宇宙的起源

空间、物质和时间的本质是什么?这是一个自古以来人们就在苦苦思索的问题。直到20世纪,基于观测事实的宇宙起源理论——大爆炸理论,对此做了切实的总结。20世纪20年代末埃德温·哈勃观测到的星系红移现象,60年代中期阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·韦森观测到的宇宙微波背景辐射,2014年美国物理学家观测到的原始引力波以及2019年相关科学组织拍摄的黑洞照片,都为这一理论给出了最直接的观测依据。

大爆炸理论

大爆炸宇宙学是现代宇宙学中最有影响力的理论。它的主要思想是,宇宙曾经有过从热到冷的进化史。在此期间,宇宙系统不断膨胀,使得物质的密度从稠密演化到稀疏,就像一次巨大的爆炸。大爆炸理论认为,宇宙是在大约6543.8+038亿年前的一次大爆炸后,由一个致密而炽热的奇点膨胀而形成的。宇宙大爆炸理论的建立基于两个基本假设:物理规律的普适性和宇宙学原理,以及科研人员的实际观测。

很多人不知道的是,与宇宙大爆炸理论已经成为常识相比,在它刚刚提出后的很长一段时间里,世界科学界的态度是“嗤之以鼻”。这种奇怪的现象是因为这个理论与圣经中关于宇宙有起点的说法是一致的。当时受进化论推翻上帝创世论的哲学思潮影响,西方科学界盲目反对传统理论,不承认这种类似圣经的说法。这一时期,西方科学界普遍坚持宇宙和物质是不变的,无始无终。所以所有涉及宇宙万物“都有起点”的理论都不被认可。包括像爱因斯坦这样的伟大科学家,也受到它的影响。爱因斯坦发现公式Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv会推导出宇宙其实是一个物质变化永无止境的动态宇宙,于是他在公式中强加了一个“宇宙常数”来维持静态宇宙的计算结果。也就是说,原来的场方程其实是这样的:∧gμv+Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv,其中常数∧是宇宙常数。自从美国天文学家埃德温·哈勃在1922年开始观测到“红移现象”,关于“宇宙膨胀”的观点就开始形成。1929年,埃德温·哈勃总结了一个具有里程碑意义的发现,那就是无论你从哪个方向看,遥远的星系都在快速离开我们,而附近的星系正在向我们靠近。换句话说,宇宙正在膨胀。这意味着在早期,恒星之间的距离更近,就像在某个时刻处于同一个位置一样,所以哈勃的发现提出了有一个时刻叫做大爆炸,宇宙处于密度无穷大的奇点。听到这一消息,爱因斯坦很快来到哈勃工作的威尔逊天文台,在哈勃的带领下亲自观测红移现象。采访结束后,爱因斯坦公开承认了自己主观意识影响科学结论的错误,并去掉了场方程中的宇宙常数,于是我们得到了众所周知的爱因斯坦场方程。在这方面,哈勃的伟大发现直接奠定了以大爆炸为中心的现代宇宙学的基础。

20世纪40年代末,大爆炸宇宙论的鼻祖加莫夫认为,我们的宇宙沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,其温度约为6K。就像火炉,虽然没有火,但还是能散发出一点热量。1964期间,贝尔电话公司的年轻工程师彭齐亚斯和威尔逊在工作中发现了宇宙微波背景辐射,这极大地鼓舞了许多从事大爆炸宇宙学研究的科学家。因为彭齐亚斯和威尔逊的观测结果与加莫夫理论预测的温度如此接近,是对BIGBANG理论非常有力的支持!这是继哈勃在1929年发现星系谱线红移后的又一重大天文发现。宇宙微波背景辐射的发现,开辟了观测宇宙的新领域。这一发现使我们能够获得大爆炸早期的大量直接信息。

2014 3月17日,美国物理学家宣布,首次发现了宇宙原始引力波存在的直接证据。最初的引力波是爱因斯坦在1916年发表的《广义相对论》中提出的。它是宇宙诞生之初的一种时空涨落,随着宇宙的演化而减弱。科学家表示,最初的引力波就像创世纪大爆炸的“回响”一样,将帮助人们追溯到宇宙开始时非常短暂的快速膨胀时期,即所谓的“膨胀”。然而,自广义相对论提出近百年以来,由其衍生出的其他重要预言,如光的弯曲、水星的近日点运动、引力红移效应等都被一一证实,但引力波却从未被直接探测到。问题是它们的信号极其微弱,技术上难以测量。美国哈佛-史密森天体物理中心等机构的物理学家用架设在南极的BICEP2望远镜观测到BIGBANG的“余烬”——微波背景辐射,计算出原始引力波作用于微波背景光子,会产生一种特殊的偏振模式,称为B模式。其他形式的扰动无法产生这种B模式偏振,于是B模式偏振就成了原始引力波的“唯一标记”。观测到的B模式偏振意味着引力波的存在。南极洲是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员在这里发现了比预期强得多的B模式偏振信号。经过三年多的分析,排除了其他可能的来源,确认是原始引力波引起的。2065438+2006年初,来自激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲引力波天文台(处女座)的科学家联合宣布,他们探测到了6543.8+0.3亿年前两个质量约为太阳30倍的黑洞合并产生的引力波。这一发现为宇宙大爆炸理论提供了新的有力证据。

2065438+2009年4月,事件视界望远镜协作组织(Event Horizon Telescope Collaboration)根据美国、比利时、智利、中国和日本的观测事实发布了首批黑洞照片,进一步为宇宙大爆炸理论增加了有利依据。

遗憾的是,关于大爆炸的起点和大爆炸前后的初始阶段,严重缺乏相关观测,最早的宇宙物质和能量的实际形式在很大程度上仍然是一种猜测。

数量术语维对象基础

这一理论是研究广裕本质及其人文现象的理论学说,其主要目的是描述广裕本质的普遍规律。但该理论并没有对宇宙大爆炸等相关结论进行描述和叙述,而是对光宇中自然事物的过去、现在和未来的相关量,以及相关的组织、结构、成分和机制进行了全面的表述。

数量项维度对象库的表达式[1]

这种表述对宇宙起源的描述,着眼于《广喻》中自然物的普遍构成和机理、它们的可观测性和逻辑辩证法、人的认知和思维角度,其重点是分析《广喻》中自然物的可观测性和逻辑辩证实在性。

表述把广宇的本性描述为:因其存在而存在,因其存在而表现为其体系及其成分。并做了一个总结,即与系统链内外的反应有变化关系。进而进行一个量化逻辑,即其变化不是独立存在的,也没有超越它。同时,表达式明确指出了广宇自然对其空间的系统组成,……原子粒子……,声、热、光、磁和电显示运动群。爆炸的原因、内外关系和机制都明确指向宇宙大爆炸等各种现实所形成的群单元,明确规定了不同区域、阶段、成分、数量、运动和机制的特征。

表达式勾勒了大爆炸理论的起点、起点前后的初始阶段以及大爆炸理论的内外关系,给出了实际观察和逻辑辨析的框架。

遗憾的是,对于这一理论及其与科学认知的具体关系,主流科学界并没有给出确定的结论。

显然,宇宙大爆炸理论的观测已经分析了光宇本质的一些新兴力量,而数量维度对象库则进一步揭示了这些可实际观测和逻辑区分的新兴力量的成因、构成要素、结构组织和机制,以及它们与光宇本质其他因素的基本关系。大爆炸理论认为,可以通过量、维度、物质基础进行观察和辩证描述的事实表明,宇宙是起源于自身结构组织,受其运动机制控制,具有多区域、广阔区域、渐变和多种表现形式,可以通过思维进行认识的集合体。[1]

宇宙稳态理论

稳态宇宙论是由几位年轻的英国天体物理学家邦迪、戈德和弗雷德·霍伊尔在1948年提出的。他们的观点是:时空在相对论中是统一的,既然宇宙学认为所有的空间位置都是等价的,那么所有的力矩也应该是等价的。也就是说,天体(物质)的大尺度分布不仅在空间上是均匀的、各向同性的,在时间上也是恒定的。也就是说,在任何时候,任何位置的观测者看到的宇宙图像在大尺度上都是一样的。这个原理被称为“完全宇宙学原理”。

稳态宇宙论认为宇宙在时间和空间上都是无限的。它认为宇宙从来没有开始,或者说,宇宙处于一个连续的创造过程中。当宇宙膨胀时,总密度会降低,但会产生更多的物质来增加密度。因此,随着宇宙的不断膨胀,恒星中不断产生新的物质来填补空隙。

稳态宇宙论最大的特点是物质和能量不守恒,物质不灭定律不成立。因此,霍伊尔提出修改爱因斯坦的场方程。他认为新产生的物质是由新产生的真空从高能级到低能级的跃迁引起的真空相变产生的。稳态宇宙学自提出以来就引起了轰动,但如此重大的原理变化是不能轻易采取的,除非新理论取得了巨大的成就,并且与观测事实吻合得很好,但实际上稳态宇宙学与观测事实并不吻合。

薄膜宇宙学

为什么宇宙会从一个密度无限大的点爆发,或者说奇点?但没有人知道是什么引发了这场爆发:已知的物理定律无法告诉我们那一刻发生了什么。加拿大滑铁卢圆形理论物理研究所的天体物理学家Niayesh Afshordi说:“所有物理学家都知道龙可能会飞出奇点。”同时,科学家也很难解释为什么如此猛烈的大爆炸留下的宇宙会有一个几乎完全均匀的温度,因为宇宙诞生以来似乎没有足够的时间达到温度平衡。

对于大多数宇宙学家来说,一致性最合理的解释是,在宇宙形成后不久,一些未知形式的能量使年轻的宇宙膨胀得比光还快。这样,我们得到了我们所看到的温度大致均匀的宇宙。但阿夫肖尔迪强调:“BIGBANG太混乱了,所以很难发现这种膨胀是否真的存在。”。在arXiv预印本服务器上发表的一篇论文中,阿夫肖尔迪和他的同事们将注意力转向了一个研究小组提出的假设,该小组包括2000年慕尼黑路德维希马克西米利安大学的物理学家吉娅德瓦利。在这个模型中,我们的三维宇宙是一部电影,漂浮在拥有四个空间维度的“身体宇宙”上。阿夫肖尔迪的团队意识到,如果大块宇宙包含自己的四维恒星,其中一些恒星将会坍缩,最终形成四维黑洞——类似于我们宇宙中大质量恒星的运行。这些四维恒星会像超新星一样爆炸,猛烈喷射其外层物质,而其内层则会坍缩成黑洞。

在我们的宇宙中,黑洞被一个叫做视界的球体连接着。鉴于普通三维空间需要一个二维物体(一个曲面)来创建黑洞的内边界,在体宇宙中,四维黑洞的视界应该是一个三维物体——一个叫做超球的形状。当阿夫肖尔迪的团队模拟四维恒星的死亡时,他们发现喷射出的物质可以在三维视界周围形成三维薄膜,并慢慢膨胀。研究人员假设我们生活的三维宇宙可能就是这样一个膜,我们探测到的膜的增长被认为是宇宙的膨胀。阿夫肖尔迪说:“天文学家观察到了这种膨胀,并推断宇宙肯定是从一次大爆炸开始的——但这只是一个幻影。”。这个模型也自然地解释了我们宇宙的一致性。因为四维宇宙在过去可能存在了无限长的时间,它有足够的机会让不同区域的四维宇宙达到平衡,而我们的三维宇宙很可能继承了这一点。

膜宇宙学是物理学中超弦理论和M理论的一个分支,专门研究宇宙膜。该理论认为,宇宙其实是嵌入在一些更高维的膜中的。这个课题也研究那些更高维的膜是如何影响我们的宇宙的。