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主流学术界当然是普遍认为宇宙来源于大爆炸。所谓的“大反弹”理论虽然也能自圆其说,但是缺少实证上的支持。我们都知道,广袤无垠的宇宙,堪称是人类探索的终极目标之一。它对我们而言,充满了神秘和未知,当然,也包括危险;
但是,宇宙中无边无尽的天空世界,仍然勾起了无数人类的好奇心,让他们前仆后继的对其进行追寻。宇宙起源理论,时至今日,主要分为两大派系:分别是大爆炸学说,和“大反弹”学说。
大爆炸理论,相信绝大多数朋友,应该都或多或少的对其有一定的了解。毕竟,这是目前物理学界的主流,至少在五十年内,大爆炸理论是不太可能被推翻的。它来自于上世纪著名物理学家爱因斯坦的广义相对论;
爱因斯坦在对广义相对论的方程式进行推算的时候,意外的发现了宇宙存在寿命;因此,他后来就和另外一位著名学者史瓦西,一起提出了“宇宙大爆炸假说”。所谓的宇宙爆炸,来源于一百三十亿年前的一个史瓦西奇点;
史瓦西奇点,被爱因斯坦设想为内部质量,密度都无可估量的神秘物质。它经过外部刺激的介入之后,突然急速膨胀,让宇宙成型。上世纪末,天文学家哈勃发现了从宇宙中心传来的“红移信号”,证明了宇宙膨胀是存在的,进而坐实了大爆炸理论。
那“大反弹理论”呢?这是美国哥伦比亚大学天文系教授戈登,在二零一五年提出的一个“非主流假设”。它认为,现有宇宙,是上个宇宙在不断的膨胀下,平衡被破坏,从而重新“演化”的结果。
换句话说,宇宙是个气球,不断的膨胀,爆炸,缩小,膨胀,再爆炸。听起来,好像挺有意思;但是,没什么实际证据的支持。
美国股票市场是世界资本市场的重要组成部分。如果美国股市大幅下跌,将对整个全球资本市场产生一系列蝴蝶效应,受到一定程度的冲击和影响。中美贸易战持续发酵,很多中国股市有一些影响,也会对美国股市产生影响;对中国股市既有正面影响,也有负面影响;美国对中国有色钢铁产品、纺织服装、电子技术、中国制造等加征关税。这将影响这些产品的成本和价格,公司的收入会相对减少,因此公司的股价也会下降,这是一个负面的连锁反应。
同理,一些股票也会受益。比如中国对大豆、生猪、汽车、飞机等美国进口产品加征关税的反制措施。也会影响美国对中国这些产品的进口。那么这些产品在中国的价格就会上涨,公司这些产品的利润就会相对增加,公司的股价也会上去,这也是一种积极的影响和连锁反应。首先,如果美国股市大幅下跌,美国部分投资者的财富将大幅减少,尤其是对于现在的美国,他们整个国家已经出现了严重的金融资本膨胀,也就是说,对于每一个美国人来说,他们的整体金融资产的比例是比较高的,所以如果美国股市出现一定的问题,每一个美国人的家庭财富也会受到严重的冲击,他们整个社会都会受到影响。
其次,对于美国股市来说,如果出现严重下跌,那么这些流动性资金,比如一些机构的热钱,很可能会流入其他资本市场。举个例子,如果部分基金在美国股市大跌,大量的资金会相应的去中国对冲资产,可能会对美国股市产生较大的冲击和影响,但是对于中国股市来说,极有可能会迎来新一波的发展和提升,因为目前对于全世界的资本市场来说,大部分国家都是秉承金融开放的态度, 所以资本可以在全球自由流动,即使我们国家对资本有一定的限制,但整体处于逐步开放的过程中,所以如果他们在一个地方遭遇挫折,很有可能会去另一个国家的资本市场。
当埃德温·哈勃宣布宇宙是持续膨胀的,爱因斯坦十分不安,据报道,他称他的广义相对论中的宇宙学常数的内容是他一生中最大的失误。这个失误就是他假设宇宙是一个静止不变的地方。宇宙的膨胀意味着它会分开居民,像从捏紧的软管中分开水流,追寻水流的流径,发现水流都会回到一个点。宇宙被构想为从一次爆炸中所诞生,那就是宇宙的第一件大事——宇宙大爆炸。
如果宇宙是无限的、永恒的,那么每一条视线都会出现在一颗恒星的表面上,这样的话,夜空就会像太阳的表面一样光芒四射。当然,事实并非如此,因为星星不能在某一特定的时间之前发光。宇宙有一个开端,大约138亿年前,这一发现是如此的深刻,以至于斯蒂芬·霍金宣称它是“现代宇宙学中最了不起的发现”
图解:大爆炸的艺术表现
然而,人们不禁想知道到底是什么导致了这场大爆炸?换个问法,在大爆炸之前存在着什么?
然而,这个问题太模糊了。物理学家只通过仔细观察它的某些方面来缩小它的范围,比如推测什么先前的现象会使我们的宇宙表现出它目前所具有的特性。一个令人费解的特点是宇宙的惊人秩序。宇宙,由于一些神秘的原因,表现出非常低的熵或无序,而且由于熵随时间的增加,宇宙在理论上必然以更小的熵开始。大爆炸之前的理论必须解释为什么它是这样开始的。
在所有的理论中,我只列举了两个最重要的理论。然而,这些都是推测,而不是经过验证的事实,但它们背后的天才和严谨却说明了大自然对这些骇人听闻的、特别怪异的可能性的默认,当然,如果数学允许的话。
图解:根据大爆炸理论,宇宙是由一个极紧密、极炽热的奇点膨胀到现在的状态。
大反弹
一个有开始的宇宙意味着它必须有一个结束。宇宙学家将此称为“大收缩”,这是一个世界末日,宇宙变得过于拥挤,并在自己的质量下瓦解。在这种情况下,在某种程度上,引力收缩强过空间膨胀,把每一个质量都拉向一个点,发展成一个可怕的黑洞。
图解:这个叫做“大反弹”的理论预测,我们的宇宙是从一个以前的宇宙的崩溃中诞生的,当时它坍缩成了一个奇点,然后“反弹回来”产生了我们的宇宙。
为这个黑洞提供动力的单点被称为奇点。它是一个零体积和无限密度的区域,因此是无限重力的。少数宇宙学家认为,正是这场灾难孕育了我们的宇宙。
奇点是极著名且难以解释的宇宙学现象。目前,物理学中没有一个分支能够解释它们的行为。不仅爱因斯坦的广义相对论在如此微小的尺度无法解释,而且在无限密度下的粒子物理也超出了标准量子物理模型的理解范围。大反弹违反了广义相对论,因为似乎没有明显的理由可以解释黑洞会突然转变为一个白洞。有些人认为,我们的推理是不完整的,必须有一个新的、未被发现的领域,将收缩转化为膨胀。
图解:超大质量黑洞宇宙射线的渲染(图片来源:WJ共享资源)
然而,统一的理论可能会有所帮助。所包含的物理,是高度深奥的,是经典物理学和量子物理学的结合,称为量子宇宙学。它巧妙地找到了一种预测“反弹”的方法,而不会与奇点起冲突。
量子宇宙学家推测,大收缩不是收缩成一个奇点,而是缩小到有限体积和密度的一个稍大的原始点,引力的量子效应达到它们的顶点,产生极大的排斥力,将宇宙从死亡中反弹回来,因为这种排斥力把一切都推向四方。
这一理论是在20世纪60年代提出的,在80年代和90年代初获得了相当大的关注。尽管它无法解释宇宙是如何以低熵开始的,但这个理论可以解释它是如何假定一个平面和均匀的结构的。事实上,它需要向前移动熵降的时间,我已经提到过,这是不可能的。
大反弹理论的支持者们预测,我们宇宙的诞生是膨胀-收缩循环的一部分。不过,一个巨大的收缩似乎不太可能,因为暗能量正在以过高的速率扩展宇宙。热死亡似乎更合理。
多元宇宙
20世纪60年代记录的宇宙微波背景辐射(CMBR)是大爆炸发生的不可磨灭的证据。这是余热,从爆炸中发出的第一束光,其波长现在延伸到微波。然而,宇宙学家对宇宙性质的均匀性感到困惑。各向同性给出了宇宙如此有序的原因。
图解:CMBR的图片是一张华丽的地图,代表着大爆炸的发生的不可磨灭的证据。人们可以很容易地观察到宇宙的均匀性,这意味着原始宇宙的各向同性。
物体通过将它们的热量传导到附近的物体或周围,达到温度平衡,直到它们降低温度,接收者提升温度,两者温度变得相等为止。然而,宇宙的一致性似乎是不可能的,因为在宇宙尺度上实现这个平衡受到光速的限制-它不可能立即实现。
AlanGuth提出,当大爆炸发生后不久,当原子接近时,平衡很快就实现了。根据他的说法,平衡很快就被指数膨胀所实现。我们现在看到的结构,它在不到一秒的时间内就形成了。他称这种现象为宇宙暴胀。
宇宙暴胀导致原始空间以超过光速的速度膨胀!这是允许的,因为特殊相对论限制了在太空中运动的物体,而不是空间本身的扩展。
它不仅能很好地解释大爆炸是如何发生的,还可以解释是什么导致了大爆炸。根据膨胀,空间不断地经历微小的随机量子涨落,只要它们存在一小段极微小的时间,能量粒子对和反粒子可以突然出现,直到瞬间毁灭它们湮灭。宇宙暴胀使这些粒子在消失之前就被分开了。
然而,20世纪80年代的研究人员发现,暴胀是永恒的-在某些地区超过光速扩张停止,但在另一些地区仍在进行。这意味着形成了一个宇宙网格或多个宇宙,它像连在一起的肥皂泡,我们的宇宙是其中之一,与我们的外界隔绝,不被发现。
多元宇宙为像我们这样的低熵宇宙如何挤过高熵宇宙提供了令人信服的论据。孤立的气泡也解释了宇宙常数所假定的刚性数——这个长期困扰着物理学家的问题。
多元宇宙意味着膨胀创造了无限宇宙,每个都说明了不同的性质,所有这些诞生于巧合。那么,为什么自然规律如此慷慨地对我们有利。一点点不幸和数字的改变就会产生不同的价值,从而我们也将不复存在。
到目前为止,科学界已经达成共识,认为大爆炸是从一个奇点爆发的,在这个点上,所有的物理定律都会失效,只是粗略地描述了其中的原理。现在,如果没有一个无所不包的理论,一个希望将经典物理学和粒子物理学结合起来的理论,科学只能绕圈子;它无法在没有任何不确定性的情况下预测我们的宇宙是如何开始的。
我们首先要理解宇宙大爆炸究竟为何物。
“宇宙大爆炸是时间的一个瞬间,而不是空间中的一个点。”加利福尼亚理工学院理论物理学家肖恩·卡罗(Sean Carroll)指出。
你想象中的宇宙大爆炸也许是这样一副情景:一个极小、极致密的点忽然爆炸,不断向虚无中扩张。现在你可以把这种想象从脑海中抹去了。卡罗指出,首先,大爆炸发生时的宇宙不一定很小。不错,如今可观测宇宙(一个直径约930亿光年的球状空间,包含至少2万亿个星系)中的一切都曾挤在一个直径不到1厘米的狭小空间中。但在可观测宇宙之外,也许还有许许多多地球人无法观测到的事物,因为光在138亿年间走不了那么远。
因此卡罗表示,大爆炸时的宇宙可能极其微小,也可能无限庞大。因为我们无法看到超出观测范围外的事物过去的样子。我们只知道当时的宇宙非常、非常致密,并且扩张的速度非常快,密度也随之迅速减小。
真正说起来,宇宙之外应该空无一物才对,因为宇宙的定义就是包罗万物。所以在大爆炸发生时,一切事物都比如今更致密、更炽热,但“在此之外”存在的事物并不比近日更多。你可能会想开上帝视角,想象自己站在一片虚空之中,看着大爆炸发生前、杂糅成一团的“婴儿宇宙”。但卡罗指出,这是不可能的,并非是宇宙向空间中膨胀,膨胀的就是空间本身。
“无论你如今在宇宙中置身何处,如果你追溯到140亿年前的自己,都会回到同样一个极度炽热、致密和迅速扩张的状态。”卡罗表示。
没人知道宇宙中究竟发生了什么事情,直到大爆炸发生1秒之后,宇宙足够冷却,让质子和中子得以相撞并结合。确实有很多科学家认为,宇宙在这一秒钟之内经历了一个以指数级扩张的“膨胀”过程。这一过程可以抚平时空纹理,也可以解释当今宇宙中的物质为何分布得如此均匀。
大爆炸之前
在大爆炸之前,宇宙也许是一条由极度炽热、致密的物质构成的无限延伸线。出于某些原因,这些物质能够一直保持稳定状态,直到宇宙大爆炸的发生。卡罗指出,这个极度致密的宇宙也许曾由极小尺度上的物理法则——量子力学主宰。而随后发生的宇宙大爆炸则代表了经典物理学取而代之、成为宇宙演化的主要推手的一瞬间。
霍金认为,这一瞬间才是关键所在。他指出,在大爆炸之前的一切事件都无法测量,因此也无从定义。霍金把这叫做“宇宙无边界理论”:他认为时间和空间都是有限的,但既无边界,又无起始点和终结点。就像地球有限、但无边一样。
“既然大爆炸之前的事件都没有造成可观测到的结果,我们不妨直接把它们从理论里砍掉,宣称时间就是从宇宙大爆炸开始的。”霍金在2018年的一次采访中表示。
还有一种可能:在宇宙大爆炸之前,也许还有其它值得我们探索的事物。有一种理论认为,宇宙大爆炸并非时间的起点,而是对称的中心点。从这种理论来看,在大爆炸之前,还存在一个和当今宇宙一模一样的宇宙,只不过熵的变化规律不是逐渐增加,而是逐渐减少。
卡罗指出,从本质上来说,熵增(即系统无序性增加)方向就是时间箭头的方向。因此在这个镜像宇宙中,时间的流逝也和现代宇宙相反。对那个宇宙而言,我们的宇宙才是过去。该理论的支持者还提出,其它宇宙特性在这个镜像宇宙中也是刚好相反的。例如,物理学家戴维·斯隆(David Sloan)曾指出,另一个宇宙中的分子和离子的不对称性(即手性)和我们的宇宙相反。
有一种相关理论认为,宇宙大爆炸并不是一切的开端,而是宇宙从收缩期向膨胀期切换的一瞬间。该“大反弹”理论认为,随着宇宙不断扩张、收缩、再扩张,还会发生无数次大爆炸。但卡罗指出,这些理论的问题在于,它们并未解释宇宙为何、或如何从扩张态转为收缩态、从高熵态转为低熵态。
卡罗和同事珍妮弗·陈(Jennifer Chen,音译)对宇宙大爆炸也提出了自己的设想。2004年,两位科学家提出,我们所知的宇宙也许是一个母宇宙的“后代”,是从母宇宙中剥落的一小块时空。
卡罗称这就像放射性原子核的衰变过程:原子核衰变时会释放出一个α或β粒子,而母宇宙也会如此,只不过释放的不是粒子,而是子宇宙,且数量也许多达无穷。“也许是某次量子波动造成了这样的结果”。卡罗表示。这些子宇宙“是真正意义上的平行宇宙”,并且不会与彼此发生相互作用、或者对彼此造成影响。
你可能觉得这些理论听起来十分魔幻,事实也的确如此,因为科学家连宇宙大爆炸的一瞬间都看不到,更别提大爆炸之前的情况了。不过卡罗指出,探索的机会还是有的。2015年探测到的、由星系剧烈相撞产生的引力波就提供了这样一种可能性,我们也许可以用引力波揭开宇宙大爆炸后关键一秒内、关于宇宙扩张的种种未解之谜。
卡罗表示,理论物理学家也有大量工作要做,比如对量子引力等量子力做出更精准的预测。
“除非我们有理论可参考,否则我们连自己在找些什么都不知道。”卡罗指出。
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