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深度科普:宇宙大爆炸的奇點哪里來的?(超5000字,請耐心閱讀)

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在現代主流科學理論中,我們的宇宙誕生于 138 億年前的一次大爆炸。



起初,存在一個體積無限小、密度和溫度無限高的奇點,它突然急劇膨脹,進而催生了我們如今所處的宇宙。不僅物質和能量自此產生,就連時間和空間也是在宇宙大爆炸之后才出現的。

然而,宇宙大爆炸以及那個神秘莫測的奇點,總是充滿了諸多令人費解的疑問。奇點本身就極為詭異,畢竟我們很難在腦海中構建出一個體積無限小的點究竟是以何種方式存在的。



而更為關鍵的問題是:這個奇點最初是如何形成并存在的,它又存在于何處呢?

對于這一問題,實際上科學家們目前也沒有確鑿的答案,直白地說就是 “不知道”。不過,科學家們掌握的相關知識顯然比我們普通大眾要豐富得多。

首先需要明確的是,奇點并非存在于某個常規空間中的點。其次,宇宙大爆炸也并非從某個特定的點開始向四周擴散。



奇點,更多地是一個數學上的概念,它代表著數學對象中無法正常處理的點,在該點上,數學沒有明確的定義。打個比方,假設有一個函數f(x)=1/x,當x等于 0 時,函數的值趨近于無窮大。但在數學概念里,無窮大并非一個具有明確、特定定義的值,所以\(x = 0\)就是上述函數的奇點。

由此可見,“宇宙是從一個無限小的點開始的” 這種表述并不嚴謹,是對奇點概念的一種誤解。那么,究竟該如何正確理解宇宙大爆炸時的奇點呢?

上世紀 20 年代,美國著名物理學家哈勃在對遙遠星系的運動進行觀察時,發現了一個看似異常的現象:遙遠的星系都在加速遠離地球,而且距離地球越遠的星系,其遠離地球的速度就越快。



基于廣義相對論,如果我們將時間逆向推演,就能夠得出這樣的結論:在有限的過去時間里,宇宙必定處于一種極度密集且極度高溫的狀態。

在這種狀態下,包括廣義相對論在內的所有已知物理定律都會徹底失效,而這種特殊的狀態就被定義為 “奇點”。



由此可見,“體積無限小,密度溫度無限高的奇點” 這種描述其實并不準確。只不過在很多科普內容中,為了讓大眾更容易理解奇點的概念,會采用這樣較為通俗的說法,實際上我之前也使用過類似表述。

真實的情況是,如果我們將時間回溯到 138 億年前,可觀測宇宙確實處于一個體積非常小的范圍內,這個范圍甚至遠小于一個電子。但需要注意的是,可觀測宇宙并不能等同于整個宇宙,它僅僅是宇宙的一部分。

宇宙的真實大小要遠遠超過可觀測宇宙。由于宇宙膨脹的速度超過了光速,可觀測宇宙之外的光線信息永遠無法抵達地球。所以,對于目前的我們而言,那部分宇宙在實際意義上是無法觸及和認知的。

那么,真實的宇宙到底有多大呢?依據當前的科學理論和觀測結果推測,真實宇宙的大小很可能是無限的。



一個無限大的宇宙,無論怎樣收縮,都不可能在有限的時間內收縮成一個有限大小的點。但是,無限大的宇宙卻可以持續膨脹,其方式就是在自身內部不斷地拓展空間。

既然如此,奇點到底是怎么一回事呢?我們先來了解一下現有科學理論對奇點以及宇宙大爆炸瞬間的研究成果。

宇宙大爆炸瞬間可以進一步細分為三個階段。

第一階段是電弱時代。在大爆炸發生后的大約10的-32次方秒,此時的可觀測宇宙大小僅相當于一粒沙子。宇宙的溫度依舊高得驚人,希格斯場無法賦予基本粒子靜質量。這就導致所有的基本粒子靜質量都為零,它們都只能以光速在宇宙中飛行。



不過,在這一時期,弱相互作用與電磁力已經合并成了電弱力,所以這個階段被稱為 “電弱時代”。在這個階段,人類現有的物理定律已經能夠對其進行較為完善的解釋。科學家們甚至可以通過大型粒子對撞機,模擬出如此高的溫度環境,以此來驗證電弱力理論的正確性。

第二階段是大統一時代。在大爆炸發生后的大約10的-36次方秒,當時宇宙的溫度高達10的27次方度。在這樣極高的溫度條件下,強相互作用也會與電弱力相互融合,三種基本力合并在一起。如今,有許多理論都致力于研究這三種力的統一,這也被稱為 “大統一理論”。



然而,目前科學家們還無法通過實驗來驗證大統一理論。因為即便是當前最強大的大型粒子對撞機,也無法創造出如此高的溫度和能量,從而無法使強相互作用與電弱力實現合并。

要想驗證大統一理論,我們需要一臺能夠提供現有對撞機能量 1000 億倍的更強大對撞機,這對于人類目前的科技水平而言,是一個巨大的挑戰。甚至有觀點認為,依靠對撞機這種方式來驗證大統一理論,最終可能會陷入死胡同。

第三階段是普朗克時代。在大爆炸發生一個普朗克時間,也就是大約10的-43次方秒時,當時的可觀測宇宙大小僅為普朗克長度。廣義相對論預言,在普朗克時代,四大基本作用力完全統一在一起。然而,在這樣極小的尺度下,描述引力和時空的廣義相對論遇到了奇點問題。



在微觀世界中,我們需要用量子力學來進行描述。但廣義相對論與量子力學之間存在著沖突,如何解決這一沖突呢?這就需要一個更為高級的理論,即量子引力理論,也被稱為 “萬有理論”。在眾多試圖解決這一問題的理論中,超弦理論是一個極具競爭力的候選理論。

說了這么多,所謂的奇點,實際上是現有物理學面臨的一個奇點。通俗來講,奇點就像是現有物理學發展道路上的一塊巨大絆腳石,它讓我們現有的理論體系難以自洽地解釋宇宙最初的狀態。但隨著新的物理理論不斷涌現和發展,物理學上的奇點問題有可能會迎刃而解,這個看似不可逾越的障礙或許會隨著理論的完善而自動消失。

另外,需要指出的是,大爆炸理論本質上是一種假說。它是科學家們根據宇宙膨脹等一系列觀測現象,推測出的宇宙在過去某個時期的一種可能狀態。大爆炸理論本身并不能確切地告訴我們大爆炸究竟是如何發生的,為什么會發生,更無法告知我們在大爆炸之前宇宙處于何種狀態。



要想解答上述這些深層次的問題,我們需要新的理論和假說,例如量子場論。

那么,什么是量子場論呢?

量子場論是將量子力學、狹義相對論和經典場論相結合而形成的物理理論,它在粒子物理學和凝聚態物理學等領域有著廣泛的應用。量子場論為描述多粒子系統,尤其是那些包含粒子產生和湮滅過程的復雜系統,提供了一個極為有效的理論框架。

在量子場論中,粒子被看作是場的量子激發態,每一種不同的粒子都對應著一種特定的場。



具體來說,宇宙并非處于絕對 “無” 的狀態,而是充滿了各種場,這些場相互交織,構成了一種 “混沌” 的狀態。在初始階段,這些場都處于穩定的基態。但是,根據量子力學的不確定性原理,基態的場會受到各種微觀因素的影響而被激發。一旦場被激發,就會產生相應的基本粒子。

例如,當電子場受到激發時,就會產生電子;中微子場被激發后,會形成中微子;希格斯場被激發則會產生希格斯粒子。

按照量子力學不確定性原理,基態的場總是會受到各種微觀漲落的影響而被激發,從而產生各種基本粒子,這個過程就是我們通常所說的 “量子漲落”。



宇宙最初就處于各種場相互交織的 “混沌” 狀態。而量子效應表明,在極短的時間尺度內,任何隨機事件都有可能發生,具體表現為量子的隨機漲落。在一般情況下,通過量子漲落產生的基本粒子會在瞬間相互湮滅,重新回歸到能量狀態。

我們不能用宏觀世界中經典物理的思維模式來理解量子效應。正如前面所說,只要時間足夠短,量子世界中就可能發生任何看似不可思議的事件。

這意味著,在極其漫長的時間長河中的某個瞬間,必然會出現這樣一種特殊的隨機事件:通過量子漲落產生的基本粒子并沒有發生湮滅,而是穩定地存在了下來。而這些穩定存在的基本粒子,就成為了宇宙起源的最初物質基礎和動力源泉。

在量子世界里,時間的概念與我們在宏觀世界中所感受到的截然不同??梢酝ㄋ椎乩斫鉃椋毫孔邮澜缋锏囊凰查g,從某種意義上來說,就相當于我們宏觀世界中的 “永恒”。



在宇宙最初各種場交織的 “混沌” 狀態下,經過漫長時間的量子漲落,必然會孕育出我們現在所處的宇宙。而且,這種量子漲落并非只會產生我們這一個宇宙,實際上,它會隨機產生無限多個宇宙。

因為量子漲落本身是完全隨機的,它既可以通過特定的漲落模式產生出我們所生活的這個宇宙,也同樣可以通過其他不同的隨機漲落方式,孕育出無數個其他的宇宙。

由此可見,運用量子場論來解釋宇宙的起源以及奇點問題,就不會再陷入 “宇宙奇點之外是什么” 這樣令人尷尬的思維困境。因為按照這種理論,所謂的奇點或者宇宙本身,都是通過量子漲落自然而然地出現的。如果非要追問奇點之外是什么,那么答案就是:存在著其他通過量子漲落產生的奇點和宇宙。



宇宙最初各種場交織在一起的 “混沌狀態”,可以形象地比喻成一片無邊無際的汪洋大海。而場的激發過程,就如同這片平靜的大海從風平浪靜變得波濤洶涌,大海中濺起的無數水珠,就類似于在量子漲落中產生的 “微觀粒子” 或者 “奇點”。很顯然,在波濤洶涌的大海中,濺起的水珠不可能只有一個,而是會產生無數個,這就如同量子漲落會產生眾多的微觀粒子和可能的宇宙奇點一樣。

當然,你可能還會進一步追問:如果量子場論是正確的,那么宇宙最初各種場交織在一起的 “混沌” 狀態又是從何而來的呢?

對于這個問題,目前沒有人能夠給出確切的答案。不只是我這樣的普通科普作者無法回答,實際上,以人類現有的認知水平和科學技術,任何人都難以知曉這個問題的答案。

我們之所以無法回答這個問題,根源在于人類自身存在諸多局限性。



這種局限性體現在多個方面,包括人類的認知能力有限,我們受到所處時代的科技水平和知識儲備的束縛,人類長期以來形成的某些固有觀念也會限制我們對未知世界的探索,甚至我們所生活的四維時空本身,也在某種程度上限定了我們對宇宙深層次奧秘的理解。這些因素綜合起來,造就了我們在認識宇宙起源等終極問題上的局限性。

舉個最為直觀的例子,在我們人類長期形成的固有觀念中,因果律被認為是必然成立的,即任何事件的發生都必然有其原因,有因必有果,有果必有因。

然而,因果律真的在所有情況下都絕對成立嗎?或許因果律僅僅在我們日常生活所處的四維宏觀世界中適用,一旦我們跳出這個熟悉的環境,進入到微觀的量子世界或者更為宏大的宇宙尺度,因果律可能就不再成立了。



再比如,在我們的固有思維里,任何事物、任何事件都必然有一個開端,都需要有一個起始的源頭。這也是為什么很多人會對 “宇宙最初的混沌狀態是怎么來的” 這個問題感到困惑并不斷追問。這種思維模式可以簡單表述為:如果 B 是由 A 產生的,那么 A 又是由什么產生的呢?按照這種邏輯不斷追問下去,最終必然會陷入一個無法解答的死胡同。

為什么會陷入這樣的困境呢?我們目前并不清楚確切原因。

但有一種可能的解釋是:我們從一開始對世界的認知思維方式就存在偏差。我們憑什么認定萬事萬物都必須有一個開端呢?在目前已知的大自然法則中,并沒有任何一條明確規定萬物都必須有一個起始點。

其實,從科學哲學中 “證偽” 和 “不可證偽” 的角度來看,“萬物都必須有一個開端” 這種觀點也并非無懈可擊,或者說它在現實科學研究中并沒有太大的實際意義。



因為在科學領域,如果一個命題或者觀點無法被證偽,也就是說無論通過何種方式、何種實驗或者觀測,都無法找到證據來反駁它,那么從某種程度上講,這個命題就等同于不存在,或者說它不具備現實意義。

卡爾?薩根曾經提出過一個關于龍的著名比喻:

你聲稱:我家的車庫里有一條會噴火的龍! 我回應道:真的嗎?那能不能讓我親眼看一看呢? 你解釋說:很遺憾,這條龍是隱形的,即便你打開車庫大門也看不到它,實際上,只有我自己能看到這條龍。 我又提議:那它不是會噴火嗎?我們可以測試一下車庫里的溫度有沒有升高呀。



你繼續回應:非常遺憾,我這條龍噴出來的火是冷的,它不會使車庫的溫度升高。但是,請相信我,這條龍確實存在。 我接著說:...... 那我能不能往車庫里噴漆,這樣如果龍存在的話,它身上就會沾上油漆從而現身。

你再次表示:很遺憾,這條龍的鱗片不會沾上油漆,所以即便你這么做,也肯定看不到它。不過,請一定要相信我,它真的存在!

從這段對話中可以看出,對于我提出的每一個試圖驗證你說法的測試方法,你都能通過增加一個特殊的前提條件來規避驗證,最終導致我永遠無法找到證據來推翻你的說法。

這就使得你的這個說法變得不具有可證偽性。在科學上,這類無法被證偽的命題是沒有實際研究價值的,這也正是奧卡姆剃刀原理的體現:如無必要,勿增實體。



我們同樣可以運用這個原理來思考我們的宇宙,以及宇宙大爆炸和奇點之前、之外的問題。由于我們人類目前的認知范圍被局限在可觀測宇宙之內,我們所總結出來的物理定律也僅僅適用于我們已知的這個宇宙部分。

那么,從這個角度來看,討論 “宇宙之外” 之類的問題實際上是缺乏現實意義的,因為這類問題無論如何都無法通過現有的觀測手段進行驗證。

當然,這并不意味著我們永遠無法觸及這些問題的答案,只是說明我們不能僅僅依靠現有的 “科學手段” 去理解它們。畢竟科學并非是萬能的,它也不是我們認識宇宙的唯一途徑。

除了科學,還有哲學、宗教或者神學等其他方式可以幫助我們思考宇宙的奧秘。哲學通過嚴謹的邏輯推理來探討宇宙的本質和規律,在邏輯層面上具有自洽性;而宗教或神學則更多地依賴于主觀信仰,為人們提供一種精神層面的寄托和對宇宙終極問題的解釋。

然而,人類始終致力于運用科學的手段去詮釋宇宙的奧秘。



畢竟,回顧人類文明的發展歷程,我們今天所取得的幾乎所有偉大成就,都離不開科學的強大力量。要想用科學手段徹底詮釋宇宙起源等深層次問題,就要求我們必須勇于突破傳統思維的枷鎖,甚至要嘗試突破四維時空對我們認知的束縛。

只有這樣,我們才有可能站在更高的視角,以一種類似 “上帝視角” 的方式,重新審視宇宙的起源,逐步揭開宇宙那神秘而又迷人的面紗。

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