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宇宙从何而来?

  任何物理问题的解答,最终都必须回到宇宙本身。然而,如果答案不再存在的话,我们又该怎么办?

  在人类所能想到的关于宇宙的所有问题中,最宏大的一个问题或许是:宇宙最初从何而来?这不是一个简单的问题,因为要想理解某种事物从何而来,我们首先必须准确地知道它是什么。同样,我们也必须充分理解物理定律,以便从一组特定的初始条件开始,计算出一个物理系统的结果。只有从这些初始条件出发,我们才能确定事物演变的可能途径,了解它们究竟如何变成今天的样子,并找出哪些预测与我们所处的宇宙相符。

北美洲奇形岩(hoodoo)地貌上空的银河系。长期以来,星空一直是人类敬畏的源泉。在太空深处,恒星拥有自己的行星,它们都遵循同样的物理定律。尽管结构和组成不尽相同,但这些恒星都与太阳十分相似。   拍卖平台

  然而,这种思考方式很不可思议的一点是:无论我们在过去或未来的任何时间提出这个问题,并用科学的方法来解决它,总是会得出相同的宇宙故事。今天,人类对宇宙起源的追溯已经达到了难以置信的程度,甚至已经确定了行星、恒星、元素、原子等事物的起源。我们已经发现了大量关于宇宙热大爆炸的证据,甚至还发现了大爆炸之前的信息。尽管取得了这些认识,但仍有许多与宇宙有关的宏大未知谜团等待我们解决。这就是我们今天的处境。

  今天,当我们放眼地球之外的宇宙时,会浮现出一幅辉煌而又相当全面的图景。我们所栖居的行星,就像宇宙中的其他行星一样,是由原子组成的。一个由密度最大、质量最重的原子组成的固体中心被气态的大气层所覆盖。较轻的一层漂浮在较重的一层之上,形成类似洋葱的结构,迄今为止被人类充分研究过的每一颗行星、矮行星和卫星都是如此。

宇宙网是整个宇宙中最大的结构,大部分由暗物质组成。然而,在更小的尺度上,重子可以相互作用,也可以与光子相互作用,形成恒星结构,但同时也会释放出可以被其他物体吸收的能量。暗物质和暗能量都不能胜任这样的功能。   拍卖平台

  行星既可以在星系中自由漂浮,也可以围绕恒星运行。恒星的核心一直在进行核聚变反应,将较轻的元素融合成较重的元素。当一颗恒星的燃料耗尽时,它的核心会坍缩并升温。如果温度足够高,密度足够大,反应链条中的下一组元素将继续融合;否则,恒星就会转变成恒星残骸。在某些情况下,这些残骸是温和的,但在另一些情况下则会产生剧烈的反应。

  在更大的尺度上,恒星组合成更大的集合,即星系;星系聚集成团,即星系群和星系团,甚至更大的超星系团。它们一起形成了所谓的“宇宙网”,星系沿着大尺度纤维状结构排列,在纤维的连接节点聚集成超星系团;与此同时,这个结构被巨大的、空虚的宇宙空间——称为“空洞”——隔开。

现今宇宙中发现的各种元素的主要来源。其中,小型恒星是任何质量不足以变成超巨星或超新星的恒星;许多被认为来自超新星的元素更可能是中子星合并创造出来的。  现今宇宙中发现的各种元素的主要来源。其中,小型恒星是任何质量不足以变成超巨星或超新星的恒星;许多被认为来自超新星的元素更可能是中子星合并创造出来的。

  这就是宇宙今天的模样。如果我们想知道宇宙是如何变成这样的,就必须将物理学定律应用到宇宙中,并遵循我们已知的物理系统演化规律。例如:

  (1)我们知道万有引力是如何作用的,并且有支配引力的广义相对论,因此只要有质量或能量,就有万有引力现象;

  (2)我们知道电磁力是如何作用的;当一个物体带有电荷,无论其是运动的还是静止的,或者以电磁波(比如光子)的形式存在,都会涉及到电磁力的作用。

  (3)我们知道核力是如何作用的,包括夸克和胶子如何结合在一起形成质子和中子,质子和中子如何结合在一起形成原子核,以及不稳定的原子核(包括除质子和中子之外的夸克和/或反夸克的其他组合)如何发生放射性衰变;

  (4)我们知道如何对最开始时使用的任意物理系统进行时间演化运算。

这是由高角分辨率盘结构项目(DSHARP)所测量的20个原行星盘,它们都围绕在年轻恒星的周围。诸如此类的观测结果显示,原行星盘主要是在一个平面上形成的,这与理论预测以及太阳系内行星的位置一致。   拍卖平台

  简单来说,如果你给物理学家提供一组初始条件来描述你的系统,他们可以写出控制该系统演化的方程,并且告诉你——达到自然界固有的不确定性和非决定性的极限——该系统在未来任何时刻的结果(或概率结果集)是什么。

  那么,这一切从何而来呢?

  让我们从地球说起。地球上充满了复杂性和差异性,甚至是智能生命,还有大气层和海洋,以及地壳、地幔、外核和内核等分层的内部结构。简单来说,地球是由原子组成的,但在更复杂的层面上,地球是由组成元素周期表的整套原子组成的,主要是铁、氧、硅、镁、硫、镍、钙和铝。

在宇宙的整个历史中,可以与今天银河系相媲美的星系数量众多,它们的质量一直在不断增长,结构也在不断演变。相对于现在的星系,年轻的星系更小、更蓝、更混乱、气体含量更丰富、重元素密度更低。   拍卖平台

  这很有趣,因为这些元素绝大多数都是重元素,而不是最轻的氢和氦。然而,当我们观察宇宙时,会发现氢和氦无处不在。事实上,这两种元素异常丰富,构成了宇宙中99%以上的原子;如果按数量计算,宇宙中只有不到1%的原子是比氢和氦更重的元素。

  因此,为了制造一个像地球一样的行星——由岩石、金属、冰和复杂的分子组成——就需要有某种方法来制造这些较重的元素,然后将它们以足够多的数量聚集起来,进而形成行星。幸运的是,当我们望向宇宙时,可以看到发生这一切所必需的各种过程。

  恒星内部会发生核聚变,由较轻的元素形成较重的元素。在恒星生命的末期,它们的命运根据其质量而各不相同:

  (1)成为红巨星,出现新的核反应过程,这些过程在它们生命的大部分时间里都不会发生;

  (2)产生强风,将恒星质量的很大一部分吹走;

  (3)在行星状星云中死亡,残余的核心会缩小成一颗白矮星;

  (4)可能以核心坍缩的超新星形式死亡,内爆的残余要么成为中子星,要么成为黑洞;

  (5)这些残余,无论是白矮星还是中子星,随后会发生碰撞,引发失控的核聚变反应,从而创造出更丰富的重元素。

  这就解释了为什么在一些恒星群中,我们只能找到很少的之前形成的恒星——这与观测结果一致。比如在银河系银晕外侧的恒星群,它们的重元素丰度就相对较低。同样地,在一些恒星群中,恒星形成的世代更多,比如在靠近星系中心的星系平面中,重元素丰度更高。

  此外,天文学家最近直接拍摄了新恒星周围形成的圆盘:原行星盘。在这个圆盘内部,他们发现了大大小小的空隙和团块,以及年轻行星和新生行星存在的证据。在几代恒星诞生、存在和死亡之后,新一代的恒星富含从之前死亡恒星中回收的物质,从中产生了行星,包括具有生命成分的岩石行星。

  事实上,当我们进一步回顾久远的宇宙历史时,会看到不仅仅是大量的重元素在演化,星系本身也在演化。在邻近的宇宙中,我们发现了巨大的螺旋星系和椭圆星系,它们密集地聚集在一起,具有较低的恒星形成率和较大的质量,且气体含量相对较低;总体上,这些星系中的红色恒星比例要大于蓝色恒星。不过,随着观测的距离越来越远,我们就会注意到星系之间的两个主要差别:

  (1)星系越远,其演化程度越低。它们的质量更小,聚集程度更低,恒星形成在大约110亿年前达到顶峰,此后一直下降;它们具有丰富的气体,重元素的丰度较低,与现在的星系相比,蓝色恒星比红色恒星的相对丰度更高;

  (2)此外,星系离得越远,它发出的光就越会系统性地向更长的波长移动,这就是所谓的“宇宙学红移”。

在暴胀过程中,时空本身在量子尺度上的涨落在整个宇宙中被拉伸,导致了密度和引力波的缺陷。尽管从很多方面来看,暴胀的空间都堪称“虚无”,但无论是在暴胀时期还是今天,宇宙空间都具有正值、非零的能量密度。   拍卖平台

  第二点在广义相对论的框架中,会让我们得出宇宙正在膨胀的结论。膨胀导致所有的光在穿越星系际空间时都表现出宇宙红移,因此越远的物体其红移更大,看起来远离我们越快。而且——这也许最重要的一点——我们将看到它们在更长一段时间之前的状态,因为光只能以有限的速度传播。在狭义相对论中,光速是宇宙中所有物质运动和信息传播的速度上限。

  然而,一个明确的事实是:星系会随着时间的推移增长并演化。这就给了我们一些意义深远的启示:如果能足够早地回顾过去,我们可能就会发现“最早的”恒星群和星系;在那个节点之前,宇宙中就不存在恒星或星系。如果宇宙:

  (1)一直在膨胀;

  (2)持续冷却;

  (3)引力效应随着时间的推移变得“更笨重”。

  那么,我们就可以得出结论:早期宇宙比现在更小、密度更大、温度更高、更均匀。利用这个逻辑,我们就可以用合适的物理学原理,推断出宇宙最初的情况。

  天文学家们就是这么做的,并得出了一系列不同寻常的预测:

  (1)根据膨胀宇宙中引力效应增长的规律,宇宙只会发展出诸如星系、星系团和宇宙网等结构;

  (2)存在一个恒星和星系最初形成的时期,在那之前,宇宙中只有原始气体;

  (3)在这段时期之前,宇宙的辐射会非常强烈,温度非常高,以至于不可能形成中性原子,因此稳定的中性原子第一次形成时应该有某种迹象;

  (4)在更早的时候,宇宙会因为温度太高而无法形成稳定的原子核,因此当宇宙冷却至低于这个阈值时,应该会出现一组特定丰度的元素,而这些元素是由早期宇宙的聚变反应形成的。

  所有这些预测都得到了观测结果的证实,但另一些发现更加令人印象深刻。比如仅比绝对零度高2.725K的宇宙微波背景辐射,就与科学家预期的大爆炸余辉相吻合。天文学家还探测到了第一批原始气云团的证据,并发现它们完全由氢、氦和少量锂组成。我们甚至从中微子和反中微子在宇宙大尺度结构和宇宙微波背景中的温度缺陷印记中,间接地探测到预期的中微子和反中微子背景残留。

  根据目前观察到的宇宙事实可知,宇宙一定是在其大尺度结构的“种子”基础上诞生的,而这些“种子”最初就是由一系列高密度区域和低密度区域组成的。

  那么,是什么导致了最初的高密度和低密度区域呢?这就涉及到宇宙暴胀理论的卓越之处了。该理论不仅提供了一种产生这些宇宙结构“种子”的量子涨落机制,还能解释目前已经观测到的宇宙特征(到处都是相同的温度、空间平坦性、大尺度均匀性等),并且能对这些量子涨落应该是什么样子做出新的预测。

  宇宙暴胀理论认为,在热大爆炸时,炽热、致密、基本均匀且快速膨胀的宇宙中充满了物质和辐射,而在此之前,宇宙是完全空荡荡的。只不过,此时的宇宙并非没有能量(或者说非常少的能量,就像今天的暗能量一样),而是将巨大的能量蕴含在空间结构中。随着宇宙膨胀,更多的空间被创造出来,使得能量密度保持不变。结果,宇宙在任何地方都被赋予了相同的属性,它被拉伸到曲率极为平坦的程度——宇宙中物质的密度非常接近平坦宇宙所需的临界密度。另一方面,通常在微小尺度上遍布所有空间的量子涨落,却被暴胀拉伸到巨大的宇宙尺度。

从一个已经存在的状态出发,暴胀理论预测,随着暴胀的持续,将会产生一系列的宇宙,每一个宇宙都与其他宇宙完全分离,被更膨胀的空间隔开。   拍卖平台

  根据暴胀理论的预测,这些量子涨落创造出了今天宇宙中大尺度结构的种子,它们应该具有以下特征:

  (1)在所有尺度上具有几乎相同的幅度;

  (2)产生于比宇宙视界更大的尺度(也就是说,比自热大爆炸开始以来光可能传播的范围更大);

  (3)100%绝热(熵恒定),等曲率为0(空间曲率恒定)。

  暴胀理论还预测,大爆炸残留辉光的性质可以表明热大爆炸的最高温度,而这个温度大大低于可能的最高温度——普朗克温度。根据标准宇宙学模型,普朗克温度是温度的基础上限,现代物理学理论在该温度下失效,而目前还没有被广泛接受的量子引力理论来对其进行解释。换言之,这是量子理论与引力结合的一个基础极限,当温度达到普朗克温度时,量子引力效应便会介入。

  遗憾的是,这是我们今天对宇宙的理解所能追溯到的最久远的时期。由于暴胀的本质,它必然会抹去宇宙中任何在它发生之前就存在的信息。事实上,我们只能希望看到暴胀时期最后阶段——大爆炸后10^-32秒左右——发生了什么;之前发生的任何事情,在今天的宇宙中都是无法探测到的。尽管我们可以很有信心地推测可观测宇宙从何而来,并解释宇宙中许多现象的起源,但类似的问题,包括空间、时间、能量或物理定律最初的起源等,至今仍未找到答案。

  可以肯定的是,我们现在所知道的一切都是有限的。有限数量的粒子,编码了有限数量的信息,它们在可见宇宙中存在了有限的时间。但宇宙中为什么充满了物质和反物质?为什么有暗物质和暗能量?以及为什么会有数值固定不变的物理常数?我们不能保证今天的宇宙能给予我们足够的信息,来找到所有这些问题的答案。当然,路漫漫其修远兮,只要不放弃寻找,人类一定会慢慢地接近宇宙的真相。


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