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浑沌开窍宇宙诞生?: 热度 23 tianrong1945 2015-11-13 08:15; 8. 浑沌开窍宇宙诞生 ? 爱因斯坦说：“关于宇宙最不可理解的是，它居然可以被理解！” 此言精辟之至，令人莞尔。我们在上一篇中讲了一个“庄周梦蝶”的故事。庄子还写了另一篇寓言，叫做“浑沌开窍”，简译如下。南海之帝倏，北海之帝忽，中央之帝名浑沌。倏忽二人经常在浑沌之领地相遇同乐，他们可怜浑沌无目无耳无鼻无口无心无智无识，只有混沌一团，无法享受世俗之美好。倏和忽商量为浑沌凿开七窍而报答他。于是他们就一天凿一窍，凿到第七天，七窍全凿通时，浑沌就死了。庄子善于借用古代神话故事改造为寓言以阐述其哲学思想。此篇寓言中的浑沌，取之于中国古书《山海经》中的创世神话：“天地混沌如鸡子，盘古生其中。” 几乎每个古老的文明都有他们的创世神话。以上两句所说的是中国古代“盘古开天地”的神话，基督教圣经的创世纪一章中也有上帝造物七天而完成的说法。庄子将创世之初宇宙的渾沌状态拟人化，讲述了一个倏、忽、渾沌三个人的故事，庄子在文中并没有交代清楚浑沌为什么七窍一通就死了？但正是这种言犹未尽的风格才给予了后人无限联想的空间。认为他是在宣扬他崇尚自然，有道无为的道家思想：凡事不可强求，只能顺其自然。在古汉字中，“倏”字和“忽”字都是“极快”的意思，与时间有关。倏为南帝，忽为北帝，混沌中间之帝，这儿的南、北、中显然是代表空间。这个故事描写得太妙了，时空交接处为“混沌”，七日之后，混沌开窍而死去，宇宙是否就从混沌中诞生了？这不就有点像是现代宇宙学中大爆炸模型的写照吗。神话毕竟是神话，七天便创造了世界的一切，想象得太简单了！科学不一样，宇宙如何从混沌一团走向尘埃落定？如何组织合成了现有的各种物质成分？以致于最后如何演化、凝聚，形成星球星系？直到诞生生命、产生意识，进化到人类。其中每一步都要有合理的理论模型来支持和解释。所幸物理学从伽俐略牛顿之后发展了几百年，加上其它科学技术近几十年来的长足进展，人类的知识宝库中五彩缤纷琳琅满目。从微观、宏观、到宇观，从电子、中微子、夸克等基本粒子，到电力系统、网络系统，再到核能的研发和利用、天文观测技术的进步，以及生物学等学科的研究成果，几乎各个层次的理论和实验都能够在宇宙演化的漫长旅程中找到相关的应用。宇宙学中的大爆炸模型，最初思想是基于 100 年前爱因斯坦的广义相对论。上世纪 20-30 年代，哈勃观测到宇宙中的星系在互相远离的事实；之后，原籍苏联的美国物理学家伽莫夫在 1948 年提出了太初核合成理论，成功地解释了宇宙中各类轻元素丰度的比值，支持和完善了宇宙的大爆炸学说。但是，这个理论当时仍然未被主流界广泛接受。上世纪的 50 年代到 60 年代初，如果谁在科学报告会上提到宇宙诞生于一场“大爆炸”，也许会引起听众一片哄笑，大多数人士会认为这是出于报告人的宗教信仰，或者是属于某种奇谈怪论。使得科学界的看法最后逆转的是半个世纪之前偶然被新泽西州两个工程师所观察证实的“宇宙微波背景辐射”。之后，这个理论才逐渐被科学界接受。现在，大爆炸模型已经得到了当今天文观测最广泛且最精确的支持。虽然许多疑问尚存，但基本上被物理主流认为是迄今为止解释宇宙演化的最精确模型。宇宙膨胀、太初核合成理论对元素丰度的预测、以及宇宙微波背景辐射的发现，构成大爆炸模型实验方面的三大支柱，是支持大爆炸理论三个最重要的证据。图 8-1 ：大爆炸发生在空间的每一点近几十年来，宇宙学逐渐成为了一门真正的科学，宇宙的演化过程逐渐被人们了解。但在众人的理解中，即使是物理学、宇宙学方面的专业人士，却都难免存在许多的“误解” 【 1】。 a. 大爆炸不是“无中生有” 广义相对论是关于时间空间与物质分布关系的理论。哈勃的观测资料证明宇宙空间在不停地膨胀，星体间互相逐渐远离。那么，以此规律将时间倒推到过去，星体间必然曾经靠得很近，并且，离“现在”越久远，宇宙中星球的密度就会越大，亦即同样多的“星体”占据的空间就会越小。再往前，星体便会不成其为星体，而是因为短距离下强大的引力而“塌缩”在一块儿，成为混沌一团的等离子体。再往前推，物质的形态表为各种基本粒子组成的“混沌汤”：电子、正电子、无质量无电荷幽灵般的中微子和光子。推到最后，给我们的“宇宙最早期”图景，便是一个密度极大且温度极高的太初状态，也就是说，我们现在的宇宙是由这种“太初状态”演化而来。称之为“大爆炸”。仅仅从广义相对论这个 “经典引力理论”而言，如上所述的“时间倒推”可以一直推至 t=0 ，它对应于数学上的时间奇点。但是实际上，当空间小到一定尺度，也就是说对应于时间“早”到一定的时刻，就必须考虑量子效应。遗憾的是，广义相对论与量子理论并不相容，迄今为止物理学家们也没有得到一个令人满意的量子引力理论。因此，我们在图 8-1 的示意图中，将大爆炸模型开始的时间定在普朗克时间（ 10 -43 秒），或者更后一些，引力与其它三种作用分离之后（ 10 － 35 秒）。这是物理学家们能够自信地应用现有理论的最早时间，任何理论都有其极限。我们的理论目前只能到此为止，至于更早期的量子引力阶段，可以研究，但现在的标准理论尚未能给出满意的答案。如果再进一步，有人要问：“当时间 t0 ，大爆炸之前是什么？”、或者“什么原因引起了大爆炸？”之类的问题，那就更是暂时无法回答了。所以，目前来看，大爆炸并不是一个无中生有的“创世理论”，而只是一个被观测证实、得到主流认可的宇宙演化模型。宇宙的所有物质原本（从普朗克时间开始）就存在在那儿，“大爆炸理论”只不过描述宇宙如何从太初的高温高压高密度的“一团混沌”演化到了今日所见的模样。图 8-2 ：宇宙不是从大爆炸“无中生有”而“诞生”出来的宇宙的“演化”进程非常地不均匀。温伯格曾经用一本书的篇幅，来描写宇宙早期（开始三分钟）的进化过程【 2 】，而直到“大爆炸”发生大约 10 亿年之后，才形成了星系。 b. 宇宙“爆炸”不同于炸弹的“爆炸” “大爆炸”不是一个准确的名字，容易使人造成误解，会将宇宙演化的初始时刻理解为通常意义上如同炸弹一样的“爆炸”：火光冲天，碎片乱飞。实际上，炸弹爆炸是物质向空间的扩张，而宇宙爆炸是空间本身的扩张。炸弹爆炸发生在三维空间中的某个系统所在的区域，通常是因为系统内外的巨大压力差而发生。发生时系统的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为机械功，通常同时伴随有放热、发光和声响效应，影响到周围空间。对宇宙大爆炸而言，根本不存在所谓的外部空间，只有三维空间“自身”随时间的“平稳”扩张。有人将宇宙大爆炸比喻为“始于烈焰”、“开始于一场大火”，此类说法欠妥。图 8-3 ：宇宙“大爆炸”不同于炸弹爆炸 c. 空间扩张但星系不扩张什么是“空间本身的扩张”？之前曾经介绍过，我们三维空间可能的拓扑形态有三种：球面、平坦、马鞍型，根据宇宙总质量密度与临界质量密度的比值 Ω 而定，即取决于 Ω 是大于、等于、或小于 1 。如果认为宇宙是平坦而无限（如同 1998 年之后的观察结果所支持的： Ω= 1.0010 ± 0.0065 ），二维“空间扩张”可以比喻成一个可以无限伸长扩展的平面橡皮薄膜。橡皮膜扩展时，上面的所有花纹也将扩展，宇宙空间扩展的情况则有所不同。如图 8-4 所示，空间膨胀时，星系的尺寸并不变大。这是因为“引起宇宙膨胀”和“维持星系形状”是两种不同的作用机制。星系的形状是靠一般的万有引力（吸引力）来维持，宇宙膨胀的机制尚未完全明确，一种说法是用爱因斯坦引进的宇宙常数来解释，这是一种互相排斥的“反引力”效应，由负压强产生（也就是所谓的暗能量），只在大尺度范围起作用。所以，大尺度范围的反引力使得宇宙膨胀，而局部起着主导作用的引力（吸引力）则维持星体聚集在一起，从而形成了图 8-4 下图所示的空间膨胀图景。图 8-4 ：对空间膨胀的理解如上所述，宇宙膨胀，但星系并不膨胀。星系不膨胀，其中的星体、恒星、行星，我们的太阳、地球、月亮，都不膨胀。也就是说，只有“大尺度”（星系间的距离尺度）的空间才有可观测的膨胀效应，原子中原子核和电子间的距离却是保持不变的。因而，我们日常所见的一切：树木、高山、房屋、桌椅、以及度量用的“尺”，都保持不变，与宇宙的膨胀无关。 d. 可观测宇宙和整个宇宙自从望远镜发明以来，过去几个世纪的天文观测资料不断地调整着人类在宇宙中的地位。这是对我们自信心一次又一次的严重打击，将我们从自认为是宇宙中心的位置上拉下来，一步一步地往下拉！最后，人类不得不承认我们脚下的这片看起来广袤无垠的土地，只不过是茫茫宇宙中毫不起眼的一粒尘埃！与整个宇宙比较起来，人类赖以生存的太阳系显得如此渺小。即使是整个银河系，也让我们大失所望，它在宇宙中不过是数十亿计星系中的普通一个，毫无特殊性可言。根据宇宙学原理，宇宙是均匀和各向同性的，因而，整个宇宙没有中心。但是，很多时候我们所谓的“宇宙”，指的是对地球而言的可观测宇宙。可观测宇宙有中心，只是整个“真实宇宙”的一部分，观测点则是“可观测宇宙”的中心。整个宇宙有可能是无限的，可观测宇宙则总是有限的。如果真实宇宙是有限的话，理论上而言，真实宇宙可以小于可观测宇宙。但根据迄今为止的天文观察资料，我们真正的宇宙接近“平坦”，无论有限无限，都应该大大地大于可观测宇宙。 e. 宇宙大爆炸发生在空间每一点此外，又该如何理解“大爆炸发生在空间每一点”？真实的宇宙只有一个，但对每一个观测点都可以定义一个可观测宇宙。比如说，对地球而言，目前可观测宇宙的大小是一个以地球为中心半径为 465 亿光年的球，如图 8.5 所示。图 8-5 ：地球（银河系）的可观测宇宙从大爆炸开始，宇宙在不停地膨胀。所以，离大爆炸的原点越近，可观测宇宙的范围越小。地球年龄不过 45 亿年左右，银河系的年龄则超过 100 亿年，因而图 8-5 表示的是以银河系为中心的可观测宇宙。早到宇宙寿命 10 亿年左右，星系刚形成，从银河系大概只能观察到自己的星系。不妨假设银河系中心所在位置为 O 0 。在接近大爆炸的时刻，可观测宇宙将缩小到弹子球、以至于一个原子的尺度，假设那时仍然以点 O 0 为中心。因此，对银河参照系而言，最开始的大爆炸发生于其中心点 O 0 。但是，银河系只是真实宇宙中一个普通的星系，对其它星系而言，存在另外的以其它点 O 1 、 O 2 、 O 3 、……为中心的可观测宇宙，对这些星系，大爆炸分别发生于点 O 1 、 O 2 、 O 3 、……。也就是说，大爆炸发生于初始空间的每一个点。如果真实宇宙是平坦而无限的，初始空间也基本上是平坦而无限的，大爆炸发生在这个无限空间的每一个点，如图 8-1 所示。从大爆炸开始，本来就无限的宇宙，经历了“暴涨、扩展、冷却、太初核合成、各种粒子不断地产生、湮灭、……”等等过程，最后，演化成为我们现在所见的星系世界。（下一篇继续）参考资料：【 1 】 Charles H. Lineweaver Tamara M. Davis ， Misconceptionsabout the Big Bang ， Scientific American (March 2005), 292, 36-45 【 2 】 Steven Weinberg ， The First Three Minutes: A ModernView of the Origin of the Universe ， Basic Books ， 1977.; 个人分类: 系列科普|17271 次阅读|58 个评论

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