大爆炸可以產生物質,但空間是怎麼來的?或許一直在迴圈

時間就是萬物皆於其中經過的東西。——〔德〕叔本華:《論生存空虛說》

有關大爆炸的宇宙模型所提出的預言被證實已有半個世紀,它永遠地改變了我們對宇宙的概念。現在我們知道,宇宙也並非永恆,它開始於138億年前,而我們的太陽和太陽系只存在了宇宙年齡的最後三分之一,並且我們所能感知到的宇宙也並非無限的。

我們知道大爆炸甚至不是一種“爆炸”,而是一種宇宙更熱、更密集的狀態,在大爆炸之前有過一段暴漲時期。如果在大爆炸之前有宇宙暴漲,那麼在大爆炸之前是不是就已經有了時空?今天就說下:時空是何時開始的?是怎麼來的?我們需要考慮三件事來完整的回答這個問題,第一個是我們所說的空間和時間。

我們目前對空間和時間的理解

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在日常生活中,我們對空間和時間有一種固有的認識,對於空間來說就像長、寬、高這樣確切的概念,而時間則以均勻的速度不停的流逝著,並且空間和時間沒有任何聯絡。但是時至今日,這已經是一種過時的概念,我們現在需要知道關於空間和時間的兩件事,這兩件事愛因斯坦也是花了很大的力氣才搞明白!

首先,空間和時間並不是像牛頓認為的那樣是分離的概念,而是一個整體。如果我們在空間中移動,這種運動會從根本上改變我們對時間的看法,如果兩個人以不同的速度在空間中移動,那麼他們的時間流速就會和其他人對時間感覺不同。這就是狹義相對論。

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不是三個空間維度和一個時間維度,而是一個稱為時空的新四維實體,時空的統一概念並不是愛因斯坦提出來的,而是1908年,數學家閔可夫斯基的想法!雖然愛因斯坦起初反對這樣的說法,但愛因斯坦的個性就是容易接受新鮮事物,最終在四維時空的基礎上為我們帶來了更偉大的啟示。

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這個想法不僅將空間和時間連線成一個統一的四維結構,即時空!而且這個四維結構的曲率是由物質和能量的存在造成的!就像在時空中的運動影響不同的觀察者對時間流速和空間距離的體驗一樣,物質和能量的存在所造成的空間曲率也會影響觀察者對時空的體驗。這就是廣義相對論。

當物質和能量在時空中產生一個奇點,就是我們所說的黑洞,那麼空間和時間的概念將在奇點處被打破,一切物理定律都將失效。

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對奇點最常見的例子就是在黑洞的中心,在奇點處可以存在任意大(可能是無限大)的物質和能量密度。這種情況下,我們對時空的概念將會崩潰,因為愛因斯坦的方程給出了荒謬的結果。

這就引出了我們需要思考的第二件事:大爆炸的框架!

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我們認為,今天的宇宙在大尺度上是一個相對寒冷、比較空曠的地方,當然除了在宇宙存在的數十億年裡在小尺度上形成的一些密集的物質,如恆星、行星和生命。由於引力、電磁力和核力的作用,宇宙已經形成了複雜的結構,從亞原子尺度一直到巨大的星系團。

如果我們回到過去,會發現不僅過去的物質在引力分佈上更均勻,而且現在變冷、膨脹的宇宙會更熱(因為光波更短)、密度更大,這一切都是由於時空膨脹的本質。

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對於宇宙來說,我們現在可以回溯到所能想象到的最早階段,追溯宇宙中更高的能量、更高的溫度和更高的密度。我們可以看到:

在任何恆星或星系形成之前有這麼一個時期,那時宇宙只是一片溫暖的中性原子的海洋。

再往前,那是一個熱得根本無法形成中性原子的時代,那時的宇宙只是由原子核和電子組成的電離等離子體。

再往前,那是一個熱得連簡單原子核都形成不了的時代,自由質子和中子(還有電子和光子)支配著宇宙。

再往前,當密度和溫度非常高的時候,粒子的碰撞就會自發地產生宇宙中所有已知粒子的物質/反物質對。

我們還能往前嗎?追溯到一個密度、高溫無限高,以及時空中的一個“事件”,這個“事件”也對應一個奇點:整個宇宙都集中在一個奇點上的時刻。

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如果真的是這樣的話,那麼這個點就是空間和時間開始的地方,因為在奇點之外沒有“空間”,在時間之外沒有“時間”。但是,如果我們接受大爆炸奇點是宇宙真正的開端,就會有無數的謎團無法解釋,例如:我們經常會問,這一切從何而來?

但是現在的物理學告訴我們,我們不能任意地回到遙遠的過去,只能追溯到宇宙的一種暴漲狀態,一種空間本身固有能量導致的指數膨脹的時空,它先於並導致了我們所認同的大爆炸炙熱、稠密的膨脹狀態。也就是說它創造了大爆炸。

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因為暴脹時期,所有的能量,都被束縛在空間裡,最終轉化成物質和輻射,指數膨脹就結束了,也給了我們一個熱大爆炸狀態的宇宙,也就是我們所說的早期宇宙。

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那麼宇宙的時空從何而來?

現在就引出了第三點,也就是最後一點,首先要牢記我們對時空和大爆炸奇點的概念:如果在大爆炸之前的宇宙由指數膨脹的時空組成,那麼這個時空從何而來?有三種非常直觀的選擇:

宇宙可能有一個開端,在此之前什麼都不存在。

宇宙可能一直都存在,就像一條向兩個方向無限延伸的線。

宇宙可以像圓周一樣迴圈,一遍又一遍的無限重複。

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如果我們採用了舊的大爆炸理論(沒有暴脹理論),那證據就支援第一種選擇:宇宙是在無限、任意高能量的“時刻”誕生的,與此同時,時空也隨之誕生了。

然而,暴脹的宇宙告訴我們,宇宙不是在“t=0”處的奇點開始的,也不是在大爆炸發生的地方開始的,而是告訴我們宇宙開始時就存在於一個膨脹狀態,或者是一個指數膨脹的狀態,這種狀態會持續很長一段時間。

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藍線和紅線代表一種“傳統的”大爆炸場景,即一切從時間t=0開始,包括時空本身。在暴漲的情況下(黃色),我們永遠不會到達奇點,在奇點中空間會變成奇異狀態;空間只會在過去變得任意小,而時間卻會永遠向後走。

所以暴脹理論似乎傾向於第二種選擇:宇宙對於過去來說是永恆的。

總結:在已知的理論下,有些問題並沒有準確的答案

即便如此,也存在一個問題。已知的理論告訴我們,一個不斷膨脹的宇宙一定是從一個點開始的。因此暴脹的宇宙再過去看起來不完整!總得有個開始吧!

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但是我們要知道,已知的物理定律,會在奇點處失效,也就是說它可能不適用於宇宙的起源問題。我們確實可以回到大爆炸的高溫、高密度膨脹狀態,大約10^-30秒,也就是暴脹結束的最後時刻,但是在這之前不僅是目前的理論預測還是觀測,我們都不知道宇宙發生了什麼!其中之一就是膨脹的時空來源!

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所有這些都意味著目前的物理規則不適用於計算宇宙是否一直存在,是否有一個開端,或者是週期性的迴圈,這些都是未知的。甚至哲學家和神學家們考慮了幾千年的問題:時間是有限的,時間是無限的,或者時間是迴圈的。這些目前來說都不知道。

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