理论教育 宇宙的演化:恒星消耗核燃料、黑洞不可逆转、空间变老

宇宙的演化:恒星消耗核燃料、黑洞不可逆转、空间变老

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:现在,我们的宇宙在渐渐“变老”—恒星在不断地消耗着核燃料,耗费着宇宙中生命的力量;黑洞不断形成,其趋势似乎不可逆转;空间作为宇宙的骨架,年老时,脊梁会比年轻时更弯曲;暗能量吞噬着宇宙的记忆,将可观测宇宙曾经记住的事情推到世界之外……宇宙变老的时间标度,以百亿年计。除此之外,别的问题,都可以在早期宇宙中解决。一般认为(也就是说,暴胀理论尚未被最终确认为科学事实。

宇宙的演化:恒星消耗核燃料、黑洞不可逆转、空间变老

我们暂且放下上文的微波背景辐射温度涨落(稍后再回来),来问一个看似不相关的问题:宇宙为什么这么大、这么古老?

你可能不觉得这是一个问题—人家宇宙本来就是这么大这么老啊。这有什么好问的?

可是并不是所有人都满足这个回答。例如,量子力学的创始人之一,狄拉克(Paul Dirac),在1937年曾经问过一个“大数问题”,为什么宇宙的年龄,用原子甚至基本粒子为单位来衡量,是一个如此巨大的数字(1040或更大)?

狄拉克当时对这个问题的猜想,从现代物理的观点看来已经有些过时。但是这个问题并不过时。

现在,我们的宇宙在渐渐“变老”—恒星在不断地消耗着核燃料,耗费着宇宙中生命的力量;黑洞不断形成,其趋势似乎不可逆转;空间作为宇宙的骨架,年老时,脊梁会比年轻时更弯曲;暗能量吞噬着宇宙的记忆,将可观测宇宙曾经记住的事情推到世界之外……宇宙变老的时间标度,以百亿年计。而基本粒子物理中的时间标度,则通常在10-26秒以下。归根结底,宇宙是由基本粒子物理所描述的。为何时间标度上能有如此大的差别?(www.daowen.com)

我们暂且不提“暗能量”的事情。除此之外,别的问题,都可以在早期宇宙中解决。

我们看一个直观的类比:人体是由细胞组成的。除了特例,多数细胞的寿命在几小时到几个月之间。但是,人的寿命却通常是几十年的量级。尽管两个数字之间的差别不如宇宙中10的四十几次方的差别那么大,但是也是值得思考的。

当然,要仔细研究人的寿命需要很多生命科学的知识,其中很多还是未解之谜。这不是本章讨论的内容。不过,要让人比单个细胞拥有更长的寿命,一个必要条件是人需要由多个具有共性的细胞组成。否则,如果人只有一个细胞,人的寿命不会长过这个细胞的寿命。事实上,人从受精卵发育而来。受精卵先分裂成两个细胞,这两个细胞分裂成四个细胞……这些细胞具有近乎相同的性质。每个人人生的早期,都有这样一个细胞指数增长的过程。这是人的寿命比细胞寿命长的一个前提。

宇宙也正是如此!一般认为(也就是说,暴胀理论尚未被最终确认为科学事实。但是其与实验的相符程度以及在科学家中的认可程度已经达到接近科学事实的标准),在宇宙早期,存在一个空间指数膨胀的阶段,这个阶段很像细胞分裂—一片空间区域膨胀,体积加倍。新的体积又继续膨胀,体积加倍……这样下去,空间自我复制,于是,宇宙的空间体积、特征的时间尺度等,都随着空间的自我复制指数增长了。宇宙的大小、年龄问题也就迎刃而解。这个宇宙婴儿(甚至可以说胚胎)时期的指数膨胀阶段叫作暴胀。

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