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刘慈欣《微观尽头》物理学是穷途末路还是否极泰来?

小说:刘慈欣作者:三体小说网 发布时间:2020-12-30 15:32
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刘慈欣《微观尽头》物理学是穷途末路还是否极泰来?

本期内容《微观尽头是刘慈欣在1987年发表于科幻世界杂志上的一个关于科幻科学猜想的短篇。小说讲述了位于罗布泊的巨大加速器将把粒子加速到10^20吉电子伏特以击破夸克的故事。

 

夸克被击破后,整个夜空变成了乳白色,星星变成黑色。仿佛宇宙的负片。谁也没有料想到的颠覆微观的尽头竟然是改变宏观!一枚夸克竟然颠覆了整个宇宙!作者在书中大胆猜测(第一人不是他,阿瑟克拉克就在科幻小说中就讲过宇宙负片),我们一直向微观的深层走,当走到微观尽头时,就回到了宏观。

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科幻作品本就是帮助人类的想象力插上翅膀,所以基于现实,超越现实,在先有理论和假说的基础之上更加大胆的往前迈进,触摸想象力的边缘地带,这是科幻作品的价值和意义所在。

 

本文第一个音频是录制的原文内容,后续的音频是与之相关的话语,不过是往期的,我将这些汇集到一起,听众们可以自选回顾。

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什么是宇宙大爆炸?

 

宇宙大爆炸说的是什么呢?它说的是我们的宇宙一开始并不是像今天这样浩如烟海、如此庞大的,它一开始是非常小的一团东西,甚至小到可能只有一个点,然后突然发生了一个巨型的爆炸。

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在这个爆炸之后,在非常短的时间之内,我们现在这个宇宙就开始逐渐形成了。这就是为什么我们之前一直讲的哈勃定律所观测到的,我们现在的宇宙是一直在向外膨胀。因为你想,爆炸那不就是向外膨胀、向外运动的这样一个趋势吗?因为大爆炸一开始就是在向外扩张。但是如果仅仅凭宇宙是在扩张这一点、 是在膨胀这一点,其实是没有办法去反推过来大爆炸这个理论是正确的。也就是说你只能从宇宙大爆炸推理出哈勃定律是正确的,只能说因为有宇宙大爆炸,所以我们的宇宙是膨胀的,但是你不能说因为我们的宇宙是膨胀的,所以它一定是由一个大爆炸诞生的。万一它一开始不是个大爆炸,万一宇宙是像一颗心脏一样, 它可能有时候收缩、有时候膨胀,我们只不过赶上了它膨胀的这段时间, 这也是有可能的。 所以说你不能说因为宇宙在膨胀,所以它来自于一个大爆炸。


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需要证明宇宙大爆炸理论是正确的话,我们就需要更多的证据。

 

宇宙的年龄

 

我先问你,你猜我们的宇宙已经活了多少岁?就是说大爆炸是在多少年前开始的?这个问题好像看似无从入手,但是你仔细一想也并不难。

 

因为以我们现在人类的科学技术,我们有全世界最先进的望远镜,理论上我们是想看多远就能看多远。那我们用这样的望远镜去观察宇宙,人们发现我们能观察到的最远的星星,离我们是138亿光年,什么意思呢?就是这个距离光都要走138亿年才可以到达。

这意味着什么?为什么我们看不到更加远的星星?是宇宙只有这么大,我们已经望到边界了吗?当然不是,因为它还在膨胀,所以宇宙不可能只有这么大。那这只能说明,如果有更远的星球,它们的光还没有足够的时间赶到地球上,那这说明什么?时间不够,对不对?为什么不够?因为138亿年就是宇宙的年纪,你不可能有比宇宙的年龄更加长的时间了。所以呢,因为我们能观察到的最远的星星在138亿光年以外,所以我们可以推算出宇宙的年纪大约就是138亿岁。我们继续进行推理,如果说最远的星星上的光是138亿光年以外来到地球上的,这说明什么?说明这些光是经历了138亿年的旅行才来到了我们的地球上,它是138亿年以前从宇宙的远处出发的,它是一道非常老、非常老的光,跟宇宙年龄一样大的光了。

 

我们看到的这些宇宙最远处的景色、这些面貌,其实就是宇宙还非常年幼的时候的景象。

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假如我们现在能够像科幻电影里面一样获得超能力,我们去瞬间移动,打比方说我就想移动到我们地球之外200光年以外的地方。到了那个地方,我拿一个望远镜朝地球望,那我会看到什么景象呢?我会看到中国还在清朝时候的景象。因为200年前地球上发出的光当然就是中国还处在清朝时候的光,它要花200年时间,才能到达我现在所在的离地球200光年以外的地方,所以我看到的当然是清朝时候的中国。

所以说,同理,我们看到138亿光年以外的光,也应该是来自于宇宙最年幼时候的景象,138亿年前的一个景象。我们再来进一步考虑一下,现在我们的宇宙里面大部分空间是空的,都是黑黢黢的。但是还是存在着非常多的星星,还有很多的光。换句话说,我们全宇宙的能量、光线还是很多的,因为有这么多星星在那。那么如果说宇宙是通过大爆炸爆出来的,宇宙在它年幼的时候一定是比较小的一个体积。问题来了,也就是说在宇宙诞生之初,在它最小的时候,宇宙里现在我们看到的这些物质,很多的物质现在离得非常开,它们一开始肯定是挤在一个非常狭小的空间里面。最早时候的宇宙绝对不会像现在这么黑、这么空,因为那么多的物质、能量、光都塞在一个很小的空间里面。”当时的宇宙、诞生之初的宇宙、幼年的宇宙,一定是一个很满的、充满能量的、很热闹的,像一锅煮沸的汤一样的,纯白的宇宙。根据我们刚才的推理,宇宙最早的时候一定是纯白色的。既然我们能看到最远的星球是138亿光年以外,那从138亿光年以外传过来的光线定是138亿年前的光线,应该是那个充满了光亮的、纯白色的宇宙传来的光线。


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也就是说,如果大爆炸理论是正确的,138亿光年以外传来的应该还是一锅炙热时候的景象。但是你想现在我们的宇宙明明都是黑的,哪里来的光亮,如果这个理论是正确的,难道不应该是整个宇宙都是白天啊?这个时候我们学过的多普勒效应又要出现了,就是离我们这么远的星球,它一定是以非常快的速度远离我们而去。那这个时候哪怕有非常光亮的光线,它们都会经受到一个多普勒效应的红移。多普勒效应说的是,如果这个发光物体,它离我们远去的话,它发出来的光在我们看来就会变红,或者说它的波长会变长,这个效应叫做红移。138亿光年以外的这些星球,根据哈勃定律,它远离我们的速度应该是极大的。所以说哪怕你有非常白的光线,经历了多普勒效应的红移,真正到我们这的话都已经被移成波长非常长的、肉眼看不见的光线了,这就是为什么我们的宇宙现在看上去还是黑的。但是这事还没完,如果我现在给你算上红移,就算我现在肉眼看不到宇宙深处传来的白光,我拿仪器是不是能够测量出红移了之后的那些光线呢?

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宇宙微波背景辐射

 

你别说,当然是有人这么做过了,上一个世纪的60年代, 有这么几个科学家,叫彭齐亚斯和威尔逊,这两个人,他们就是发明了新设备,想测一测这个字宙射线的强度。他们当时为了降低干扰,制造了一个新式的天线接收系统,就是为了去测量宇宙里光信号、电磁波信号的强弱。为了降低其他的信号干扰,他们甚至还清除了天线上很多鸟粪。 但是他们依然发现这个天线不管指向宇宙中的什么位置,它都可以收到一个很微弱的,但是强度极其恒定的电磁波信号。到这儿你可能会问什么是电磁波?其实我们的光,你能看到的红橙黄绿青蓝紫都是一种电磁波, 只不过波长不同而已。

 

这个电磁波它的波长可以从很长很长到很短很短,只不过不同长度区域内的电磁波名称不一样而已,比方说我们的可见光,就是在电磁波当中所谓的可见光波段。那么这两个科学家发现宇宙当中不管任何方向,都能够测到一个波长很长的,跟我们的微波炉发出来的那种波长一样的微波。那这种现象他们就称为宇宙微波背景辐射。顾名思义。

 

微波:因为是从宇宙里传来的,它的波段是在微波范围,差不多这个波长在一毫米左右。

 

背景:就是说不管什么方向都有。

 

辐射:他们排除了所有可能产生微波的源头,最终得出结论是从宇宙的最深处、宇宙的背景处传来的,它是一种向外发射的形态,所以叫辐射。这就是特别重要的一个物理学研究成果,叫做宇宙微波背景辐射,这两位科学家也因为这项发现获得了1978年的诺贝尔奖。也就是说,宇宙微波背景辐射的发现,证明了宇宙在138亿年以前确实充满着一种光,这些光全都被多普勒效应给红移掉了,所以说如果我们把这个红移的效果反算回去,那它确实就预示着138亿年以前宇宙是充满一片白光的,是一团非常炙热的能量体。到这儿通过宇宙的微波背景辐射,宇宙大爆炸的理论就基本上得到了证实,因为它证明了我们的宇宙在诞生之初,确实经历了一个体积非常小、整体非常炙热、充满白光的状态,这就是宇宙大爆炸的最好证明。 

 

大爆炸之前是什么样子?

 

无边界宇宙模型

我们来主要讲讲霍金的另外一个物理学理论,这甚至不能说是霍金对物理学的贡献,因为这个理论其实是上升到了哲学层面的一种哲学观念,就是所谓的无边界宇宙模型。之前我们讲到了宇宙大爆炸,就是说宇宙其实并不是存在了无限久的。而是它在年龄上有一个起点,它有一个诞生的过程。一开始宇宙它是一个几何点,在经历了一次大爆炸之后,它不断地膨胀,而且是加速膨胀。根据我们的观测,宇宙到今天还在加速膨胀。那么自然而然地就有了这样一个问题,宇宙诞生之前是什么?宇宙大爆炸之前是什么样的?这个问题其实是非常难以去回答的,甚至难以去想象。关于这个问题,霍金就有了无边界宇宙的模型。这个无边界宇宙模型是霍金与另外一位叫做哈特尔(JamesB.Hartle)的科学家共同提出的一个猜想。无边界宇宙理论或者说无边界宇宙模型是说,根本就不存在大爆炸之前这么一个概念。记住,这儿的关键词还不是“宇宙大爆炸”,面是“之前"。无边界宇宙理论说的是因为在宇宙大爆炸刚开始的时候,时间才刚刚诞生,时间才存在。只有当时间的概念诞生了之后,我们才有时间概念。宇宙大爆炸发生的那一刹那,时间才开始有了意义,如果还没有发生宇宙大爆炸的话,连时间都不存在哪里有什么“宇宙大爆炸之前”这样的一个概念呢?就是当你在讨论某件事发生之前,其实你有一个默认的假设。就是它是发生在某一个时间点上的。 但是如果时间点都不存在的话。你又怎么样去找这样一个时间上与之相比较的对象呢?所以说,无边界宇宙模型的第一个答案,就是它不存在宇宙大爆炸之前这个问题,这个问题问得不对,就是问题本身是没有意义的。就好像你问一只苹果的心律是多少,苹果根本就没有心脏,你怎么能问它的心律是多少呢?所以说这个问题本身是没有意义

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宇宙膨胀到极限之后

 

同时霍金他还给出了一个例子,帮助我们来理解所谓的无边界宇宙模型。这个例子是这样说的,就是问宇宙大爆炸之前是什么这样的一个问题,就好像你在问,在地球上北极以北是在什么地方一样。你在地球上的任何一个北极以外的点,你向北极走,每走一段,你的位置都比以前更加北了,对吧?这个很好理解,假设我们这个时光机可以被发明出来,你坐时光机回到过去,比方说你回到去年的时候,去年的宇宙是在时间上比现在的宇宙更早的宇宙,是更加“之前”的宇宙。

 

但是,你一直向北走,走到了北极点,这个时候你的位置已经是最北了,你不能有再比这个点更北的位置了。

 

好,这个时候如果你已经待在北极了,不管怎么样我还想走走,我还想探索一下。这个时候你往任何方向走,实际上你的位置是更加南了,更加偏南方了。你坐时光机,来到了宇宙大爆炸之初,这个时候的时间已经是最早了,是宇宙之初,是宇宙的起点了。

 

你在大爆炸之初的时候,时间刚刚诞生,所以你没有办法再走向比大爆炸更早的时间了,因为不存在更早的时间。宇宙也一样,膨胀到极限之后,它就不能再膨胀,时间也走向了一个极点,这个时候如果再发展,根据无边界宇宙的模型,时间就会开始倒流,宇宙开始收缩,不断地收缩,再收缩成一个点,收缩成回到大爆炸之初的样子。然后到大爆炸之初,怎么办?你还想再探索探索,再发展发展,那就再来一次大爆炸。这就好像你在地球的表面旅行一样,你从北极出发到南极,到了南极你再发展,那就是又继续往北极去。你又到了北极,再发展,那就又是往南走,如此循环反复,实际上并没有开始和结束,所以就完全是没有边界的。一个人在北极和南极两个点当中振荡徘徊,宇宙也是从大爆炸到宇宙膨胀到极点然后开始所谓的大收缩。在大爆炸跟大收缩之间循环反复,无始无终。时间在大爆炸的过程当中,膨胀的过程当中是正流的,然后膨胀到了极点开始大收缩的时候,又是倒流的。

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为什么宇宙像是一个被吹大的气球?

 

宇宙中其实大部分的物质都是暗物质。我们能看到的这些发光的,比方说这些星系、天体其实都只是宇宙的很小一部分。

 

但是你别忘了,这个宇宙中除了以质量形态存在的物质,还有我们之前提到过的能量,这些光能、热能、动能,它们都是能量,但是这些能量也不是宇宙中的全部能量,而且还只是很小很小很小一部分的能量。

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那我来解释一下什么叫加速膨胀,哈勃定律:就是这些星星它不仅在离我们远去,而且离开我们远去的速度是越来越快的。这个事情是非常令人震惊的,为什么呢?因为以前的科学家们认为,根据我们之前说的宇宙大爆炸理论,这个宇宙是一下被爆了那么大。

 

那我们以前觉得只是开始的时候发生了一次爆炸,按照常理,随着这个爆炸的结束,那就算你有惯性,这个宇宙的膨胀趋势应该是一个减速的膨胀。

而且,这个宇宙里的绝大部分的物质或者这个暗物质。它提供的都是一种向内的引力。所以就算一开始有大爆炸,爆炸完了之后由于这个引力向回收的作用,那宇宙到了一定程度它应该是减速膨胀的,膨胀的速度应该越来越慢才对,这个才符合常理。我再用吹气球给你举例子,这个就好比你吹气球的时候,肯定一开始,你肺里面有很多气,然后你使劲一吹,这个就好像大爆炸一样,气球一定是在一开始膨胀的速度是最快的。但是吹到了后面你就气越来越少了,越吹越累了,吹得就越来越慢了,它膨胀得也就越来越慢了。在我们心目中我们的宇宙应该是这样的才对,它应该是一开始快, 后来就变慢了。那么科学家在1999年发现的这个事实,就是宇宙正在加速膨胀这个事实,就好像这个气球并不是由一个力量有限的人在吹,而是由一个力量无限的一个鼓风机在吹。那换到我们的宇宙也是一样的,明明我们宇宙里面有物质,我们能探测到的物质都是在提供一种引力,但是这种神秘的加速膨胀就好像有一种非常神奇的、不为人知的外力,一个宇宙之外的鼓风机,在给它一直提供一个持续的、非常有力的、向外加速的外力。我们知道要维持一台高功率的鼓风机运转,你得给它插个电源吧,也就是说,你是要给这个鼓风机源源不断地去提供能量的。那么科学家就根据宇宙在加速膨胀的这个事实,推测宇宙中广泛存在一种暗能量。那这个暗能量为什么是暗的?这道理跟我们说为什么暗物质叫暗物质差不多,我们说过暗物质的问题是只有引力这种效果能够展现出来,就是我们没有办法说抓住一只暗物质的粒子。不行,这个我们做不到。那暗能量其实也是一样的,我们只能看到暗能量带来的效果,也就是宇宙的加速膨胀,但是我们没有办法去实际捕捉到暗能量。它不像光,比方说这个光能发散出来,我们能看到光线,那我们就能很清楚地知道光能是存在的。那暗能量不是,我们也看不到它,我们只能用宇宙在加速膨胀这个事实,反过来推测说有这么一种东西叫做“ 暗能量”,它在不断地支持宇宙向外膨胀。

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所以这个暗能量它遍布我们全宇宙,而且根据科学家的计算,暗能量占据了全宇宙大部分的内容。记住我这儿说的是”内容”内容就不光把能量算进来了,你把所有的质量、所有的物质、所有的星系暗物质全都算进来,加在一起,暗能量的比例占全宇宙物质的接近70%。那暗能量的主要作用就是给宇宙的膨胀提供一个能源,是一种跟引力对着干的,拥有斥力的能量,它不断地在把宇宙往外推进行扩张,就好像是给宇宙这个大气球装了一个特别大功率的鼓风机,不知疲倦地提供能量保证宇宙一直在向外扩张。

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