但行好事,莫问前程。

《极简宇宙史》

2017-09-09

一个关于极大世界和极小世界的思维游戏。

我们的宇宙到底有多大?从人类看着头上的星星的时候就在思索,开始我们以为自己的地球就是宇宙的中心,后来发现地球只不过是太阳系八大行星之一。随着天文望远镜看得越来越远,人们发现太阳系也只不过是银河系里的一个极其普通的星系,他位于银河系的猎户臂上,离银河系的中心有2.6万光年,银河系中的恒星数量多达几千亿颗,太阳是其中微不足道的一颗而已。而离银河系最近的是仙女星系,她是银河系的二倍大小,且仙女星系和银河系逐渐靠近,将在30亿年后融合成一个星系。包括仙女星系、银河系在内的五十多个星系组成了本星系群,而本星系群又属于范围更大的室女座超星系团……像俄罗斯套娃,没有止境,宇宙的边缘到底在哪里?或者宇宙不存在边缘这一说。那么宇宙的起源是什么?天文学家通过天文望远镜发现远处的物体如星系、恒星等传到地球的光有红移现象,波长在拉长,说明他们逐渐远离我们而去,并且离我们而去的速度越来越快,宇宙在膨胀,这就是目前已经被广泛接受的宇宙大爆炸理论。物理学家、天文学家研究宇宙的时候,默认光速是无法超越的,这是一切理论的基础和研究的前提,而宇宙的膨胀因为是更宏观的,宇宙中任意一处均在膨胀,因此膨胀的速度其实是可以大于光速。宇宙的寿命大概138亿年,由于宇宙膨胀的速度超过光速,我们通过天文望远镜能看到的距离大约是465亿光年,这是因为很远处的物体所发的光要传到地球上的我们需要更长的时间。

如果宇宙起源是一个质量极大的奇点,根据爱因斯坦能量守恒定律,这个奇点应该是质量或者能量极大,大爆炸产生的的能量在时空中逐渐聚合、碰撞,并转化成物质,这是我们观测到的星系以及我们生活的地球的起源,宇宙将会越来越冷,这已经被经过证实。但是为什么宇宙膨胀的速度还在加速?一定还存在着一些看不见的暗物质或暗能量,现在科学家已经通过研究暗物质对光波的影响测量出宇宙中暗物质不仅确实存在,而且占据了宇宙90%的份额。我们可见的宇宙万物仅占10%而已。

宇宙中最神奇的黑洞,仅在理论中被验证的物体而又被科学家坚信他的真实存在。一般认为质量极大的恒星因为其长时间的热核反应导致中心能量不足以支撑他的外壳重量导致坍缩,像太阳这样的恒星坍缩后会形成白矮星,质量大于太阳10倍的恒星会坍缩成中子星,质量大于30倍太阳的恒星将会坍缩成黑洞。黑洞可以吸进去任何靠近他的东西,甚至包括光。目前对黑洞的研究还是纯粹的理论游戏,霍金提出的黑洞蒸发、黑洞爆炸等理论引发了理论物理学家的热烈讨论,近年也有专门的研究证实了一些理论观点。并且有种说法认为目前无法解释的量子纠缠其实就是一个微型的黑洞。

就像地球绕着太阳运动,太阳系在银河系中运动,银河系和其他星系之间也在运动,宇宙的万物都在相互吸引、运动。到底是什么产生了这种力?牛顿通过树上落下的苹果思考到了万有引力,能够解释世间大部分物体之间的运动规律,除了在计算水星运行轨迹的时候有一点偏差无法解释外,一切都很完美。可是这种力量到底来自什么地方?为什么没有电磁的物体会相互吸引?牛顿终其一生没有思考到答案,直到爱因斯坦提出他的广义相对论,提出根本不存在什么相互吸引的力量,两个物体相互靠近是因为时空发生了弯曲。要理解这个需要闭上眼睛想象一下,时空的概念,想象一下宇宙的时空并不是一无所有,而是一种由膜一样的物质在其中,任何一个物体放在这个膜上都会导致膜发生弯曲,就像你把足球放在水面导致水面弯曲一样,而质量较大的物体会引发它周边的时空弯曲的很厉害,从而使得它附近的其它物体开始沿着弯曲的时空向它滑落,这个沿弯曲时空滑落的趋势就是“引力”。甚至是光、时间都会因为这个弯曲而变形。

微观世界能细微到什么级别?最初人们发现所有物质都由分子组成,逐渐又发现构成分子的原子,所有的物质都由无差别的原子构成。而原子又被发现是由极小的原子核以及围绕在原子核周边的电子组成,原子核里有中子和质子,人们的认识一度短暂停留在这个层面,直到科学家在粒子对撞实验中再次发现了夸克的存在,四类夸克通过不同的方式组成了神奇的粒子,包括质子、中子等基本粒子,以及神秘莫测的中微子。理论物理学家没有止步于此,自然界的基本单元被认为是震荡的线状的“弦”,不同的振动和运动产生不同的粒子,而物质和能量是可转化的。目前弦论已经被理论物理学家广泛接受,因为弦论是最有可能将自然界基本粒子和物理学四种作用力统一起来的理论,对黑洞等也有理论支撑。

量子力学近年成为物理学界的研究热点,包括我们国家的量子通信技术这两年也是广受热捧。这是个很神奇的概念,就连爱因斯坦也不承认存在量子态的物质,他不相信上帝会掷骰子,称其为“鬼魅般的超距作用”。费曼也发表观点认为“没有人能理解量子力学”。而根据各种实验结果,的确存在这种超距的“力”。薛定谔将量子纠缠态的现象通过一个装在盒子里的猫,把这个神奇的微观现象进行了宏观化。近年来有科学家通过实验证实了量子纠缠理论可拿来使用,尽管无法解释这种现象。

人类存在的时间,相对于宇宙的历史微乎其微,有太多无法解释的自然现象。但是也能看到人类这些最聪明的大脑,是如何跳出圈子,大胆的提出一些最初看起来疯狂的假设,然后经过实验一点点的求证,一点点的突破。

Author:xialeban | Categories:读书笔记 | Tags:

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