专栏名称: 利维坦
“利维坦”(微信号liweitan2014),也就是我本人(写诗的时候叫“二十月”)的订阅号,纯粹个人兴趣——神经基础研究、脑科学、诗歌、小说、哲学……乱七八糟的什么都有。
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关于宇宙,我们能了解多少?

利维坦  · 公众号  · 热门自媒体  · 2016-09-06 08:59

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即使在最明朗的天气里我们也无法看见 永恒 理论上来讲,我们最远只能看见453亿光年远的地方。 尽管这表明我们认知有直接的极限,但这也无法阻挡我们探索自然界的奥秘的雄心壮志。图源:NASA/Bill Ingalls


诚然,这并不意味着自然对我们所能观察到的事物范畴,观察事物的途径没有任何影响。比如说,海森堡不确定性原理①对我们所能观察到的粒子在任意时间的位置做出了限制;光速限定了我们能看到、移动的最大距离。 但是这些限制最多只能给出人类无法观测、而非最终无法知晓的事物。 不确定性原理并没有妨碍我们探索量子力学,了解原子的性质,发现所谓的虚粒子(我们不能直接探测到,但确实存在的一种粒子)②。


宇宙的膨胀确实暗含着起源,因为如果我们反推回去,那么在遥远过去的某个时间点上,我们能观测到的宇宙中的任何事物都共同存在于一个奇点中。在那一瞬间,也就是现在被称之为大爆炸的时候,我们所知的物理学定律都不适用了,因为描述引力的广义相对论无法解释描述微观物理的量子力学。但是大部分科学家都认为,从根本来说,这并非认知的边界,因为我们希望通过改进广义相对论,使其与量子理论相互兼容。弦理论(String theory)就是个广为人知的例子。


如果我们在一个方向上看得足够远,就能看见我们的后方。


鉴于这样一个理论,我们也许就能够回答,大爆炸之前到底发生了什么(如果存在的话)。最简单的回答往往也是最不令人满意的。狭义与广义相对论将时间与空间统一为一个实体:时空。如果空间是在大爆炸时产生,那么时间可能也是如此。在这样的情况下,就没有时间上所谓“之前”的概念(因为在诞生之前,时间并不存在)。那么,先前的问题便不值得回答了。但这并不是唯一的解答,而且我们需要等到一个量子引力理论以及实验证实之后,才能对我们的回答有一定的把握。


接下来,从空间的角度来说,我们是否能够知道,宇宙的边界是什么,外边又是什么?我们不妨再次大胆猜测。正如我在新书《从无到有的宇宙》(A Universe from Nothing)中详细讨论的一样,看似最有可能的是:如果时空自然产生,那么它的总能量可能为零,因为物质的能量恰好与引力场的能量相互抵消。简而言之,如果事物总计为零,那么它能够从无到有。现在,我们能够查证的唯一总能量为零的宇宙,是闭宇宙③。这样的宇宙 有限无界 。就像我们可以在球体表面一直行走而不会遇到任何边界一样,我们的宇宙可能也是如此。如果我们在一个方向上看得足够远,就能够看到我们的后方。


实际上,我们无法这么做,可能因为我们可见的地方仅仅是宇宙的一小部分。这个原因与被称之为“暴胀”(inflation,宇宙暴胀,简称暴胀,是早期宇宙的一种空间膨胀呈加速度状态的过程)的概念有关。大多数在微观尺寸上自发出现的宇宙会瞬间重新坍缩,而不会持续存在数亿年。但是,在某些宇宙中,虚空会被赋予能量,并且这种能量,至少在短时间内,能够使宇宙以指数形式膨胀。我们认为这样的暴胀时间出现在大爆炸扩张的初期,并且防止宇宙立即再次坍缩。在这个过程中,宇宙膨胀到难以想象,以至于在任何意义上,似乎是平坦并且无限的——比方说,尽管位于一个叫做地球的巨大球体上,堪萨斯州的玉米地一样看起来广袤无垠。即使我们的宇宙可能是封闭的,这就是为什么我们在观察宇宙时依然无法看到我们后方的原因。从理论上来讲,如果暴胀没有在我们可见的宇宙中重新开始,并且没有存在于其他我们不可见的区域中,只要我们等得足够久,就能看见所有事物。







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