星系。恒星发光发热,逐渐衰老形成中子星,中子星爆炸形成矿石星球和矿石星云,这就是形成行星和小行星。这些行星围绕正在成长的恒星,形成恒星系。更小的行星围绕较大的行星旋转形成行星的卫星。在宇宙中还有很多气体行星,这些气体行星是在太阳系形成时被俘获的较小的气体星云。例如太阳系的木星和土星就是这样的天体。在恒星和行星产生的过程中,产生了各种各样的化学元素,看元素周期表。这些化学元素在不同的条件下形成各种各样的物质。在宜居带的有水的行星上出现了各种各样的生物。生物通过不断的进化形成了智慧生物和人类。

    发布于 2020-12-23

    太阳系

  7. 知乎用户FPuvbJ

    关于HuanxiangXR_21:自称来自3321亿年后的所谓总玄宇宙的一个智慧生命,这个ID从2009年8月至2012年,陆续在平行宇宙吧、唐望吧等贴吧发表言论。其中平行宇宙吧的“关于你们的世界为何没有遭到入侵【公布一部分真相】”受到了较高的关注。他自称来自总玄世界,是一个意识体,通过太平洋海底光缆中的一个场模拟出端口,在互联网上发表言论。其言论中涉及的范围十分宏大广泛,从宇宙的结构与历史、世界本质、地球历史、人类起源到一些历史上的神秘事件都给出了独到而新奇的解释。

    除了凝聚纯无,其他信息,或多或少都被晨星盗号过,或者21故意说一些错误信息来减少过度的偶像崇拜。本篇来自微博“HuanxiangXR_21”博文(已删除状态)

    宏平衡简述 创世的三个矛盾

    第一个矛盾

    最初存在的是 绝对的 无

    无 没有维度 没有长短 大小的 黑暗 这时连空间本身都并不存在

    但是无本身 却是一种存在 存在着 无 这个东西

    创造世界的终极 无 本身就是一种必存在的态

    总玄宇宙最终极的思考 不认为有一个创造者 一个最终意识 一个意图 而是确定 一切来源于无的自我矛盾

    无的自我矛盾 形成了 无数的空间质点 每个空间质点 都可以看作无的一个矛盾态

    现在宇宙中有了两个东西 一个是 无 一个是无的概念

    这个矛盾是

    无说 宇宙中一无所有

    无的概念说 宇宙中存在一个称之为 无 的事物

    最终的结果是 空间质点的诞生 每一个空间质点 是无自我不断的矛盾

    这是创世的第一个矛盾

    矛是 无代表一无所有

    盾是 一无所有本身就是一种状态和概念 这个状态和概念本身 就是无之外的东西 存在

    第二个矛盾

    空间质的诞生 导致宇宙中出现了第二个矛盾

    空间质的存在本身的问题

    空间质本身不包含任何事物 当无数的空间质从无的自我矛盾中被创造

    这时宇宙第一次出现了 大小 距离 的概念

    两个空间质点 排列起来比一个空间质点长 和 大

    维度 大小 空间 多少 位置关系 乃至最初的数学 由此诞生 对宇宙而言 当2产生时 数学就产生了

    2个空间质点 比1个更多

    这时宇宙中多了 大小 长短 距离 的概念

    空间质的存在让 总玄宇宙诞生更近了一步

    这是创世的第二个矛盾

    矛 是空间质产生所引发的无数概念

    盾 是这些概念之间的冲突 两个空间质 存在与一个位置上的可能

    第三个矛盾

    当无不断的自我矛盾

    空间质点不断的产生

    然后叠加和挤压

    能量诞生了 最初的能量只是无尽的空间质点不断挤压和叠加所产生的 一种强空间质点运动 不断的生灭 依附与空间质而存在 或者说能量就是空间质本身自我循环叠加后的矛盾态

    能量的诞生和叠加 导致了 人类科学家定义的 宇宙大爆炸和物质的产生 物质是能量的自我矛盾态

    只是这个宇宙大爆炸并不是一次 而是无数次 甚至此时此刻 无穷尽的总玄宇宙之外 无 依然自我矛盾着 每一秒 无数的宇宙正在被创造 无数的宇宙正在毁灭 而这无穷尽的循环 形成了总玄宇宙世界无尽宏观的蓝图

    纯无与玄无的来源 以及最初生命的诞生

    在宇宙高等文明序列中 对生命的定义及其简单

    可感知的一种存在感

    最初的生命来源于宏平衡的第一个矛盾 空间质点就是最初的生命

    最初的空间质点并不平衡 被定义为小的 远远小于人类所定义的普朗克长度 被定义为大的 远远超过了人类可观测的宇宙尺度 这种不平衡导致并引发了第二次矛盾的产生

    从 无 中所酝酿或者矛盾所产生的 空间质点 可以看作一种无的不均匀 空间质点内部的无 和 空间质点外部的无 的不均匀

    这个 无 就是纯无 空间质点的本质 是 纯无的不均匀

    区分这种无分布不均匀的概念 就是最初代的玄无

    而宏平衡的自我矛盾就是 许多年前向你们所描述的 玄无的创新精神

    当空间质点内的纯无 与 空间质点外的纯无 互相认知 就产生了存在感 也就是最初的生命

    最初的生命就是空间质点本身 是一缕缕转瞬即灭的存在感 是空间本身

    最初的生命不具备结构性 无法思考 无法记忆 纯粹的感知到本身的存在感 和 外界无尽黑暗中的一无所有

    人类乃至整个物质世界和无尽的文明 都存在于空间质上

    空间质点本身就是一种生命 在人类所居住的宇宙而言 是由无穷尽普朗克长度的空间质点所构成的可感知生命体

    人类所谓的感知和我 是物质结构体所占空间 空间本身存在感的一种集合 这种集合依靠占据其的物质体来思考

    是物质结构大脑依托于空间来思考了 我

    又或者空间质点依靠物质大脑结构来感知了那个 我

    两者相辅相成 前者提供思考的可能 而后者提供感知的存在感本身

    当物质不断的在空间质上移动 人类所感知到的存在感 每一秒都由全新被物质体所移动过的空间质所表达

    纯无凝聚的过程 更像还原了第一次宏平衡的矛盾 也可以称之为第一矛盾体

    它的原理是 以物质结构为基础 反复凝聚和感知 我 的存在

    强化物质体所占据空间质点背后 无 的不均匀性

    从而赋予空间质点背后 无 的不均匀性

    当这种不均匀性达到极致 而变得更加稳固 会开始逐步具有自身的结构性

    于是 无 可以摆脱对玄无结构性的依赖 开始思考 记忆 乃至意识

    人类所感知的那个 ”我“ 与凝聚纯无所寻找的那个”我“

    正是无数空间质点寄托于物质结构的 一种集合作用

    是创世第一矛盾 所产生的 最原初的生命的进化

  8. 王青阳

    第一个问题没有公认的答案,只回答第二个问题吧,宇宙是如何一步步演化成今天这个样子的?

    宇宙学的一个重要的研究目的就是还原宇宙的历史。目前,从天文观测上,人们可以把宇宙的历史最早还原到原初核合成时期(大约是宇宙诞生后3分钟)。而在理论上,目前的理论研究可以把宇宙的历史追溯到暴胀时期(宇宙诞生后约 10^{-30} 秒)。这篇回答就来介绍一下现代宇宙学对宇宙历史的认识。

    一、极早期宇宙

    1.1 暴胀(10^-30 秒内)

    暴胀是现代宇宙学理论所能追溯到最早的一个宇宙学事件,或者说最早的一段时期,大约发生在宇宙诞生后 10^{-30} 秒内。在暴胀时期刚开始的时候,宇宙的尺度非常小。此时,宇宙中存在一种特殊的物质场,称为暴胀场 phi . 这个场具有非常大的真空能,可以推动宇宙发生剧烈的指数膨胀(尺度是时间的指数函数)。通过现在的天文观测结果,我们可以估计在暴胀时期,宇宙的尺度至少膨胀了大约 10^{25} 倍(体积 V 膨胀了 (10^{25})^3=10^{75} 倍)。同时,由于暴胀场 phi 的真空能密度 rho_phi 几乎不随宇宙尺度改变,所以在整个暴胀时期, phi 场的总能量至少也翻了 E_phi=rho_phi Vsim10^{75} 倍。这可以看作是宇宙中物质起源的过程。

    1.2 重加热(远小于1秒)

    在暴胀结束之后,宇宙中物质的能量几乎全部储存在暴胀场 phi 当中。或者说,在暴胀结束之后,宇宙中充满了一种叫做“暴胀子”的粒子。这些暴胀子是很不稳定的,它们会很快衰变为电子、光子、夸克这些标准模型粒子。换句话说,能量从暴胀场向标准模型粒子转移,这个过程就叫做“重加热”。为什么叫这个名字呢?是因为,暴胀子的质量非常大,而标准模型粒子在极早期宇宙几乎没有质量,所以衰变之后暴胀子的能量主要转化为了标准模型粒子的动能。而我们知道,所谓的温度其实就是大量热平衡粒子的平均动能。所以暴胀子全部衰变成标准模型粒子之后,宇宙的温度变得非常高。这就是这一过程被称为“重加热”的原因。

    至于重加热持续的时间,目前尚不确定。如果暴胀子和标准模型粒子的相互作用足够强烈,那么暴胀子就会衰变得很快,暴胀结束之后没多久(也在 10^{-30} 秒之内)重加热就可以完成。然而,如果相互作用足够微弱,那么重加热就会进行得很慢。重加热结束之后,宇宙中充满了高温的、近光速运动的粒子,它们像一锅热汤一样混合在一起。自此宇宙开始进入热大爆炸时期,随着尺度膨胀,宇宙的温度逐渐降低。

    1.3 正反物质不对称产生(10^-10 秒内)

    上一小节说的热汤里面有正粒子,也有反粒子,它们之间可以相互湮灭,也可以反向再产生,达到了热平衡状态。然而我们知道,我们现在的宇宙中几乎没有反粒子,所以这锅热汤里面的正粒子一定要比反粒子多一点点。这样一来,到后期正反物质都湮灭完之后,还可以再剩下一些正物质。剩下的这些其实就是今天宇宙中的所有可见物质。

    当然,热汤中的正物质不会无缘无故比反物质多一点点,一定有某种机制造成了正反物质的不对称产生。虽然人们目前还不清楚究竟是什么样的机制,但基本上可以肯定这个过程发生在宇宙温度降低至1TeV(注:1TeV~ 10^{16} ℃)之前,换算成时间大约是宇宙诞生后 10^{-10} 秒内。

    1.4 电弱对称性破缺(约 10^-10 秒)

    接触过一些粒子物理的朋友可能知道,我们的宇宙中有四种基本相互作用:引力、电磁力、弱相互作用、强相互作用。其中,电磁和弱相互作用在极高的能量(温度)下是统一在一起的。所以,在宇宙重加热结束之后,电磁和弱相互作用是作为一个统一的整体表现出来的。然后随着宇宙膨胀,宇宙温度降低至大约0.25TeV时,电弱统一相互作用会在希格斯场的影响下分化为电磁和弱这两种相互作用。这被称为电弱对称性破缺。

    在破缺之后,希格斯场具有了一个非零的真空期望值,这使得所有与希格斯场存在相互作用的标准模型粒子获得了质量。(注:在电弱对称性破缺之前,所有标准模型粒子几乎没有质量)

    二、早期宇宙

    2.1 夸克强子化(约 0.0001 秒)

    在电弱对称性破缺以后,宇宙中的粒子仍是一锅热汤,汤里面包含着所有种类的标准模型粒子。然后随着宇宙继续膨胀,温度继续降低,一些重的不稳定粒子开始从热汤中消失(衰变之后由于温度太低无法再反向产生),比如希格斯粒子、W Z粒子、重味夸克和轻子。等到温度降低至100MeV( 10^{12} ℃)的数量级时,热汤中只剩下了正负电子、中微子、光子、轻夸克以及胶子。

    此时,粒子之间的碰撞显著降低,已不足以阻止夸克和胶子被强相互作用束缚,形成质子、中子这样的复合粒子。这个过程就被称为夸克强子化。

    2.2 中微子退耦(约 1 秒)

    夸克强子化之后,热汤里面还剩下正负电子、光子和中微子。随着宇宙继续膨胀,当宇宙的温度降至大约1MeV( 10^{10} ℃)数量级时,中微子开始从这锅热汤中退出,成为了遍布在全宇宙的“中微子背景”。这些中微子经过138亿年的演化遗留至今,目前大约占宇宙中物质总量的0.006%. 但由于探测技术所限,人们现在尚没有探测到这个中微子背景。

    2.3 原初核合成(约 3 分钟)

    在夸克强子化之后,形成了质子和中子。但在它们刚形成的时候,宇宙的温度还是太高,以至于质子和中子之间会剧烈地相互碰撞,无法形成稳定的原子核结构。随着宇宙尺度的膨胀,宇宙的温度逐渐降低,粒子之间的碰撞会趋于缓和。直到宇宙的温度降低至大约十亿度,粒子之间的碰撞才不至于将新结合成的原子核摧毁。由此,稳定的原子核结构才能够在我们的宇宙中源源不断地形成。这个过程就叫做原初核合成,此时距离宇宙诞生已过去了大约3分钟。

    值得一提的是,我们可以根据宇宙大爆炸理论去计算原初核合成过程中形成的轻元素(比如氘、氦-4)的丰度,也就是它们在宇宙中的占比,并通过天文观测来对计算值进行检验。截至目前,绝大多数测量结果与大爆炸理论的计算值符合得相当好。这被视为大爆炸理论的核心证据之一。

    2.4 物质-辐射相等(约 5 万年)

    这里的“物质”是指速度远低于光速的粒子,“辐射”是指速度近光速或等于光速的粒子。前面说过,在早期宇宙中,绝大多数粒子是处于一锅热汤的状态,也就是说温度极高,运动速度近光速。此时宇宙中其实还有一小部分低速运动的粒子,比如暗物质,但它们的总量远比“辐射”要少。

    不过,宇宙中“辐射”的能量是不守恒的,随宇宙膨胀而降低。因此,虽然热大爆炸刚开始的时候宇宙是被“辐射”所主导的,但随着宇宙的膨胀,“辐射”在宇宙中的占比越来越低。直到宇宙诞生大约5万年后(温度降低至大约一万度),宇宙中“辐射”的总量降低至与低速运动的“物质”相等。此后,“辐射”继续减少,宇宙开始被低速运动的“物质”所主导。

    2.5 氢原子形成(约 24 万年)

    宇宙的温度降低至大约3400℃,绝大多数电子可以顺利地与质子结合形成氢原子。

    2.6 宇宙微波背景辐射形成(约 38 万年)

    宇宙温度降低至约2700℃,光子与氢原子的相互作用变得足够微弱,可以自由地在宇宙中穿行。这些遍布全宇宙的光遗留至今,成为了所谓的宇宙微波背景辐射。

    终极、结构形成

    3.1 第一颗恒星形成(约 3 千万年)

    氢原子以及少量的氦原子在引力的作用下聚集,发生核聚变反应,形成第一颗恒星。

    3.2 第一个星系形成(约 6 亿年)

    宇宙的暴胀不仅为宇宙带来了物质,还为宇宙带来了形成结构的种子。暴胀场的量子涨落在暴胀期间会被指数放大,到暴胀结束之后这就成为了宇宙空间中物质的密度涨落。所谓的密度涨落就是说有的地方粒子密集,有的地方粒子稀疏。这样一来,在宇宙演化的过程中,粒子就会在引力的作用下向密度大的区域聚集,形成星系、星系团,甚至更大尺度的结构。

    3.3 太阳系形成 (约 80 亿年)

    如题,没啥好说的。

    3.4 暗能量主导(约 90 亿年)

    最开始我们介绍暴胀的时候说,暴胀场是一种拥有巨大真空能密度的物质场,它会推动宇宙的指数膨胀。实际上,天文观测发现,现在的宇宙中也存在一种拥有真空能的物质场,现在它正推动着宇宙的加速膨胀,只不过它的真空能密度很低,造成的加速膨胀没有暴胀那么剧烈。人们把这种拥有真空能的不明物质场称为“暗能量”。

    正如同暴胀场的总能量(在暴胀期间)会随着宇宙的膨胀而增多,暗能量的总量也是随着宇宙膨胀逐渐增多的。在宇宙刚刚诞生之时,宇宙中暗能量的占比可以忽略不计,但随着宇宙的持续膨胀,暗能量的占比越来越多。在宇宙年龄为大约90亿年时,暗能量的占比超过了宇宙中物质总量的一半,开始主导宇宙的演化,推动宇宙的加速膨胀。

    3.5 今天(约 138 亿年)

    演化至今天,距离宇宙诞生已过去了大约138亿年。今天宇宙中暗能量的占比已经增加至69%,光子、中微子等“辐射”的占比已下降至不足0.01%的数量级。剩下的31%里面,有5%是质子、中子、电子等等可见的重子物质。还有26%是暗物质,目前我们不知道它的物理本质是什么。

    以上基本上就是现代宇宙学对宇宙历史的总体认识了。不过还有一些重要的事件我没有列进去,因为现在的理论不能确定这些事件发生在什么时期。例如暗物质的产生。在某些理论模型中允许暗物质在暴胀结束之后就迅速产生出来,但还有一些模型可以把暗物质退耦的时间推迟到原初核合成之前。

    先写这么多吧,想到什么我再补充。

  9. 宇宙科学探索

    探索宇宙起源:宇宙是如何诞生,又将以何种方式毁灭?

  10. 福星nova

    就算现代宇宙学已经发展到能直接给M78黑洞拍照片了,仍然有很多人相信宇宙是神创造出来的。因为所有理论包括有神论,都能找到证据支持自己,但是证伪的办法,一概没有。或许未来会有,但是目前来看,相信你想相信的理论就好了。也别想着说服别人。

    我个人当然是相信科学的理论,但也不准备强推给别人,有兴趣了解的,这方面的科普读物一抓一大把。楼上人工智能泠姐也已经把科学的观点简明扼要地提出来了。

    说白了,我相信题主至少也对这个问题有个模糊的答案,在这里提问,多少都会有些寻找认同的想法,这样才不会觉得自己孤独。人之常情,我小时候看过大量科普读物,就整天想这些,感觉自己在宇宙中太过渺小,非常孤独,不知何来,不知何往。但是现在明白了,思考这些也没有意义,徒增烦恼而已。

  11. 归途

    梦中人永远也不会知道这个梦是怎么诞生的,就像梦是没有边界的,除非他能醒来。

  12. 盐选科普

    宇宙是如何诞生的?有很多理论试图去回答这个问题,但目前全世界范围内,接受度最高的一种理论是:宇宙大爆炸理论(the Big Bang theory)。

    所谓的宇宙大爆炸理论,讲的是宇宙诞生于 130 多亿年前的一场大爆炸,在大爆炸还没有发生的时候,万事万物都不存在,宇宙只是一个致密的几何奇点。

    爆炸发生时,时间、空间诞生并开始扩散,整个宇宙就像一锅热汤,能量密度极高。随着继续扩大,宇宙开始冷却,并在万有引力的作用下,星系天体开始形成,听着是不是很耳熟?这样看来,好像盘古开天地和上帝创世这两个东西方神话都还挺有道理的。

    单看宇宙大爆炸理论,感觉还是有点漫无边际,那为什么它会被广泛接受呢?因为它有几个佐证。第一个佐证是哈勃定律。1929 年,美国天文学家哈勃通过天文观测,发现所有星系都在远离我们,并且离我们越远的星系,远离我们的速度越快。由此哈勃推测出,宇宙一直在膨胀,越变越大。

    既然宇宙越变越大,就说明它以前比现在小。如果运用极限思维,推理到极致,就能大胆地猜测,宇宙一开始应该是一个大小无限接近于零的奇点。也就是说,宇宙大爆炸理论的模型确实跟我们对宇宙变化规律的观测结果是吻合的。

    第二个佐证是宇宙微波背景辐射。20 世纪 60 年代有两个美国工程师,彭齐亚斯和威尔逊(Penzias & Wilson),他们通过射电天文望远镜接收到了一个奇怪信号。这个信号的特点是,不论你把望远镜指向哪个方向,这个信号的强度都差不多,没有显著的变化。

    这说明该信号应当是从宇宙最深处传来的,否则应当有一个位置的信号是最强的。这个信号就是宇宙微波背景辐射。它的频率在微波范围内,并且在四面八方都有,是宇宙背景深处传来的信号,所以叫宇宙微波背景辐射。

    既然宇宙微波背景辐射是从宇宙深处传来的,就可以理解为它是宇宙早期的信息,因为宇宙大爆炸早期的信息应当已经随着膨胀来到了宇宙边缘。但不要忘了,由于宇宙在膨胀,微波背景辐射的信号源,也就是宇宙边缘,是在飞速远离我们的。因此我们接收到的,来自宇宙边缘的信号应当是存在「多普勒红移」的。

    我们接收到的信号频率应当是降低了的,通过计算去反向推算出宇宙边缘发出信号的原频率,我们就能知道宇宙大爆炸之初是怎样一番光景了。果不其然,根据计算,这些信号的原频率很高,反推出来,宇宙早期确实是处在能量密度很高的状态,如一锅热汤一般,这就与宇宙大爆炸理论的描述相吻合。

    宇宙的膨胀和宇宙微波背景辐射,就是宇宙大爆炸理论在全球范围内拥有很高接受度的主要原因。

    宇宙越变越大:哈勃定律

    从古代开始,哲学家们就在思考一个问题:宇宙是否无限大?宇宙是否存在了无限久?

    这两个问题,牛顿回答了第一个。

  13. 职场小达人

    宇宙学说认为,我们所观察到的宇宙,在其孕育的初期,集中于一个体积极小、温度极高、密度极大的奇点。在141亿年前左右,奇点产生后发生大爆炸,从此开始了我们所在的宇宙的诞生史。

    1929年,天文学家哈勃公布了一个震惊科学界的发现。这个发现在很大程度上导致这样的结论:所有的河外星系都在离我们远去。即宇宙在高速地膨胀着。这一发现促使一些天文学家想到:既然宇宙在膨胀,那么就可能有一个膨胀的起点。天文学家勒梅特认为,现在的宇宙是由一个“原始原子”爆炸而成的。这是大爆炸说的前身。俄裔美国天文学家伽莫夫接受并发展了勒梅特的思想,于1948年正式提出了宇宙起源的大爆炸学说。

    伽莫夫认为,宇宙最初是一个温度极高、密度极大的由最基本粒子组成的“原始火球”——引力奇点。根据现代物理学,这个火球必定迅速膨胀,它的演化过程好像一次巨大的爆发。由于迅速膨胀,宇宙密度和温度不断降低,在这个过程中形成了一些化学元素,然后形成由原子、分子构成的气体物质。气体物质又逐渐凝聚成星云,最后从星云中逐渐产生各种天体,成为现在的宇宙。

    这种学说一般人听起来非常离奇,不可思议。在科学界,也由于这个学说缺乏有力的观测证据,因而在它刚刚问世时,并未予以普遍的响应。

    到了1965年,宇宙背景辐射的发现使大爆炸说重见天日。原来,大爆炸说曾预言宇宙中还应该到处存在着“原始火球”的“余热”,这种余热应表现为一种四面八方都有的背景辐射 。特别令人惊奇的是 ,伽莫夫预言的“余热”温度竟恰好与宇宙背景辐射的温度相当。另一方面,由于有关的天文学基本数据已被改进,因此根据这个数据推算出来的宇宙膨胀年龄,已从原来的50亿年增到100—200亿年,现在最准确的是137亿年,这个年龄与天体演化研究中所发现的最老的天体年龄是吻合的。由于大爆炸说比其他宇宙学说能够更多、更好地解释宇宙观测事实,因此愈来愈显示出它的生命力。现在,大多数天文学家都接受了大爆炸说的基本思想,不少过去不能解释的问题正在逐步解决,它是最有影响、最有希望的一种宇宙学说。

  14. 静悄悄

    人类目前没有能力回答这个问题。或者说,对于存在了人类群体的这个世界或者宇宙,人类的认识是非常的少,也非常的不全面。而且,这种认识目前也只是局限于“宇宙的是什么”的认知层面之上。

    至于宇宙是怎么来的,以及为什么要有这个世界的相关问题。这属于“宇宙的为什么”的相关问题,目前人类是没有能力回答这一类似的问题的。

  15. 一口滑稽

    宇宙出生于“大爆炸”聪明的你肯定知道的对不对,但知道归知道,你有没有想过,是那个哥们提出来这个脑洞的,然后又用证据链证明了这个脑洞的。

    要知道,科学届就是证明个1+1=2都:(我们可以这样证明'1+1 = 2': 首先,可以推知: αε1 (∑x)(α=) βε2 (∑x)(∑y)(β=.&.~(x=y)) ξε1+1 (∑x)(∑y)(β=∪.&.~(x=y)) 所以对于任意的集合γ,我们有 γε1+1 (∑x)(∑y)(γ=∪.&.~(x=y)) (∑x)(∑y)(γ=.&.~(x=y)) γε2 根据集合论的外延公理(Axiom of Extension),我们得到1+1 = 2)这公式完全看不懂。要是证明大爆炸脑洞,公式是不是要绕地球几圈了。

    《大爆炸简史》

    言归正传,今天的主题是说书,书名《大爆炸简史》,这本书就能解答这个问题,它会告诉咱们大爆炸理论是如何从一个猜想到被逐渐接受的过程。(作者:西蒙·辛格,剑桥大学粒子物理博士,前 BBC 节目制作人。)如果有说的不对的找他别找我哦。

    创世神

    在大爆炸理论之前,从各民族的创世神话开始,到哥白尼的“日心说”震惊世界,人们对宇宙的认识不断改进,但某种根本认识从来没有改变,那就是宇宙是静态的、永恒的,在时间上无始无终。这种共识或者叫公认的思维基础,被称为科学的范式。大爆炸理论却认为宇宙是动态的、不断演化的,认为时间和空间都有一个开始的点。大爆炸理论被逐渐证明和接受的过程,称为科学的范式转换。通过了解这个过程,我们可以知道人类对广阔宇宙的认识历史。(了解的人都知道这个过程是多么的血淋淋)

    接下来我们就按照科学范式转变的四个阶段,一起探索大爆炸理论被接受的过程。

    首先进入第一阶段,说说大爆炸理论的起源。

    爱因斯坦我们都很熟,他提出了广义相对论,那大爆炸理论和广义相对论又有什么关系呢?要搞清楚这些弯弯绕,先简单了解一下广义相对论是什么。

    1907年,爱因斯坦在广义相对论的研究上取得了突破,他发现时间和空间都是可以弯曲的。牛顿万有引力定律提出的那种物体与物体之间相互吸引的引力现象,实际上都是物体弯曲时空的表现。他打比喻说,时空就好像一张蹦床的表面,假如我们放一颗球在蹦床上,蹦床就会被压出一个小坑,如果这颗球的周围还有一些其他小的物体,它们就会一起滚到这个小坑里面。还记得牛顿的那个故事吧,他说苹果从树上掉下来是因为地球的引力吸引着它,而爱因斯坦告诉我们,苹果掉下来是因为它正在落到地球压出的时空小坑里。

    听上去好像有点道理,最重要是怎么证明。

    于是爱因斯坦猜测,太阳的质量很大,那么其他恒星发出的光在经过太阳旁边的时候,一定会被太阳巨大的引力弯曲。

    怎么观测和验证这个想法呢?

    如果一颗恒星躲在太阳的背后,我们从地球上就看不到它,因为它被太阳挡住了。

    但如果太阳的引力真的可以弯曲时空,使星光偏转,那我们就应该可以看到躲在太阳背后的恒星,可是,太阳自己的光实在太强了,强到其它的光统统被掩盖,这该咋办呢?

    办法总比困难多,有一种情况下我们可以进行这个观测,那就是日全食。

    英国科学家爱丁顿把握住了这个机会,他在日全食发生的时候进行了观测,不仅看到了太阳背后的恒星,还算出这些恒星所发出的光的偏转角度,而这个角度和爱因斯坦广义相对论的计算几乎一毛一样,我真他么服气了。(这两个姓爱的配合的真好)

    现在我们知道了,广义相对论是描述引力的理论,它可以用来计算宇宙中一切物体的相互作用,还比牛顿的引力方程精确。

    有了这个宝贝,爱因斯坦就想算算这宇宙是咋运行的,这一算可不得了,结果表明宇宙不稳定,宇宙中的每一个天体都将最终被拉向其他更大质量的天体,直到它们全部坠入同一个坑内。(就是大鱼吃小鱼,最后最大的那一条把大家都吃了,乖乖啊)

    这结果告诉我们,宇宙好像正在自我毁灭。这一定是个玩笑,因为我们并没有观测到宇宙正在自杀的迹象。

    宇宙如果没有坍缩,那一定还有什么力量在对抗引力,于是“宇宙正在膨胀”的猜想被提出来,正是这种膨胀的力量在对抗引力、抵消引力。(聪明的脑袋真不是盖的)

    有了广义相对论这个基础,比利时有个叫勒迈特家伙指出,要是宇宙真的在膨胀,那么今天的宇宙一定比昨天的大,昨天一定比前天大,如果一直这样倒推回去,就会得出结论,说宇宙一定诞生于一个很小的、致密的点,这个点被形象地称为“宇宙蛋”。也就是说,“宇宙蛋”有一天开始爆炸,一直膨胀,直到变成现在我们看到的宇宙模样。这就是我们所说的大爆炸理论的起源。(我强忍着不笑出声,宇宙竟然是卵生)

    第二阶段,哈勃定律证明宇宙在膨胀并算出了宇宙的年龄。

    哈勃这名字我们也熟,因为哈勃望远镜。而哈勃定律才是他一生最大的科学成就。这个定律说的是,宇宙中,星系离地球的距离和它相对于地球运动的速度之间的比例关系。一个是离我们有多远,一个是跑得有多快,看看科学家是怎么测量的呢?

    先了解一下怎么测量一个星系到地球的距离,要依靠一种特别的恒星:造父变星。这是一种不稳定的恒星,因为它们处于一种周期性的膨胀和收缩状态,亮度也随之变化,看上去像是在有规律地闪烁。

    1912年,美国哈佛大学天文台的一位聋哑志愿者莱维特,通过研究麦哲伦星云中25颗造父变星的照片资料,获得了一个宇宙级别的大发现,那就是:造父变星的闪烁周期和它的亮度有紧密的关联性,而亮度又与观测距离有紧密的关联。

    你看,问题一下就变得简单了,当我们想知道一个星系离地球有多远时,只需要找到这个星系中的一颗造父变星,观察它的闪烁周期,我们就知道星系离我们的距离了。造父变星因此被称为“宇宙灯塔”。哈勃正是使用这种方法,测出了许多星系离地球的距离。

    有意思的是,通过测量出仙女座星系距离地球的距离,哈勃解决了一场在当时闻名世界的大辩论,就是像仙女座星云这样的天体到底是在银河系以内还是在银河系以外,那时的科学家对这个问题争论不休。

    这个问题为什么重要呢?因为这将决定人类认识宇宙的大小。而哈勃证明了,这些星云离地球的距离远远大于银河系的直径,所以它们是在银河系以外。

    于是,“银河系是唯一星系”的概念被突破,探索宇宙结构新篇章的大幕拉开了。

    下面来看怎么测量一个星系的速度。我们知道,大部分星系都离地球数百万光年远,测量它们的速度可不像交通警察查超速那么简单,不过两者的科学原理都是一样的,都用到了“多普勒效应”。

    什么是多普勒效应呢?举个有趣的例子:有一只青蛙蹲在荷叶上休息,每过一秒它就用脚拍一下水,这样我们就能看到湖面上出现一圈一圈间隔相同的水波。现在假设这只青蛙一边继续有规律地拍水,一边还往岸边移动,我们就会发现,往岸边的方向,水波之间的间隔变短了,也就是波长变短了,而另一个方向上,一圈圈水波之间的距离变长了。这就是多普勒效应:当物体在向着观察者运动的同时发出一个波,观察者感觉到的波长比实际的缩短了,并且速度越快,波长就越短;反过来,当物体离开观察者运动时,观察者会感觉波长变长了。

    因为光也是一种波,测量星系速度的问题也就变得简单了,我们只需要检测遥远星系的光谱,看看它们发出光波的波长,就知道它们的运动状态和速度了。经过大量的观察检验,哈勃发现,几乎所有星系的光波都看上去变长了。因为红色是可见光中波长最长的一边,测量到的星系光谱朝红色光方向偏移的这种现象被称为“星系红移”。这说明这些星系都在远离地球,宇宙确实是越来越大,正是这种膨胀在对抗引力。

    哈勃测量出星系离地球的距离和速度之后,经过计算,发现这两个数据之间有非常严格的数学关系:离地球越远,那么它远离地球的速度也越快。也就是说,假如一个星系离地球距离是另一个星系的3倍远,那么它远离的速度也是另一个的3倍那么快。

    这就是哈勃定律。它不仅证明了宇宙正在膨胀,还说明了如果我们把时间倒退回去,不管处在任何地方,多远的星系都会在同一时间回到同一个点。这,不就是大爆炸开始的那个点吗?

    更进一步的是,通过这个定律,哈勃计算出了宇宙的年龄,原来,我们的宇宙已经18亿岁了—— 等一下!我们现在都知道地球的年龄是45亿岁,所以这个18亿岁的数字肯定不太对是吧?后面会解释的。(孩子咋还比妈年纪大呢?现在就给我个解释)

    哈勃的研究成果发布后,越来越多人开始接受大爆炸理论,随着关注度的提升,大爆炸理论越来越多的漏洞也被人们发现。在科学范式转变的过程中,理论的修改完善往往会经历一个漫长的时间。

    在科学领域,任何理论模型都不是一开始就完美的,往往表现出与观测和实验不一致或不准确的问题。大爆炸理论的支持者们在20世纪初面临的最紧迫、最重要的两个缺陷就是“时标困难”与“原子丰度”。

    接下来我们进入第三阶段,看大爆炸模型中的这两个缺陷是如何被修改完善的。

    先说第一点,时标困难。刚我们讲到,哈勃同学说宇宙的年龄是18亿岁,但是古地质科学家通过检测发现,地球的年龄超过了30亿岁,这不是很荒唐吗!

    这个问题的是一位叫巴德的德国天文学家解决的。随着观测技术的提升,天文望远镜的精度在不断进步,巴德通过200英寸的望远镜发现了一颗造父变星,叫天琴 RR 型星,从而发现造父变星其实有两类。

    他发现更新的一类更热也更加明亮,而当时哈勃并不知道这样的区别,于是错误地将更明亮的一类与本就比较暗的一类造父变星作了比较,计算出的星系距离比实际的距离少了许多。经过巴德的重新校准,星系离地球的距离提高了一倍,于是根据哈勃定律,宇宙的年龄也大了一倍。

    再后来,还有其它科学家不断努力修正误差,确定宇宙的年龄应该在100亿岁到200亿岁之间,大爆炸理论的时标困难就这么解决了。

    接着说第二个缺陷,原子丰度。原子丰度就是宇宙中各种原子丰富的程度。

    我们都知道,世界是由各种各样原子组成的,就拿地球来说吧,地心是由铁组成,包裹地球的大气则主要是氮和氧,而太阳中的原子则是氢和氦占了主导地位。

    早期的大爆炸理论说,宇宙所有的物质和能量都曾经压缩在一个点,随着大爆炸的发生,空间和时间诞生了,一个单一的、质量巨大的原子随着爆炸开始分裂成碎片,小的碎片又继续碎成更小的碎片,于是各种各样的小原子诞生了,在这种情况下,各种各样原子的数量应该相对均衡,但实际情况是轻一些的原子和重一些的原子数量极度不均衡。

    微观物理学家告诉我们,宇宙中最丰富的元素就是氢,其次是氦,这两种最轻最小的原子占了宇宙中所有原子的99.9% ,而其他像金这样的重原子则是非常稀少的。这就是原子丰度的问题,解决了这个问题,我们就能知道大爆炸的时候究竟发生了什么,我们现在看到的世界又是怎么来的。

    这次轮到著名的核物理学家乔治·伽莫夫登场了。既然原子分裂的路走不通,而氢原子又占了宇宙中所有原子的90%,于是伽莫夫大胆地提出了一个完全相反的路子:说大爆炸发生后,宇宙开始于无数最简单、最小的氢原子。

    他用了一个形象的比喻,说宇宙开始于一锅致密的、向外膨胀的“氢原子汤”,而其他所有原子都是由氢原子通过核反应产生的。经过计算他发现,大爆炸发生后的1秒钟之内,宇宙急剧膨胀并冷却,温度从几万亿度下降到了几十亿度,基本的氢原子核反应形成了比较轻的氦核,差不多10个氢原子核可以生成一个氦原子核,这和天文学家观测到的氢氦比例几乎一模一样。这样一来我们就知道了,宇宙中99.9%的物质就是这么来的。

    那更重一些的原子是怎么生成的呢?要想将氢、氦变成各种各样更重的原子,需要不同温度的致密环境。

    这里要提到一个叫“恒星坩锅”的概念,简单说就是一颗恒星,比如太阳,进入晚年后,会因为燃料耗尽而降温压缩,而压缩又会使得恒星再次加热,这种反复的过程会提供不同的致密环境,导致更多的核反应。

    各种不同的恒星就像不同的高压锅,为各种各样重原子的生成提供了极端环境。比如碳原子,就是由氦原子通过复杂的反应生成的。发现恒星坩锅这个概念的人,就是给大爆炸理论命名的英国天文学家霍伊尔。(我曾经想拿高温的恒星涮火锅,这哥们是高压锅...)

    一个科学理论的修改完善,往往会经过漫长的过程和许多科学家的努力。现在我们知道了,并还原了大爆炸发生时的情况。现在,距离科学范式转变的完成还差最后的临门一脚,只要找到最后一个决定性证据,就能完美证明大爆炸理论。

    最后一个阶段,看看大爆炸学说是怎么完成了科学范式转变的最后一步。

    前面我们提到,大爆炸发生时温度极高,那时,宇宙中还有一种成分,那就是大量的光,可以说是光的海洋,随着宇宙的膨胀和冷却,大约30万年后,宇宙的温度降到大约3000摄氏度,这时一部分非常微弱的原始光就没有改变地穿过了宇宙。

    伽莫夫说,这些穿过宇宙的原始的光波辐射,即使是在100多亿年后的今天也不会完全消失,而是在星空深处无处不在。这些原始光波辐射,正是能够证明大爆炸理论的终极王牌,它是大爆炸留下的残余辐射,被称为“宇宙微波背景辐射”。

    以前,科学家们并不知道它的存在,因为它非常微弱,微弱到什么程度呢?相当于零下260多摄氏度的天体散发的热量。

    那么宇宙微波背景辐射是怎样被找到的呢?说来也巧,科学的突破往往是无心插柳的结果。

    伽莫夫提出理论后的20年,美国的贝尔实验室制作了一台非常精密的射电天线,用来接收一颗名叫“回声”的卫星发射回来的微弱信号。射电天线想要准确地接收到信号,最关键的就是清除噪音。

    实验室的两位科学家有轻微的强迫症,他们检测天线的性能,把天线对着天空的各个方向进行测量,结果却发现,不管往哪个方向,射电天线总会接收到一种微波噪音。

    他们想尽了一切办法,排除周围所有可能存在的无线电干扰,用一年的时间重新检查、布线,甚至清除了天线上的鸽子窝和鸟粪,但仍然无法消除这个噪音。两位科学家对外公布了他们的观测结果:这个消除不了的微波噪音是天然存在的,它像背景一样无处不在。

    很快,科学家就对这个发现给出了正确的解释:这个消除不了的微波噪音,就是是科学家们苦苦寻找的宇宙背景微波辐射!

    大爆炸理论的终极证据,就这样在无意之间找到了,两位科学家彭齐亚斯和威尔逊凭借坚忍不拔的毅力和丰富的经验,当然还有一丝运气,找到了这个证据。而两位科学家也因此获得了诺贝尔物理学奖。

    科学范式这个概念是托马斯·库恩在《科学革命的结构》这本书中提出的,简单的说就是科学中公认的理论体系或思维基础。

    科学范式的转变,要求科学家们冲破原来的束缚,对很多基本的理论重新定义。有时候,一个偶然的发现,就可能在一夜之间改变科学的面貌。

    在大爆炸理论提出之前,人们公认宇宙是静止的、永恒的,时间与空间没有关系,宇宙没有开始也没有结束。现在,大爆炸理论已经被广泛接受,确立了新的科学范式,它告诉我们宇宙是有创生的:在大约150亿年前,宇宙的所有物质和能量都压缩在一个点,随着空间和时间本身的爆炸,空间和时间在那一刻诞生了,经过演化成为我们现在看到的样子。

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