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谁给大爆炸提供了能量?宇宙的未来是什么?

很多朋友都会问下面这些问题:谁给大爆炸提供了能量?为什么没有炸出来反物质呢?大爆炸之前是什么?大爆炸的中心在哪里?宇宙的边在哪里?我们会跟着宇宙一起膨胀吗?宇宙会一直膨胀下去吗?宇宙的未来是什么?

这些问题,有些是大家的误解,有些学术界目前也不能给出确定的回答。更重要的是,如果上网搜索,你会看到各种稀奇古怪的回答,但是在正规的天文学书里却找不到这些问题的答案,或者即使找到了,你也会被那些学术术语和复杂的公式方程吓退。

在这堂课里面,我将澄清一些误解,也对那些学术界一般不用通俗的语言解释甚至还没有确切答案的问题,尽量给读者做一些初步的介绍和回答,满足读者的好奇心。

谁给大爆炸提供了能量

“砰”的一下,就炸出来了一个宇宙,产生了这么多物质和天体,而且这些天体今天还在宇宙中飞跑,那得多少能量啊!这些能量都是从哪里来的呢?

其实在宇宙中,爆炸是经常发生的,而且不一定要从外边提供什么能量。比如,大家都听说过超新星爆发,而超新星爆发就不需要外部提供能量,它自己就爆炸了。简单地说,如果有一大团物质,在自身的引力作用下就会发生收缩,我们叫作引力坍缩。在这个收缩过程中,引力势能转化成为物质的动能,所以在没有其他事情发生的情况下,这些高速运动的物质最后就会撞在一起,发生一个剧烈的爆炸。但是这并不是我们看到的超新星爆发,原因在于:这一团物质收缩的过程中的确会发生其他事情,比如形成了恒星和行星,我们的太阳系就是这么形成的。

超新星爆发 | 《极简天文课》

恒星靠它内部的核聚变产生能量来抵抗进一步的引力收缩,但是恒星内部的核聚变过程最终是会停止的,失去了内部能源的恒星只好继续做引力坍缩。接下去就有两种可能了:一种可能就是在中心首先形成了一个黑洞,那么剩下的物质跑到了黑洞视界面就直接进去了,所以不会发生超新星爆发,银河系内的有些黑洞就是这么形成的。但是如果中心先形成了一个中子星,外面的物质并不知道,仍然高速冲进去,撞到了中子星很硬的表面,就会被反弹回去,这就是超新星爆发。所以,产生超新星爆发并不需要额外提供能量。

但是宇宙一开始可是什么都没有,靠引力坍缩引发宇宙大爆炸很显然不可行,那么怎么办呢?一个出路就是奇点。我们一般认为,黑洞的中心是一个奇点,那里的各种物理量都发散, 尤其是能量和物质密度都是无穷大。既然是无穷大,那么奇点爆发产生出来一个宇宙就可能了。但是黑洞的奇点是被黑洞的视界包围着的,不会影响黑洞外面的世界。然而,如果有一个没有被黑洞视界包围的奇点, 这个奇点就可以产生宇宙大爆炸了。霍金和彭罗斯于1970年证明了一个奇点定理,而奇点定理要求的条件看来是可以满足的。于是,宇宙大爆炸需要的奇点就可以有了。

黑洞的中心是一个奇点 | EHT

但是,读者们可能又要问了:奇点是从哪里来的呢?奇点产生之前是什么呢?这就不是大爆炸理论所能够回答的了。

为什么没有炸出来反物质?

前面提到,大爆炸开始产生了高速运动的夸克、胶子、电子等基本粒子及其反粒子,因为按照现有的粒子物理标准模型,正反粒子总是成对产生的,而且在我们的高能粒子对撞机中,也总是观察到正反粒子是一起产生的。但是,为什么今天的宇宙中就只有物质而没有反物质呢?为什么宇宙一开始产生了同样数量的正反粒子,但是最后反粒子都消失了以至于没有形成反物质呢?

每个基本粒子都有自己的反粒子,它们的质量相同但电荷相反 | ESO,N. Bartmann

可能你会问,也许就是地球上没有反物质,宇宙其他地方的反物质可能就很多呢?这种可能性已经被观测否定了,因为我们可以观测到来自宇宙中其他地方的宇宙射线,这些宇宙射线中除了少数是在后来的高能作用过程中产生的反粒子之外,根本就没有原初的反物质宇宙射线。这就是困扰当前科学界的一个重大疑难:宇宙反物质丢失之谜

还没有答案不等于完全没有线索,而这个线索很可能就和神奇的中微子有关系。我们在这里不谈太多的物理学前沿问题,关于中微子的很多有趣故事就略过不讲了。长话短说,同样也是按照现有的粒子物理标准模型,中微子是不应该有质量的,但是多年前科学家发现,观测到的来自太阳的中微子的数量比根据理论模型计算出来的少了大约1/3,这就是著名的太阳中微子短缺之谜

但是后来发现,原来太阳产生出来的中微子真的没有少,只是在传播到地球的过程中,有些中微子变成了其他类型的中微子,但是一开始只测量了一种中微子,后来就把这些中微子找回来了。一种中微子能够自发地变成另外一种中微子的过程就叫作中微子振荡,而中微子振荡背后的理论机制就是中微子有质量。2015 年的诺贝尔物理学奖就授予了物理学家梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳,奖励他们发现了中微子振荡。

在传播到地球的过程中,有些太阳产生出来的中微子变成了其他类型的中微子 | USGS / Public domain

那么,为什么中微子违反了粒子物理标准模型而具有质量呢?我们目前并没有答案,但是有一些研究表明,这很可能就和宇宙的反物质丢失之谜有关。所以,研究小小的几乎没有质量的中微子,竟然有可能揭开关于宇宙大爆炸的重大疑难。

大爆炸之前是什么?

宇宙的中心在哪里?

刨根问底是有科学素养的一个表现。我在做科普报告的时候,经常会听到这些问题:那么大爆炸之前是什么?宇宙的中心在哪里?

在大爆炸理论的框架下,是没有大爆炸之前这个问题的,因为大爆炸理论只能回答大爆炸以后的事情,而霍金和彭罗斯的奇点定理又把允许大爆炸的发生推给奇点,奇点本身是没有之前的,奇点消失了才产生了大爆炸,所以只有以后。当然,奇点定理是广义相对论框架下的结果, 如果我们考虑量子力学效应,那么就不允许这样的奇点存在,因为在量子理论里面,在极高密度和极高能量下,量子涨落必然非常强烈,时间和空间都会变得不确定,所能够允许的最短时间就是所谓的普朗克时间, 也就是10-43秒。既然不允许比这个时间更短,当然就没有零时间,也就没有零之前的时间了,当然就根本没有奇点之前这个概念了。

大爆炸理论只能回答大爆炸以后的事情 | 图虫创意

我们观测到所有遥远的天体都是背对我们膨胀,似乎我们处于宇宙膨胀的中心,但这只不过是我们的观测视觉效应。其实在宇宙中的任何地方观测,都会看到所有遥远的天体也都是同样的背对我们膨胀,而这正是对哈勃定律的最简单解释。

从另外一个方面思考,既然我们的宇宙是产生于一个奇点,我们总可以问这个点在哪里吧?其实这也是一个误解。我们说的奇点,并不真的是已有空间中的一个无限小的区域,而指的是所有地方的密度和能量都无限大的一种宇宙状态。那时候宇宙中处处的密度和能量都无限大, 也就是整个宇宙都是奇点,并不是指宇宙是一个点,因此就没有宇宙的中心是哪里这个问题了,因为处处都是中心也都不是中心。

就只能把锅甩给奇点吗?

用奇点作为宇宙大爆炸开始的“接锅侠”,虽然简单,但是并不能令人满意,因为这只能解释奇点是可能出现的,不但没有回答为什么会有奇点,而且不能说明就必须有奇点。大爆炸宇宙学模型还有其他困难, 最主要的是三个,即磁单极粒子、巧合性和视界疑难。

英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac,1902—1984)早在1931年就利用数学公式预言了磁单极粒子的存在。当时他认为既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在,那么根据对称性,理应带有基本“磁荷”的粒子存在。在这之前,狄拉克就用类似的方法成功地预言了正电子的存在,从此开启了研究反物质粒子之门,所以狄拉克的预言就引起了大家的重视。后来的粒子物理大统一理论也预言了磁单极粒子的存在。然而, 寻找磁单极粒子的各种实验都没有探测到磁单极粒子,尽管不能排除磁单极粒子的存在,但是至少说明宇宙中磁单极粒子非常少。

有史以来第一张正电子的云室照片。水平粗线是铅板,正电子进入了左下方的云室。| Wikimedia Commons, Carl D. Anderson / Public domain

第二个疑难是巧合性问题,尽管宇宙中的天体多姿多态,宇宙整体的参数太像是人为给出来的,比如宇宙的所有物质和能量之和貌似恰好让宇宙的时空是平坦的,而在广义相对论里面,弯曲时空才是自然的。

弯曲时空概念图 | ESA, C.Carreau

第三个疑难是视界问题。由于宇宙整体的尺度非常大,比如相距最远的两端的距离是接近500 亿光年远,而宇宙的年龄只有不到140亿年, 所以即使以光线联系,相距最远的两端也不可能建立任何因果关系,因为不可能出现超光速的通信。但是,各种观测表明,宇宙对面的“模样”竟然几乎一样,似乎私下里已经有过了交流,它们是怎么交流的呢?

对数标度的可观测宇宙图 | Wikimedia Commons, Unmismoobjetivo / CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

为了解决这个问题,当时年轻的物理学家阿兰·古斯(Alan Guth, 1947—)就提出了一个古怪的想法:其实现在距离特别远的宇宙,一开始距离很近,是可以建立因果关系的,而且也进行了充分的交流,当然那时候宇宙的密度和能量特别高,所以也有很多磁单极粒子,然后突然宇宙就开始了一个比大爆炸还厉害得多的膨胀,被称为暴胀。在这个期间,宇宙的尺度不是按照哈勃定律那样线性增加,而是指数增加,在几乎注意不到的极短时间内,宇宙的尺度就变得比较大了,原来正在密切交流的局域还没有来得及说“再见”就已经到了以光速通信也不可能了,所以后来尽管分开得已经很远了,但是当时的模样被保留了下来。这样就解决了视界问题。

可以在这个框架下计算,即使一开始宇宙很不平坦,但是由于膨胀的速度太快,任何不平坦都会瞬间被拉平,与最简单的整理床单有异曲同工之妙。拉平之后,谁又能知道以前是怎么凹凸不平的呢?同样,即使一开始宇宙中磁单极粒子很多,但是由于膨胀的速度太快了,根本来不及产生新的磁单极粒子,到了正常的大爆炸阶段,宇宙中的磁单极粒子密度就已经非常低了,所以现在根本就探测不到了。

拉平之后,谁又能知道以前是怎么凹凸不平的呢 | 图虫创意

所以,暴胀宇宙学模型竟然一石三鸟就解决了困扰标准大爆炸模型的三个疑难问题。当然,用暴胀模型作为宇宙大爆炸的开始,也自然避免了我们前面说的奇点问题。

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