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ZT与宇宙和人类有关的12个问题


   (博讯北京时间2011年11月28日 转载)
   
    来源: 科技日报
    (博讯 boxun.com)

   
    人类自从诞生伊始,就一直被几个问题所困扰:我们来自何处?宇宙为什么会存在?是否还存在其他宇宙?是否还存在另一个我?人类最终会灭绝吗?宇宙的终极命运是什么?等等。
   
    这些绵远而恒久的问题激起了无数科学家的兴趣,他们穷尽毕生心血,给出了各种各样的答案。近日,英国《新科学家》杂志为我们一一进行了梳理和分析。这些答案或许远非最终答案,但俗话说:吾生也有涯,而知也无涯。探究和追寻这些问题的答案或许是人类这个宇宙中最奇特的存在最大的存在理由吧。

1.我们从何处而来?

   
    为什么我们会在这儿呢?我们来自于何处呢?按照中非Boshongo人的传说,在我们出现之前,世界太初只有黑暗、水和伟大的上帝Bumba。有一天,Bumba胃痛发作,呕吐出太阳。太阳让一些水蒸发,留下大地。他仍然不舒服,又吐出了月亮、星辰以及随之而来的美洲豹、鳄鱼、乌龟等,最终吐出了人类。
   
    这个创世纪神话和很多神话一样,试图回答人类自诞生伊始就一直在追问的问题,那就是:为什么我们会在此处?现在,我们拥有的一个强大的工具——科学可以为自己提供答案。
   
    大约80年前,科学家们首次发现了第一个科学证据。上世纪20年代,美国天文学家爱德温•哈勃开始用一个100英尺的望远镜在位于洛杉矶的威尔逊山天文台观察宇宙。哈勃发现,恒星并非均匀地分布于整个空间,而是大量聚集在被称为星系的集团之中。
   
    哈勃测量来自星系的光,进而能确定它们的速度。起初他估计,向我们飞来的星系和远离我们的星系一样多——这是在一个随时间不变的宇宙中应有的。但令哈勃惊讶的是,他发现几乎所有的星系都正在远离我们而去。而且,距离我们越远的星系,远离我们的速度也越快。我们身处的宇宙正在不断地膨胀,星系之间的距离随时间而增大。这一发现彻底颠覆了原先人们拥有的宇宙随时间保持不变这一认知。
   
    宇宙在膨胀是20世纪或任何世纪最重要的发现之一。它转变了宇宙是否有一个开端的争论。如果星系现在正在相互远离,那么,它们在过去一定更加靠近。如果它们过去的速度一直不变,那么,在大约150亿年之前,所有星系应该一个落在另一个上。这个时刻是宇宙的开端吗?
   
    很多科学家仍然不喜欢宇宙具有起点,因为,这似乎意味着物理学崩溃了。因此,人们不得不求助于“外援”,为方便起见,人们将其称为“上帝”,它决定了宇宙如何开始。为此,科学家们提出了一些理论,这些理论认为,宇宙此时此刻正在膨胀,但是,宇宙没有起点,或许,我们最熟知的是1948年由英国天体学家邦迪、高尔德和霍伊尔提出的稳恒态理论。
   
    稳恒态理论认为,宇宙会永远存在,而且,在所有时间中都显得一样。但后来,科学家们发现,宇宙是存在起点的,因此,稳恒态理论被扔进了科学史的故纸堆。
   
    证实宇宙存在着一个非常稠密起点的观测证据出现在1965年10月,那时,科学家们发现了贯穿整个宇宙空间的微弱的微波背景。这些微波和人们使用的微波炉的微波是一样的,但比微波炉的微波微弱很多。它们只能将匹萨加热到零下270.4摄氏度,无法将匹萨化冻,更不用说烤熟它。实际上,你自己就可以观察到这些微波。把你的电视调到一个空的频道,在荧幕上看到的雪花的百分之几就归因于这个微波背景。
   
    唯一合情合理的解释是,该微波背景是宇宙早期非常热而稠密状态遗留下的辐射,随着宇宙不断膨胀,这种辐射慢慢冷却,直到我们今天观察到它的微弱残余。
   
    理论也支持这一观点,英国宇宙学家史蒂芬•霍金和英国数学家兼物理学家罗杰•彭罗斯教授已经证明,如果爱因斯坦的广义相对论是正确的,那么,将存在一个奇点,这个奇点拥有无限的密度和时空曲率,时间在此处开始。
   
    宇宙开始于一场大爆炸,随后膨胀得越来越快,这就是宇宙暴胀理论,结果也证明,早期宇宙膨胀得更快,宇宙在比一秒还微小得多的时间里膨胀了1030倍。
   
    和通货膨胀不同,早期宇宙的暴胀是非常好的事情。它产生了一个非常巨大、均匀而平坦的宇宙,正如我们观察到的。然而,它不是完全均匀的,宇宙到处都有细小的变化,这些变化导致早期宇宙的温度与现在相比会有些许不同,这一点能在宇宙微波背景中观察到。
   
    这些变化意味着,有些地区膨胀的速度会稍慢一点,这些区域最终会停止膨胀并再次瓦解为星系和星星,星系和星星反过来会形成太阳系。
   
    我们自己的存在应归功于这些变化。如果早期宇宙完全光滑,将不会出现行星,因此,生命也不会诞生,我们是极早期宇宙的量子起伏的产物。
   
    尽管这一点越来越清楚,但还有很多问题悬而未决。我们为何在此?我们是宇宙中唯一能回答这些问题的生物吗?现在,我们正慢慢开始获得这些古老问题的答案。  

2.为什么宇宙会存在?

   
    《新科学家》记者阿曼达•杰夫特曾写到:“宇宙很大,真的很大。”如果我们的宇宙大爆炸理论是正确的,那么,以前的宇宙会比现在小。确实,在某点上,宇宙甚至并不存在。大约137亿年前,时间和空间同时从“空”中产生。那么,这一切是如何发生的呢?
   
    或者,换句话说,万事万物为什么会存在呢?这是一个大问题,或许是最大的问题。宇宙从虚无中产生这个观点本身就让人头大,想象一下什么是虚无或许更让人崩溃。
   
    然而,从科学的角度而言,这也是一个合乎情理的问题。毕竟,有些基本的物理学法则认为,在很大程度上,你和宇宙中其他事物存在的可能性微乎其微。热力学第二定律是现有的最被接受的物理学法则之一。该法则认为,熵(entropy,指体系的混乱程度,在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用)一直在增加。
   
    科学家们用熵作为衡量指标,来测量不改变系统外观的情况下,系统的各组成部分可采用几种方式来排列。排列方式越多,熵越高;反之,越低。例如,一个热气中的分子可以采用多种不同的排列方式制造出同样的温度和压力,因此,该气体就是一个高熵系统。相反,人们无法在不将一个活体生物变成一个非活体生物的情况下,对该活体生物的分子进行重排,因此,该活体生物是一个低熵系统。
   
    按照同样的逻辑,虚无是我们周围最大的熵系统。人们能随心所欲地对其进行洗牌,并且,它仍然看起来是虚无。
   
    鉴于这一法则,很难观察到虚无是如何变成某些事物的,更不用说变成像宇宙那么庞大的事物了。但是,熵只是宇宙故事的一部分。对称性也和宇宙故事脱不了干系。自从宇宙诞生伊始,对称性的影响力似乎与日俱增。虚无的对称性就非常好,诺贝尔奖获得者、麻省理工学院的物理学家弗朗克•韦尔切克表示:“虚无是完全对称的。”
   
    然而,在过去几十年中,科学家们已经知道,对称性是可以打破的。韦尔切克的专业是量子色动力学,这是一个描述夸克之间强相互作用的标准动力学理论,它是粒子物理标准模型的一个组成部分。该理论告诉我们,虚无是事物的不稳定状态。“你能够制造出一个没有夸克和反夸克粒子在其中的状态,它是完全不稳定的。”韦尔切克说,“它会自发地开始产生夸克—反夸克对。”美国科罗拉多州立大学的物理学家维克托•斯坦格表示,因此,虚无完美的对称性被破坏了,这会产生一个意想不到的结论:尽管存在熵,有是比虚无更加自然的状态。
   
    英国牛津大学的量子物理学家弗兰克•克洛斯也同意这个观点,他表示,根据量子理论,不存在“空”这一状态。“空”有精确的初始能量,对不确定的量子世界来说,“空”是一个非常苛刻的要素。相反,真空实际上充满了滚烫的粒子汤,它们在存在之间进进出出。从这个意义而言,包括你、我、月球以及我们宇宙中所有的一切事物都由量子真空受激而产生。
   
    宇宙的起源还有其他解释吗?韦尔切克表示,恐怕没有了,他说:“虚无和充满了各种物质的宇宙之间毫无障碍。”或许,大爆炸是虚无顺其自然的产物。
   
    当然,这也提出了一个问题,大爆炸之前有什么呢?大爆炸持续了多长时间呢?不幸的是,在这点上,基本概念让我们灰头土脸:“以前” 这个概念变得毫无意义。用史蒂芬•霍金的话来说,这些问题就像问南极之南是什么一样。
   
    即便如此,有来自于虚无这一想法可能会引发一个更令人抓耳挠腮的后果,那就是:或许虚无本身就不可能存在。
   
    为什么这么说呢?量子不确定性使时间和能量之间达到了平衡,因此,持续时间很长的事物拥有的能量一定很少。这就可以解释一个问题:我们的宇宙持续了数十亿年——在这么长的时间内,星系得以形成,生命进化为能对其存在性进行提问的双足动物,因此,宇宙的总能量一定很低。
   
    这也符合人们对早期宇宙的普遍认识:大爆炸之后,时空经历了一个突如其来的膨胀。这短时期的迅猛膨胀——暴胀为宇宙填充了巨大的能量。但是,爱因斯坦的广义相对论告诉我们,更多的时间—空间也意味引力更大。引力产生的拉力代表让宇宙膨胀的负能量,其能抵消暴胀产生的正能量——宇宙从虚无中产生,这种正能量不可或缺。麻省理工学院的宇宙学家阿兰•古斯表示:“我想要说的是,宇宙是最后的免费午餐。”古斯于30年前提出了暴胀理论。
   
    过去,物理学家们担心,万事万物从虚无中产生会违背很多物理学法则,比如能量守恒定律。但是,如果存在着初始能量来使其守恒,问题自然烟消云散。并且,从虚无中产生一个宇宙不仅变得似乎可行,而且还是可能的。古斯说:“可能更好的表达方式是,有即是无。”
   
    然而,上述种种解释还是无法让我们摆脱困境。我们对于宇宙万物生成的理解依赖物理学法则的合理性,尤其依赖量子不确定性的合理性。但是,那意味着,在宇宙存在之前,物理学法则就已经被编织入宇宙的“衣料”中。那么,物理学法则如何能超出时空而毫无理由地存在呢?或者,换句话说,为什么有一些不是虚无的事物事先就存在呢?

3.为什么宇宙刚好适合我们生活?

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