迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

隨著科技界的不斷髮現,更多的問題也隨之出現。許多的簡單問題竟然找不到答案。就比如我們的宇宙從何而來?宇宙大爆炸之前是什麼樣子?大爆炸的能量從何而來?大爆炸只是產生了我們一個宇宙嗎?下面我們一一來尋求答案。

1927年,比利時天文學家和宇宙學家勒梅特(Georges Lemaître)首次提出了宇宙大爆炸假說。1929年,美國天文學家哈勃根據假說提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律,並推導出星系都在互相遠離的宇宙膨脹說。

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

現代宇宙學中最有影響的一種學說。它的主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期裡,宇宙體系在不斷地膨脹,使物質密度從密到稀地演化,如同一次規模巨大的爆炸。該理論的創始人之一是伽莫夫。1946年美國物理學家伽莫夫正式提出大爆炸理論,認為宇宙由大約140億年前發生的一次大爆炸形成。但是提供大爆炸的能量從何而來,卻沒有人知道。

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我們來假設一下,宇宙創生方程為:0=+(正物質)(c的立方)除以(2HG)+(負的-反物質)(c的立方)除以(2HG), c---光速 H--哈勃常數 G---引力常數;由此看來,宇宙創生不需要能量,大爆炸也沒有創生能量。開始是0,創生之後,正負能量之和,還是0。但大爆炸後正負質量的對稱性破壞之後,宇宙總能量不是0了,目前我們看不到反物質,也不知道什麼原因失蹤了,這個問題現在也沒有答案,但宇宙總能量對稱值仍然守恆的。能量不會憑空出現,這是常識。

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如果有一天反物質大量出現,宇宙也將湮滅,所有物質將變為最初始的能量。

你不是說宇宙創生不需要能量嗎,逆向推理的能量哪去了?這就要提到能量的負極——暗能量。

對於大爆炸後最初的幾分鐘,相關的觀測嚴重缺乏,最早期宇宙物質——能量的實際形式很大程度上仍只是猜測。大一統理論預測了特定類型的粒子(如難以捉摸的磁單極子),而超弦、超對稱、超引力以及其他多維理論都預測了各自原初粒子及作用力。

物質對反物質的絕對優勢也是一個需要透徹說明的經驗性事實。

其他主要問題都與暗物質和暗能量的產生和本質有關(通常認為量子真空是二者的主要提供方)。暗能量也探測不到,難道還有另一個和我們宇宙屬性相反的宇宙?

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但是美國的科學家在2014年9月28日用數學的方法證明了“黑洞是不存在的”。如果沒有黑洞就不存在無限密集的奇點。據美國物理學家組織網站報道,美國北卡羅來納州大學教堂山分校的理論物理學家勞拉·梅爾西尼·霍頓在在線物理學知識庫ArXiv發表文章稱,她已經用數學證明了“黑洞是不存在的”。一旦她的觀點被科學界論證是正確之後,現代物理學對於宇宙的起源學說將可能被全部推翻。

報道指出,勞拉的理論使用了數學方法,將萬有引力理論和量子力學理論和諧地融合在了一起:得出的結論就是“黑洞並不存在”。她和霍金都認為當恆星死亡坍塌時,會釋放出霍金提出的輻射。在這個過程中,星球自身也將流失一大部分的質量,最終,死亡的星球所剩的密度不足以形成黑洞。

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

如果這條理論被證實是正確的,大爆炸理論可能會因此而被推翻,甚至於現代物理學對於宇宙的起源學說可能將被全部推翻,亦或是融合萬有引力理論和量子力學理論的新理論中重新設定“黑洞不存在”。

問題又來了,如果宇宙不是起源於大爆炸,那麼宇宙又是怎麼誕生的?

暴漲理論

暴漲理論是迄今為止最接近這個問題源頭(而不是完全扯淡),參考(alternative還有 string gas,bounce模型等等),暴漲模型是目前唯一具有預言能力的。本答案致力於從直覺上描述暴漲理論, 並不涉及其背後的物理。

因為暴漲結束之後,才開始了所謂的大爆炸!

宇宙是有限的,但卻沒有邊界。 設想你是在地球表面爬行的一直螞蟻,均勻的空間彎曲最終會使你爬回起點。 螞蟻會發現世界沒有盡頭,但由於它被限制在了二維(地面),所以它並沒有辦法發現嵌套在三維中的空間彎曲(無法從太空中俯瞰地球表面)。

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整個宇宙的情形類似於此,所以我們也可以認為我們活在一張面上(只不過是三維的)。

由於宇宙在不斷的膨脹,所以通常把我們生活的空間類比為氣球的表面(發現好多人誤解了:氣球的徑向是時間維,親們,除了氣球表面之外沒有別的空間,也沒有所謂的宇宙外面),在氣球表面上的每一點都在彼此遠離,其遠離的速度與兩點之間的距離成正比,這也就是著名的哈勃定律。

下圖的表示一個氣球的膨脹過程。小一點的氣球代表38萬年時的宇宙,大一點的是如今的宇宙。在氣球上畫一個圈,假設圈上有一個光子,在宇宙誕生38萬年的時刻起,開始朝著地球的方向與運動,如下圖的箭頭所示,然後它在漫長的宇宙中漂泊了137億年後終於到達了地球(大一點氣球上的那個點,我們活在氣球表面上!)

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這時候,你會發現當初光子所處的那個圈隨著氣球表面的拉伸長大了,那個圈的範圍就是人類所能‘看見’的宇宙的範圍(視界)。由於光子走了137億年才到達地球,而隨著時間增長,圈圈也在不斷擴大,所以計算可得視界(從暴漲結束起開始計算的因果聯繫最大半徑)範圍大約是930億光年。

注意到,處於箭頭所指的那個圈(對應三維空間上的一個球面)上的每一個點發出的光子都可以到達地球,所以如今的地球浸透在光子的海洋裡,也就是人們通常所說的宇宙微波背景輻射。光子的‘波長’也會隨著空間本身的膨脹而拉長,同時它的能量降低,到了如今的時刻正好對應著微波波段。人們發現,從每個方向上到達地球的光子它們的能量都幾乎是相同的(區別在萬分之一以左右),也就是說,宇宙是各向同性的,也就是每個方向看起來都一樣。所以我們有理由相信,宇宙是在宏觀尺度上式均勻的。

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

在比38萬年更早的一個短時間內,宇宙中充斥著光子,自由電子,以及質子。光子與電子會之間不斷的碰撞(康普頓散射)以至於光子的活動被限制在一個狹小的範圍內,所以更早的宇宙對於電磁波段是“不可見”的。直到宇宙溫度不斷下降,質子與電子組合為H+,直至“氫分子”H2。從此,宇宙對於光子來說變得"透明",在其後漫長的歲月中光子將不會與任何物質發生相互作用,直到它飛到地球上!!!

我們知道氫原子基態能級約為13.6Ev(高中課本上有!!),由此可以推算出質子與電子的組合發生在電子伏ev量級,而我們如今觀察到的光子(微波)的能量約為這個能級的1/1000, 也就是說,光子的波長在137億年內被拉長了1000倍。

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

由此可見,在這段時間能宇宙膨脹了1000倍。那麼問題又來了,如今的可觀測宇宙範圍是930億光年,除以1000,也就是說在38萬年的時候可觀測宇宙的半徑足足有一億光年左右!

假設一個光子從宇宙誕生的時候就開始飛,那麼一直到38萬年它也只能走完如今我們可觀察宇宙的很小一部分(38/10000),如此說來,宇宙就是如何達到熱平衡的?(前面提到宇宙是均勻的,漲落在萬分之一左右)。這就是所謂的視界疑難。

一點點不均勻性會隨時間急劇放大,就如同把一根削尖了的鉛筆立在桌子上。如何要是讓宇宙在38萬年的時候不均勻性只放大到萬分之一,那麼在宇宙的開端其均勻度將達到一個恐怖的量級,這恐怕只有上帝能創造出來。如果我們不願意相信是上帝創造了這個世界的話,我們必須提出新的理論,也就是暴漲模型。

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

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假設我們在氣球表面畫上格子,那麼隨著氣球的增大,格子也會相應的增大。

如果我們以這個格子為座標,那麼氣球表面上任意兩點的距離隨宇宙膨脹是會變的,我們把這套座標稱為共動作標。

我們用a來描述宇宙的尺寸,宇宙的尺度(大小)a是時間的函數。

那麼在某一時刻,

真實的距離=共動座標距離*a(t)。

同時,我們使時間也放縮相同的比例,稱為共行時間(conformal time),

真實的時間=共行時間*a(t)

四維時空中的線元(ds)可以由如下公式表述:

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

其中a表示宇宙的尺寸,τ為共行時間(真實的時間t除以宇宙的尺寸a)χ為共動距離(真真實的距離x除以宇宙的尺寸a)。

共動距離的物理意義是:假設這段距離佔宇宙的‘比例’是恆定的(百億年前佔宇宙的1%,如今依舊佔1%),隨宇宙整體一起膨脹和收縮。

下圖為共動作標的示意圖,座標格子隨宇宙的膨脹而增大:

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你可以想象,在宇宙很小的時候,一天就是一年。然而到它長得很大了,一年只是一瞬間。就像你童年的時候,時間過得非常慢,長大了一年一晃而過。所以你可以把共行時間理解為宇宙‘自己’感受到的時間。

在真實的時空中,光子走過的距離x=ct, 如果我們令光速c=1, 那麼光線在時空圖中沿45度角(仰望天空)。因為我們我們把時間和空間都放縮了相同的比例(宇宙的尺度因子a)

所以,當我們用共行時間和共動作標來畫時空圖時光線依然沿45度角

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

上圖中實線代表光線運動的軌跡。 圖中的光錐(三角形區域),所籠罩的範圍就是上圖中圓環內的部分,在這個區域內光子理論上是有機會到達地球的,也就是與我們具有因果聯繫的區域的範圍(可觀測宇宙)。

假設我們地球處於三角形的頂點,這個頂點會隨著共行時間的增大是不斷往上移動,那麼圖中三角形籠罩的區域將會不斷擴大。

注意這裡我們使用的是共動作標,在共動作標下宇宙的大小是不變的!也就是說我們可觀察宇宙佔‘整個宇宙’的比例隨著共行時間線性增長。也就是說,如果共行時間沒有盡頭,我們終將看到整個宇宙!但願望是美好的,具體原因後文解釋。

CMB那一條黑線對應的是宇宙誕生38萬年的時刻,下方陰影部分代表具有因果聯繫的部分,可以看出,在那一時刻具有因果聯繫的區域遠遠小於如今可觀測宇宙的範圍(整個三角形的底邊)。

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

在宇宙很小的時候,共動作標固定的兩點之間的真實物理距離很小,然而光速是恆定的,所以光子在不到一秒之內可以輕易的飛越宇宙1%的距離,但當宇宙長大後,飛越1%可能要花上億年。所以當我們計算,從宇宙初期開始往地球的方向飛行如今才到達地球的光子所走過的共動距離時,我們需要以下的積分來實現:

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

令積分下限為趨近0,即宇宙誕生至今光子走過的共動距離稱為‘粒子半徑’,也就是可觀測宇宙的範圍。

[注意到,這個積分取決於宇宙的膨脹速率,而宇宙的膨脹速率簡單來說取決於物質的狀態方程,也就是宇宙中的 ‘壓強’部分與能量部分比值的比值。

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

簡單來說,物質在四維時空(一個時間維度,三個空間維度)中運動,它通過時間窗口的通量(flux)稱為能量,通過空間窗口的通量稱為動量,而動量通過空間窗口的通量稱為壓強。宇宙中普通物質(如地球,太陽,銀河系等)的壓強與能量比值w為0,因為其動量相比於能量幾乎可以忽略。光子氣體的w=1/3。至於壓強為負的東西是什麼,世界上沒有人知道,然而如今的宇宙中大部分(約70%)物質的的壓強為負,就隨便給它取個名字叫暗能量好了,]

其中(aH)-1為哈勃半徑。(上面公式積分號裡面的東西)

在某種近似下,可以認為哈勃半徑的物理意義是,在宇宙膨脹一倍的時間內,宇宙中具有因果聯繫的兩點的最大距離(也就是光子在這段時間內走過的距離)

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在宇宙的歷史中,絕大多數時期是由光子統治的(共行時間的歷史)。即w=1/3, 如果宇宙一直處於這種狀態,辣麼哈勃半徑與粒子半徑相等:

當w=-1/3 時,哈勃半徑為常數。我們認為,如果早期宇宙中的兩點要達到熱平衡,那麼這兩點必須能夠至少在宇宙膨脹一倍的時間內建立因果聯繫,也就是處在哈勃半徑之內。

為了解決視界問題,我們認定,整個可觀測宇宙在宇宙的開端是處於哈勃半徑之內的。這樣物質之間就可以自由的傳遞能量從而達到熱平衡。

但在宇宙早期(38萬年時),哈勃半徑很小,根本裝不下如今的視界。

那麼會不會在更早的時刻哈勃半徑曾經經歷過一個縮小的時期呢?

那麼哈勃半徑是否可以縮小呢?

可以,只需要讓w<-1/3就可以了, 這簡直離奇,然而世界就是如此。但這導致了一個更離奇的事實,如果我們選取w=-2/3, 對於上面的積分就有 t=-1/τ.

當t(真實時間)趨近與0時,τ(共行時間)趨近於負無窮大!!

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

宇宙開始於共行時間為趨近於負無窮大的時刻。在共行時間為0左右時,暴漲結束,宇宙重新加熱,開始了人們通常所說的大爆炸。

[重新描述一遍:共行時間是以宇宙自身的尺度來計量的時間,宇宙曾在‘時間’為負的歷史裡穿行了無盡的歲月,這段歷史就像是如今歷史的鏡面。]

如果共行時間可以追溯到負數,那麼原來看起來沒有因果聯繫的區域將可以從容的建立因果聯繫。下圖顯示了宇宙的‘鏡像’歷史,以及在負的共行時間內,原先沒有因果聯繫的兩點是如何建立因果聯繫的(因果聯繫的區域用陰影表示)。

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

同時,在暴漲時期(時間為負的區域),宇宙中充斥著壓強為負(w=-1)的奇異物質,這使得哈勃半徑縮小。(從直覺上來說,在宇宙急劇拉伸時期,光子能夠在宇宙膨脹一倍的時間內到達的區域必然縮小)

[最後我們定量的考慮這個問題,假設在暴漲結束以後,宇宙之後的歷史均由光子統治,由此可得,哈勃常數正比於a^-2,因此,暴漲結束後的哈勃半徑與今天的哈勃半徑的比值為溫度比值的倒數。根據數值模擬,在暴漲結束後宇宙的溫度約為10^25ev, 而如今的光子能量為10^-3電子伏,所以哈勃半徑增大了10^28倍,但是我們要求今天我們可觀測宇宙的範圍在暴漲初期是能夠達到熱平衡的,也就是說如今的哈勃半徑範圍是處於在宇宙開端時的哈勃半徑之內的,那麼在暴漲時期(從暴漲開始到暴漲結束)哈勃半徑將至少縮小了10^28倍!

我們假設H為常數,那麼在遠遠不到一秒鐘的時間內,宇宙的半徑增大了10^28次方倍。從一個質子的幾十億分之一的大小,一直到整個銀河系的大小,遠遠碾壓了光速]

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

如圖所示,哈勃半徑的演化過程。圖中的折點代表暴漲結束的時候,這個時刻具有負壓強的物質(暗能量)含量基本為0,我們只能認為是某種場在暴漲結束的時候衰變掉了,從此開始了普通的大爆炸(standard big bang)。

可能還剩下一點點殘餘,在宇宙早期的時候完全可以忽略,但由於其密度不隨時間改變(普通物質的密度隨正比於a^-3)。所以在宇宙成長到幾十億年的時候又重新統治了宇宙,如今,暗能量在宇宙所有物質中所佔的比例仍在不斷增大,而這導致如今的哈勃半徑重新開始縮小。共行時間將無線趨近與一個確定的值,永遠停留在某一點。這也意味著我們可觀測宇宙的範圍將無限趨近與某一半徑,屆時,處於我們視線邊緣的星球將會以光速逃離我們的視野,從而達到一種平衡。

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

我們將永遠只能看見宇宙的某一部分,但是,除非你能活幾十億年,你才需要去考慮這種問題。

又有一個問題來了,奇點爆炸會不會產生除我們之外的另外的宇宙,形成新的時間和空間,而新的時間和空間與我們的宇宙的時間和空間是相關或不相關的

就像如果我們宇宙的時間和空間是一張二維的紙,那麼這種不同維度的爆炸,就產生另一張不重合的紙,2張紙的交點就是黑洞。類似這樣:

迫使宇宙大爆炸的能量從何而來?

也許只是產生了我們一個宇宙,也許同時產生了無數個宇宙,要知道爆炸可是全方位的。

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