宇宙從哪裏來，如何終結，無中生有的宇宙

大家好,不知道各位喜不喜歡看星星? 在仰望星空的時候,面對着浩瀚無垠的銀河的時候, 你有沒有想過,我們生活的地球是從哪裏來的呢? 那些遠處的星星又是什麼? 我們的宇宙到底有多大? 今天,我們要給大家講的這本《無中生有的宇宙》 就能夠讓你瞭解宇宙的前世今生。 聽完這本書之後,相信大家至少會了解以下這幾個問題。 爲什麼說宇宙像吹氣球一樣在不斷的膨脹? 爲什麼真空裏並不是一無所有? 爲什麼在很久很久以後,我們可能再也看不到星星了? 帶着這些問題,跟着我來一次宇宙之旅吧! 大質量的物體會讓時空發生扭曲? 幾個世紀以來,人們都認爲, 要解決宇宙中所有物體的運動, 用牛頓的萬有引力定律就足夠了。 不過後來,科學家們觀察到了一些遙遠又巨大天體的特殊行爲, 比如水星和海王星。 爲了解釋這些神祕的引力現象, 愛因斯坦在二十世紀初開創了相對論。 相對論一出,就在當時的物理學領域引發了一場大革命, 也給科學家們認識宇宙,打開了一個全新的視角。 那麼相對論說的究竟是些什麼呢? 愛因斯坦相對論分爲狹義相對論和廣義相對論。 其中,狹義相對論主要討論的是時空的結構。 他認爲空間和時間並不是相對獨立,而是存在着緊密的聯繫。 因此,時間流逝的速度和物體運動的速度有關。 同時這個理論也說明光的速度是全宇宙當中最快的。 狹義相對論還提出質量和能量之間是可以轉換, 這就是大名鼎鼎的愛因斯坦方程式1等於mc的平方。 廣義相對論又是什麼呢? 他討論的主要是引力,論證了質量大的物體會讓時空扭曲。 這聽上去是不是感覺有點玄乎啊? 給你舉個容易理解的例子, 當我們把一塊大理石放在一層薄薄的橡膠上的時候,橡膠就會發生彎曲變形。 同樣的道理,大質量的物體就相當於大理石,而橡膠片就相當於時空。 物體質量越大,時空就扭曲得越厲害,它周圍的物體也會受到更大的拉力。 科學家們通過引力透鏡效應證明了時空扭曲的存在。 那什麼是引力透鏡效應呢? 大家還記不記得物理課上學過的透鏡? 光線經過透鏡會發生偏折。 同樣的,如果天體的質量太大,它所產生的巨大引力就像是一面透鏡,也會讓周圍的光發生彎曲。 天文學家就經常用引力透鏡效應來研究藏在大質量天體背後的恆星和星系。 宇宙正在不斷膨脹,而且速度越來越快。 在不久之前,人們還堅信我們的銀河系是宇宙的中心, 而宇宙是靜止而永恆的。 直到有一天,物理學家喬治·勒梅特用愛因斯坦的廣義相對論推出宇宙並不是靜止的,而是在不斷的膨脹。 此言一出,當時的人們都覺得特別的不靠譜,甚至連愛因斯坦本尊都跳出來反駁, 說勒梅特數學學得還不錯,但是物理卻糟糕的透頂啊。 不過,好的科學理論總是經得起檢驗的,勒梅特的理論最終被經驗觀察證實。 其中一些證據就來自於美國天文學家維斯托·斯里弗, 他觀察了遙遠星系當中異常明亮的恆星,更準確點說是這些恆星發光的顏色。 根據多普勒效應呢,如果光源在逐漸遠離,它所發出的光就會被拉伸波長變大。 那麼,我們所觀察到的光顏色就會偏紅,因爲紅光在光譜的波長中比較大。 有些朋友會不會覺得聽得有點懵了,我們再舉個生活當中的例子就非常好理解了。 大家都聽過救護車的聲音吧,當救護車從我們身邊經過越開越遠的時候,警報聲的聲波被拉長,我們聽到的聲音呢也會變得越來越低。 不信啊,下次再聽到救護車聲音的時候,你可以仔細地留意一下。 那麼,通過觀察和測量那些遙遠的恆星變紅的現象,斯利夫推測,其他星系中的大部分天體都在慢慢地離我們越來越遠。 這說明,正如勒梅特的理論所預測的那樣,我們的宇宙確實是在不斷地膨脹。 1929年,聽聞學家艾德文·哈勃取得了另外一個關於宇宙膨脹的突破性進展。 他發現,離我們越遠的星系,它們離我們而去的速度也越快。 這就是著名的哈勃定律。 它說明,宇宙不僅在膨脹,而且膨脹的速度還是越來越快。 我們知道,有動力纔會加速啊,那麼加速宇宙膨脹的動力又到底是從哪裏來的呢?我們接着往下聽。 關於宇宙在膨脹的發現中還包含了一條隱藏的線索,那就是宇宙起源於很久以前的一個單點的大爆炸。 根據我們已有的經驗觀測結果,再加上配套的理論預測,我們就有了支持宇宙大爆炸理論的有力科學證據。 這其中一部分的證據就是來自於星系的運動。 通過追溯它們過去的運動軌跡和運動速度,科學家們發現,在歷史上的某個時期,這些星系的位置是高度重合的。 這就意味着它們曾經出現在同時同地。 根據推測的,大約在137億2000萬年前,整個宇宙就像是一塊壓縮餅乾被緊緊地壓在一個單點裏。 此外,組成我們宇宙當中的各種原子也是大爆炸理論的重要依據。 這個理論說,宇宙當中所有的物質都被壓縮在又稠又熱的等離子體裏。 隨着宇宙溫度下降,等離子體裏的質子和中子就開始形成原子核。 通過模擬當時的條件,我們就可以預測在這個過程當中可能會形成哪些原子。 結果,科學家們預測的氫、氦、鋰等氫元素在宇宙當中的相對含量與實際觀測的完全一致。 這就爲宇宙大爆炸理論提供了強有力的證據。 從恆星的運動到氫元素的丰度,現代科學讓我們看到了一幅關於宇宙起源和演化的完美畫卷。 那就是宇宙從一個炙熱的單點誕生,在大約140億年前的一次大爆炸之後一直在不斷的膨脹,成爲了今天我們所生活的世界。 宇宙是平坦的,它的膨脹速度將會逐漸變慢。 我們之前說到,宇宙是在不斷的膨脹的,但與此同時還有一股力量在把宇宙往回拉,那就是引力作用。 這就產生了一個困擾宇宙科學家們很久的疑問。 從長遠來看,引力作用是不是足夠與宇宙膨脹抗衡呢? 這個問題的答案將決定宇宙的形狀和命運。 下面我們就來看看有哪些可能情況。 首先,如果引力更強,那麼整個宇宙就會被重新的拉回到一塊。 這個過程正好與宇宙大爆炸是相反的,它被稱爲宇宙大坍縮,最終會形成一個閉合宇宙。 如果擴張力更強,那麼就會形成開放宇宙,也就是說,我們的宇宙將會永無止境的膨脹下去。 還有第三種結局,如果最後這兩種作用力相互平衡了,那麼膨脹的速度就會慢慢的下降,但又不會發生坍縮,也就形成了平坦宇宙。 科學家們已經證實了第三種猜想,也就是平坦宇宙說,按照這個理論,引力和膨脹力相互抵消,所以整個宇宙的總能量等於零。 其實,科學家們在很久以前就通過數學演算得到了這個推論,但是和所有正確的科學理論一樣,必須要通過觀測到的數據來驗證。 那麼,怎麼可以證明宇宙是平坦的呢?2003年,有一項關於宇宙微波背景輻射的研究就給我們提供了最好的證據。 宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸遺留下來的熱輻射,這就好像是大爆炸之後的落日餘暉,從它的分佈當中,我們可以看到早期宇宙的形狀。 通過比較宇宙微波背景輻射的檢測結果和之前的數學推測,就能夠確定宇宙究竟是開放的、閉合的還是平坦的。 最終科學家們就發現,只有平坦宇宙模型符合實際的檢測結果,也就是說,宇宙的膨脹速度將會逐漸減慢,最終以極其緩慢的速度膨脹下去。 真空裏充滿了看不見的暗物質和暗能量。 在過去很長一段時間裏,宇宙學家們都堅信組成宇宙的東西都是看得見的,比如說恆星和行星。 然而呢,現代科學觀察結果卻帶來了一個重大的發現,宇宙中的大部分物質實際上都是看不見的。 它們存在於虛無的真空當中,物理學家把它們叫做暗物質。 通過觀測銀河系的自傳,宇宙學家們意識到,要想合理地搞清楚這個現象,唯一的可能就是銀河系的總重量比那些可見物質加起來還要大,而這些看不見的物質就是暗物質。 接下來,科學家們想要搞清楚,星系之間廣闊的真空裏是不是也有暗物質。 通過檢測光線通過這些時空時發生的彎曲程度,他們推斷這其中一定有一些物質在產生引力,這些引力就來自暗物質。 事實上,整個宇宙90%的質量都是由暗物質組成的,那前段時間我國發射的衛星悟空就是一顆暗物質粒子探測衛星。 除了看不見的物質,科學家們還發現真空當中也隱藏着看不見的暗能量。 那既然我們都說是看不見的,科學家們又是怎麼發現它們的呢? 我們之前討論過的宇宙正在加速膨脹,那麼背後一定有什麼能量在推動。 但是宇宙當中可是一片真空啊。 因此呢,唯一合理的解釋就是,在宇宙的真空中其實充滿了某種能量扮演了推動力的角色,它呢就是暗能量。 不過,暗能量到底從何而來卻還是一個未解之謎。 那,說到這兒,朋友們應該明白了,我們身處的宇宙居然是由我們看不見摸不着的物質和能量所主宰的,是不是會覺得特別的神奇啊? 這還暗示了另外一個讓人驚奇的消息,宇宙裏的質子和中子遠遠不足以形成那麼多的暗物質, 也就是說,宇宙當中一定還藏着我們所不知道的元素粒子等待着我們去發現。 會不會聽着就讓人非常的興奮呢? 看似一無所有的真空裏其實充滿了極生極滅的虛粒子。 提到真空,你的第一反應可能是說,裏面什麼都沒有。 不過,真空中並不是一無所有的,因爲粒子物理學的最新發展已經證明, 在非常小的亞原子尺度上,我們所謂的真空其實就是像一杯裝滿了虛粒子的啤酒咕嚕嚕的冒着泡。 這些虛粒子在瞬間產生又轉瞬即逝,速度快得讓人無法測量。 那麼爲什麼這些虛粒子擁有這些神出鬼沒的本領呢?答案就在反粒子上。 1928年,物理學家保羅·狄拉克提出了一種與電子一樣的新粒子,但是所帶的電荷卻與電子截然相反。 兩年後,人們在觀察宇宙射線的實驗中發現了證據,證明了這種粒子確實存在,並且把它們命名爲正電子。 現在呢,我們就把正電子叫做電子的反粒子。 科學家們已經發現,自然界中幾乎所有的基本粒子都有着與它相對的反粒子。 比方說,質子有反質子,而中子則有反中子。 當一種粒子和它的反粒子同時產生並相遇的時候,它們就會相互湮滅,完全轉化成能量並被釋放。 這個過程特別的迅速,以至於科學家們根本就沒法直接的檢測。 因此,它們就好像從來沒有存在過一樣。 這些同時產生的一對一對的粒子和反粒子,就是我們之前提到的虛粒子。 這些即生即滅的虛粒子構成了整個宇宙當中90%的質量。 我們都知道,物質是由原子組成的,而原子又是由質子和中子組成的。 再往下說,質子呢,又是由更小的夸克和夸克之間的真空組成的。 當然了,當科學家們測量質子的質量的時候,卻發現質量竟然並不在於夸克,而是在夸克之間的真空。 既然我們每個人也是由質子和中子組成的,那就是說和宇宙一樣,我們90%的質量也是由這些神祕的真空所組成。 宇宙可能起源於真空中一個迅速暴漲的微小區域。 現在,科學家們都相信,在大爆炸發生後的幾秒鐘內,宇宙通過快速膨脹而產生。 雖然到現在我們還沒有搞清楚爆炸的具體原因,但從根本上來說,是真空中的一些微小區域發生了指數級的膨脹,並且十分迅速地覆蓋到了現在宇宙的範圍。 隨着宇宙不斷地膨脹,宇宙中的真空區域也會跟着增長。 那麼,我們之前提到的真空中的暗能量也會不斷地增加。 根據愛因斯坦方程式E等於mc平方,到了宇宙停止爆炸的時候,一部分暗能量就轉化成了物質。 那麼,真空以外的物質又是從哪來的呢? 不知道你還記不記得剛纔說過的虛粒子,它們是成對出現又成對消失的粒子和反粒子。 不過,它們的數量有時候也會發生暫時的失衡,這種情況就叫做量子漲落。 在宇宙形成的初期階段,某一次量子漲落讓粒子的數量超過了反粒子。 這個短暫的過程原本微不足道,但是它卻恰巧地發生在了宇宙暴漲的時候。 於是,效果被拉長放大,影響到了整個宇宙。 因此,在部分區域,真空中的能量以粒子的形式被凍結了。 也就是說,這些能量轉化成了物質。 這些物質遍佈整個宇宙,開始對它們周圍的其他物質產生引力,慢慢地抱團,最終就形成了今天我們所看到的星系和星系團。 所以啊,可以這樣說,包括我們在內的宇宙萬物都是量子漲落的結果,而宇宙在時間的起點上卻是一片的虛無。 宇宙會一直膨脹,直到我們不能再看到其他星系。 科學家們在研究宇宙的過去和未來的時候,根據的都是看得見的恆星和星系,也就是可觀察的宇宙。 但是,在我們看不到的地方其實還存在着數不清的星系。 因爲距離太過於遙遠,它們發出的光到達不了地球,我們也就永遠地沒法看到它們了。 另外,由於宇宙的膨脹,即使是那些我們現在看得見的星系,也可能會在將來的某一天從我們的視線裏消失。 那爲了方便大家理解宇宙膨脹的過程,我們可以這樣想象一下。 假如把星系都畫在氣球的表面上,然後咱們不斷地往裏邊吹氣,這些空氣就好像是之前提到的暗能量,隨着氣球不斷地漲大,把氣球表面的星系越拉越遠。 如果宇宙膨脹的速度太快,最終連光都會跟不上腳步,星系之間的距離就會越來越大。 並且距離增長的速度也會越來越快,最後甚至會超過在它們之間傳播的光速。 這就意味着,我們現在看得到的星系離我們而去的速度在未來還會不斷地增長,直到超過光速。 到那個時候,它們發出的光就永遠到不了咱們地球了,我們也就再也看不見它們了。 假如真的是這樣,我們就再也沒辦法探測遙遠的星星了,也就不能再從它們那裏得到有關宇宙的研究證據。 那麼,所有關於宇宙的起源和幾何形狀的看得見的證據都會消失,我們也將看不到任何宇宙大爆炸的證據,找不到暗物質和暗能量存在的證明,甚至無法知道宇宙正在膨脹的事實。 假如幾萬億年之後我們人類還存在,那時的物理學家觀測到的宇宙將會和愛因斯坦之前的人們看到的一樣,永恆而靜止。 因爲除了我們自己所在的銀河系,它們將看不到其他的任何星星,它們會像井底之蛙所能看到的顯然不是事實,但卻無從而至。 科學會根據觀察修正理論,而神學則企圖讓宇宙符合預先寫好的教義。 千百年來,人們瞭解宇宙的起源主要有兩種途徑,那就是科學和宗教。 不同的是,科學是基於事實證據,而宗教則是讓信徒盲目迷信他們對宇宙的認識,從而鞏固他們的信仰。 舉個歷史上的真實例子,在哥白尼觀察到地球並不是宇宙的中心以後,很長一段時間裏,天主教仍然堅持地球就是宇宙的中心。 甚至在今天,不少基督教徒還在無視各種證據,仍然堅持認爲世界只有六千年的歷史。 基於宇宙的起源,也沒有任何證據來支持神學的解釋,因爲既不能證明神的存在,也沒法證明神創造了宇宙。 相比之下,科學的奇妙就在於,在提出問題之前,我們誰都無法知道答案。 這就是爲什麼神學家通常會帶着目的和意圖問爲什麼,而科學家們則會問怎麼樣來分析形成特定現象的條件。 比如,一個神學家可能會問宇宙爲什麼會產生,還會用他對宗教的理解來解釋。 而科學家們則會問宇宙是怎樣產生的,並且根據我們所看到的世界去探索這個問題。 與凡是問爲什麼相比,問怎麼樣的問題往往會引導我們獲得新的知識,幫助我們更好地理解宇宙的奧祕。 宇宙到底是怎樣產生的,這個問題的最終答案可不會來自於猜測、天啓或者迷信,而只會來自於對大自然的探索。 好了,有關宇宙的過去、現在和未來,我們就先講到這裏。 相信,在這個千變萬化的宇宙裏,還有許許多多的神奇的東西等待着我們去發現。 我們下次再會了。