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宇宙誕生大邏輯(科學(xué))

 圓角望 2017-12-16

周掌柜點(diǎn)評:宇宙的誕生,以及宇宙學(xué)的大邏輯是我個人經(jīng)常會思考的,,看起來來很遠(yuǎn),,不過經(jīng)常從宇宙學(xué)中洞察到的是一種人類社會基本的原始法則。比如,,我一直認(rèn)為時間是線性鋪設(shè)的,,所以戰(zhàn)略規(guī)劃是可以“夢想成真”的。時間也可能有聯(lián)動的閉環(huán),,所以今天做任何彌補(bǔ)的事情都不晚,;而且“意念”可能具備宇宙級的引爆力,我們可以適時放棄唯物論的羈絆,??傊?,研究戰(zhàn)略需要思考這樣“務(wù)虛”的話題,本文值得一讀,。(周掌柜讀者微信號:zhouzhanggui000,,北京周掌柜管理咨詢有限公司總裁,中國商業(yè)“戰(zhàn)略思想”咨詢開創(chuàng)者,,多家全球知名公司顧問,,專注于研究華為成長史和任正非管理哲學(xué)。)


出處:本文原載《三聯(lián)生活周刊》


在廣義相對論出現(xiàn)之后誕生了宇宙學(xué),,人類第一次能夠通過科學(xué)手段來研究宇宙誕生和發(fā)展的過程,。隨著人類對宇宙觀測的深入,一個動態(tài)的宇宙模型取代了傳統(tǒng)的靜態(tài)宇宙模型——近年來宇宙學(xué)研究最主要也最令人驚奇的一個發(fā)現(xiàn),,就是宇宙正在加速膨脹,,對這個發(fā)現(xiàn)做出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家薩爾·波爾馬特(SaulPerlmutter)、布萊恩·施密特(BrianP.Schmidt)和亞當(dāng)·里斯因此獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎,。但是一個膨脹的宇宙帶給了人們更多困惑,,這意味著宇宙會有一個開端,也意味著宇宙有年齡,。

現(xiàn)代宇宙學(xué)理論認(rèn)為,,宇宙誕生于大約137億年前的一次宇宙大爆炸,在宇宙誕生的10-36秒之后,,嬰兒時期的宇宙經(jīng)歷了一次急劇膨脹,,在10-33秒的時間里,宇宙的體積膨脹了1078倍,,這次急劇膨脹也形成了我們現(xiàn)在居住的宇宙的基本架構(gòu),,這個過程被稱為宇宙暴漲。 

2011年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者薩爾·波爾馬特

盡管宇宙暴漲理論最初并不被人信服,,但是在20世紀(jì)80年代,,這個理論解決了宇宙學(xué)兩個重大疑問:為什么我們的宇宙空間幾乎是平直的(曲率非常小),?為什么宇宙空間中遙遠(yuǎn)的各處看上去相互關(guān)聯(lián),?這使宇宙暴漲理論獲得了許多支持者。隨后,,支持這個理論最有力的證據(jù)——宇宙背景輻射被發(fā)現(xiàn),,這是在137億年前宇宙暴漲時留在空間內(nèi)的回響,這個證據(jù)使得暴漲理論成為被宇宙學(xué)家們普遍接受的科學(xué)理論,。

疑問與矛盾依然存在,。如果初生宇宙經(jīng)歷過一次從極小到極大的暴漲,,那么,,宇宙在誕生之后、暴漲之前,又發(fā)生了什么,?如果把宇宙正在加速膨脹的過程回溯,,時間反演,我們就會看到宇宙逐步收縮,,最后回到了一個極小的原點(diǎn),,也就是宇宙誕生的那一刻。在宇宙暴漲之前,,還在嬰兒時期的宇宙處于一種密度和溫度都極高的狀態(tài),,這是一種極為特殊的狀態(tài),物理定律在這種狀態(tài)下也不再成立,,因此,,人們現(xiàn)在無法了解在宇宙誕生之后、暴漲之前這段時間所發(fā)生的一切,。

宇宙從剛剛誕生到一普朗克秒(10-43秒被稱為1普朗克秒,,這個時間被認(rèn)為是宇宙中最小的時間單位)之間的這個特殊時期,被稱之為“普朗克時代”,。宇宙學(xué)家們希望可以了解宇宙在誕生之后的每一個細(xì)節(jié),,他們對于在普朗克時代宇宙狀態(tài)的模糊不清無法滿意。宇宙為什么會忽然發(fā)生暴漲,?在暴漲之前一定還有其他的過程,,但是宇宙學(xué)家們至今仍然沒有足夠有力的理論武器來解決這個問題。

根據(jù)宇宙大爆炸理論,,宇宙誕生于一個奇點(diǎn),,而誕生初期的宇宙也只存在于一個極小的范圍內(nèi),它的整個長度甚至小于普朗克長度(普朗克長度大約只有1.6×10-35米,,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)在的基本粒子,,根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)理論,普朗克尺度是宇宙中最小的長度單位),,如何處理比普朗克長度更小的尺度上的問題,,現(xiàn)代物理學(xué)無能為力。

在極小的范圍內(nèi),,人類現(xiàn)實(shí)生活中常常被忽略的引力會變得與其他三種相互作用的強(qiáng)度相類似,。因此,研究在普朗克長度的尺度之下的物理學(xué),,科學(xué)家們不光需要利用描述物質(zhì)在微觀狀態(tài)下行為的量子力學(xué),,也需要通過幾何語言來描述引力的廣義相對論——要想深入理解宇宙的誕生過程,最終需要量子力學(xué)和廣義相對論的結(jié)合,。

對于量子力學(xué)與廣義相對論結(jié)合的研究,,正是現(xiàn)代物理學(xué)研究的最前沿,。目前,在這個領(lǐng)域有兩個主要的分支:弦理論和圈量子引力理論,。目前最為流行的是弦理論,,弦理論學(xué)家們一直致力于發(fā)展出一個物理學(xué)的大統(tǒng)一理論,用來解釋一切物理學(xué)現(xiàn)象,。相對而言,,在20世紀(jì)80年代才逐步發(fā)展起來的圈量子引力理論還不夠完善,研究者也比較少(做一個粗略的數(shù)字比較,,有452人參加2007國際弦理論會議,,156人參加2007國際圈量子引力會議)。

弦理論的藍(lán)圖更加廣闊,,目前的發(fā)展也更為迅速,,但是弦理論本身是建立在一個假設(shè)之上,即我們生活的宇宙是由11個維度的時空所構(gòu)成,,除了時間維度和三個空間維度之外,,其他的維度都微小而卷曲,通常不被察覺,。目前沒有任何實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證(也無法否定)這個令人驚奇的假設(shè),,因此弦理論至今也只能作為一個漂亮的數(shù)學(xué)模型而不是被物理學(xué)家們普遍接受的物理理論。圈量子引力理論相對現(xiàn)實(shí),,它希望可以結(jié)合量子力學(xué)和廣義相對論,,首先統(tǒng)一這兩個基礎(chǔ)物理學(xué)的支柱理論。圈量子引力理論得出的結(jié)論同樣令人驚奇:它描述了引力的量子化特性,,同時,,就像是物質(zhì)和能量的量子化一樣,時空本身也是量子化的,,時空是一種在極小尺度下的“編織物”,,被稱為“自旋泡沫”。

2011年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者布萊恩·施密特

弦理論與圈量子引力這兩種理論仍然在發(fā)展中,,“勝負(fù)”尚難預(yù)料,,科學(xué)家們還不知道未來物理學(xué)的基礎(chǔ)理論將是什么面目,但是如果把前沿的物理學(xué)假說運(yùn)用到宇宙學(xué)中,,卻可以給宇宙學(xué)家們一些另類的啟示,。德國物理學(xué)家馬丁·德約沃爾德(MartinDojowald)首先把圈量子引力理論運(yùn)用到宇宙學(xué)中,隨后,,在其他圈量子引力學(xué)家的努力下,,發(fā)展出了圈量子宇宙學(xué),它得出了不同于傳統(tǒng)宇宙學(xué)觀點(diǎn)的結(jié)論,。根據(jù)圈量子引力理論的推導(dǎo),,引力作用在極小的距離上會發(fā)生變化而轉(zhuǎn)變?yōu)槌饬?。這種斥力可以避免奇點(diǎn)的存在,宇宙不再是誕生于一個密度無限大的奇點(diǎn)中——物理學(xué)只能夠處理有限的情況,,物理學(xué)家們對于無限條件下的奇點(diǎn)無能為力,圈量子宇宙學(xué)把物理學(xué)家們從無限的尷尬中解脫了出來,。

不存在宇宙大爆炸的奇點(diǎn),,也就是說,并不存在“宇宙大爆炸”,,替代這個概念的則是“宇宙大反彈”——圈量子宇宙學(xué)家們認(rèn)為,,宇宙在某種條件下開始收縮,收縮到極小的普朗克長度以下后,,引力轉(zhuǎn)化為斥力,,這個微小的宇宙開始大反彈,進(jìn)而出現(xiàn)了宇宙暴漲,。圈量子宇宙學(xué)描述了普朗克長度以下宇宙的狀態(tài),,并且把初生時期的宇宙狀態(tài)和宇宙暴漲理論結(jié)合到了一起。與之類似,,宇宙中由坍塌的恒星所形成的黑洞也不再是由密度無限大的奇點(diǎn)所構(gòu)成,,通過圈量子宇宙學(xué),宇宙學(xué)家們可以計算出黑洞的熵值,。

還在發(fā)展中的理論總會給人們帶來希望,,但是人類目前仍然無法通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證弦理論或是圈量子引力理論提出的各種假說。2011年12月,,法國科學(xué)家奧雷利安·巴洛(AurélienBarrau)和他的同事在《物理評論快報》(PhysicalReviewLetters)雜志上發(fā)表論文《通過黑洞蒸發(fā)探索圈量子引力》(ProbingLoopQuantumGravitywithEvaporatingBlackHoles),,探討通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證圈量子引力理論的可能性。圈量子引力理論對于黑洞蒸發(fā)輻射的預(yù)測與現(xiàn)在物理學(xué)家們普遍認(rèn)同的霍金輻射有所不同,,因此,,只要人們可以通過實(shí)驗(yàn)測量黑洞的輻射情況,就可以驗(yàn)證圈量子引力理論正確與否,。但是這個實(shí)驗(yàn)計劃在很長一段時間內(nèi)也只能存在于理論中,,因?yàn)橐匀祟惸壳暗目萍妓剑€遠(yuǎn)不能去實(shí)地探測黑洞的輻射,。

我們的宇宙究竟誕生于一次“大爆炸”,,還是一次“大反彈”,這將是宇宙學(xué)家們長久研究和爭論下去的話題,。

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