当代宇宙学为我们呈现出了一副什么样的宇宙图景：从熵增到宇宙大爆炸
文摘
2024-12-31 15:43
广东
相比于古代宇宙学神话借助哲人的沉思和经验性的想象来描述宇宙图景，现代宇宙学借助数学和逻辑的认识工具来构建宇宙图景，依据天文望远镜的观测结果来证伪图景。那么，现代宇宙学为我们呈现出怎样一幅宇宙图景呢？古人对于宇宙是否有开始和结束的问题有着两种不同的看法：一种看法认为宇宙没有开始，宇宙自始至终存在，且宇宙将永远存在下去；另一种认为宇宙存在一个开始，而且宇宙终究会有结束的那一天，到那一天时间和空间都将丧失意义。后一种观点最具代表性的理论是上帝创世说，圣经记载了上帝在7日内创造宇宙万物。现代热力学研究表明宇宙中存在三大真理，分别是热力学的三大定律：2、物质和能量之间可以相互转化，转化过程可以用爱因斯坦质能方程式加以描述；3、绝对零度时，所有纯物体的熵值为0，或者说绝对零度永远无法达到。如果宇宙在时间和空间上是无限的，则会引发逻辑上的悖论：一个无限的宇宙和一个有限的我们，意味着在统计学意义上我们根本不可能存在，但是我们的存在在物理学上是先验的，所以反过来推导宇宙在时间和空间上都是有限的。下图展现了爱因斯坦广义相对论的基本方程，这一方程几乎是现代物理学和宇宙学的基础。热力学三大定律表明一个有限的宇宙在时间上必定有一个开端，且宇宙整体的熵在不断增加，宇宙的最终命运是热寂中死亡。进入20世纪以后，俄国科学家弗里德通过推导爱因斯坦的广义相对论得出了著名的弗里德曼方程，弗里德曼方程预言了宇宙存在一个开端，这个方程成为现代宇宙学的基础。弗里德曼方程预言了宇宙的结局和空间的曲率息息相关，一个开放的宇宙将走向永恒的热寂。美国天文学家哈勃通过对河外星系的天文学观测发现宇宙中的星系在相互远离，这意味着在遥远的过去星系之间的距离曾经是无限接近的。对河外星系的研究为我们揭示了一幅宏伟的宇宙图景，在可以被观测到的空间内存在着数千亿甚至更多个和我们的银河系一样巨大的星系结构，每一个星系包含着几千亿甚至几万亿乃至更多的恒星。最终勒梅特和乔治.伽莫夫提出并发展了宇宙大爆炸理论，这一理论为我们呈现了一幅在100多亿年前宇宙被压缩在一个小小的奇点中，奇点内部的质量和密度非常大，温度也非常高。直到一声大爆炸，奇点被炸开，然后宇宙的物质向四周散射开来，在这个过程中宇宙的温度逐渐下降、宇宙局部的密度不断降低，形成今天宇宙中万事万物的原子和分子最终形成。关于宇宙大爆炸理论的详细内容可以参考这一理论的创始人，诺贝尔奖得主伽莫夫的著作：《从一到无穷大》，全书作为一本优秀的科普书用通俗易懂的语言、轻松休闲的方式讲述从宇宙的创世到那个时代科学研究的前沿。到20世纪50年代，宇宙大爆炸理论和当时主流的核物理研究一样是人们心中坚信的真理，人们相信宇宙就是在大爆炸的过程中最终形成的，而驱使大爆炸发生的力量只能是全能的上帝。但是宇宙大爆炸理论的问题重重：宇宙之初的奇点存在于什么地方呢？在时间和空间开始以前还有时间和空间吗，如果没有又怎么可能呢？我们人类无法想象不存在时间和空间的情况。种种的问题结合着天文学观测的结果引发宇宙学的下一次革命性进步：暴涨宇宙学和无中生有的宇宙。
