很多朋友都會問下面這些問題：誰給大爆炸提供了能量？為什么沒有炸出來反物質(zhì)呢？大爆炸之前是什么？大爆炸的中心在哪里？宇宙的邊在哪里？我們會跟著宇宙一起膨脹嗎？宇宙會一直膨脹下去嗎？宇宙的未來是什么？
這些問題，有些是大家的誤解，有些學(xué)術(shù)界目前也不能給出確定的回答。更重要的是，如果上網(wǎng)搜索，你會看到各種稀奇古怪的回答，但是在正規(guī)的天文學(xué)書里卻找不到這些問題的答案，或者即使找到了，你也會被那些學(xué)術(shù)術(shù)語和復(fù)雜的公式方程嚇退。
在這堂課里面，我將澄清一些誤解，也對那些學(xué)術(shù)界一般不用通俗的語言解釋甚至還沒有確切答案的問題，盡量給讀者做一些初步的介紹和回答，滿足讀者的好奇心。
誰給大爆炸提供了能量
“砰”的一下，就炸出來了一個(gè)宇宙，產(chǎn)生了這么多物質(zhì)和天體，而且這些天體今天還在宇宙中飛跑，那得多少能量??！這些能量都是從哪里來的呢？
其實(shí)在宇宙中，爆炸是經(jīng)常發(fā)生的，而且不一定要從外邊提供什么能量。比如，大家都聽說過超新星爆發(fā)，而超新星爆發(fā)就不需要外部提供能量，它自己就爆炸了。簡單地說，如果有一大團(tuán)物質(zhì)，在自身的引力作用下就會發(fā)生收縮，我們叫作引力坍縮。在這個(gè)收縮過程中，引力勢能轉(zhuǎn)化成為物質(zhì)的動能，所以在沒有其他事情發(fā)生的情況下，這些高速運(yùn)動的物質(zhì)最后就會撞在一起，發(fā)生一個(gè)劇烈的爆炸。但是這并不是我們看到的超新星爆發(fā)，原因在于：這一團(tuán)物質(zhì)收縮的過程中的確會發(fā)生其他事情，比如形成了恒星和行星，我們的太陽系就是這么形成的。
超新星爆發(fā) | 《極簡天文課》
恒星靠它內(nèi)部的核聚變產(chǎn)生能量來抵抗進(jìn)一步的引力收縮，但是恒星內(nèi)部的核聚變過程最終是會停止的，失去了內(nèi)部能源的恒星只好繼續(xù)做引力坍縮。接下去就有兩種可能了：一種可能就是在中心首先形成了一個(gè)黑洞，那么剩下的物質(zhì)跑到了黑洞視界面就直接進(jìn)去了，所以不會發(fā)生超新星爆發(fā)，銀河系內(nèi)的有些黑洞就是這么形成的。但是如果中心先形成了一個(gè)中子星，外面的物質(zhì)并不知道，仍然高速沖進(jìn)去，撞到了中子星很硬的表面，就會被反彈回去，這就是超新星爆發(fā)。所以，產(chǎn)生超新星爆發(fā)并不需要額外提供能量。
但是宇宙一開始可是什么都沒有，靠引力坍縮引發(fā)宇宙大爆炸很顯然不可行，那么怎么辦呢？一個(gè)出路就是奇點(diǎn)。我們一般認(rèn)為，黑洞的中心是一個(gè)奇點(diǎn)，那里的各種物理量都發(fā)散， 尤其是能量和物質(zhì)密度都是無窮大。既然是無窮大，那么奇點(diǎn)爆發(fā)產(chǎn)生出來一個(gè)宇宙就可能了。但是黑洞的奇點(diǎn)是被黑洞的視界包圍著的，不會影響黑洞外面的世界。然而，如果有一個(gè)沒有被黑洞視界包圍的奇點(diǎn)， 這個(gè)奇點(diǎn)就可以產(chǎn)生宇宙大爆炸了。霍金和彭羅斯于1970年證明了一個(gè)奇點(diǎn)定理，而奇點(diǎn)定理要求的條件看來是可以滿足的。于是，宇宙大爆炸需要的奇點(diǎn)就可以有了。
黑洞的中心是一個(gè)奇點(diǎn) | EHT
但是，讀者們可能又要問了：奇點(diǎn)是從哪里來的呢？奇點(diǎn)產(chǎn)生之前是什么呢？這就不是大爆炸理論所能夠回答的了。
為什么沒有炸出來反物質(zhì)？
前面提到，大爆炸開始產(chǎn)生了高速運(yùn)動的夸克、膠子、電子等基本粒子及其反粒子，因?yàn)榘凑宅F(xiàn)有的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，正反粒子總是成對產(chǎn)生的，而且在我們的高能粒子對撞機(jī)中，也總是觀察到正反粒子是一起產(chǎn)生的。但是，為什么今天的宇宙中就只有物質(zhì)而沒有反物質(zhì)呢？為什么宇宙一開始產(chǎn)生了同樣數(shù)量的正反粒子，但是最后反粒子都消失了以至于沒有形成反物質(zhì)呢？
每個(gè)基本粒子都有自己的反粒子，它們的質(zhì)量相同但電荷相反 | ESO，N. Bartmann
可能你會問，也許就是地球上沒有反物質(zhì)，宇宙其他地方的反物質(zhì)可能就很多呢？這種可能性已經(jīng)被觀測否定了，因?yàn)槲覀兛梢杂^測到來自宇宙中其他地方的宇宙射線，這些宇宙射線中除了少數(shù)是在后來的高能作用過程中產(chǎn)生的反粒子之外，根本就沒有原初的反物質(zhì)宇宙射線。這就是困擾當(dāng)前科學(xué)界的一個(gè)重大疑難：宇宙反物質(zhì)丟失之謎。
還沒有答案不等于完全沒有線索，而這個(gè)線索很可能就和神奇的中微子有關(guān)系。我們在這里不談太多的物理學(xué)前沿問題，關(guān)于中微子的很多有趣故事就略過不講了。長話短說，同樣也是按照現(xiàn)有的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子是不應(yīng)該有質(zhì)量的，但是多年前科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，觀測到的來自太陽的中微子的數(shù)量比根據(jù)理論模型計(jì)算出來的少了大約1/3，這就是著名的太陽中微子短缺之謎。
但是后來發(fā)現(xiàn)，原來太陽產(chǎn)生出來的中微子真的沒有少，只是在傳播到地球的過程中，有些中微子變成了其他類型的中微子，但是一開始只測量了一種中微子，后來就把這些中微子找回來了。一種中微子能夠自發(fā)地變成另外一種中微子的過程就叫作中微子振蕩，而中微子振蕩背后的理論機(jī)制就是中微子有質(zhì)量。2015 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就授予了物理學(xué)家梶田隆章和阿瑟·麥克唐納，獎(jiǎng)勵(lì)他們發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩。
在傳播到地球的過程中，有些太陽產(chǎn)生出來的中微子變成了其他類型的中微子 | USGS / Public domain
那么，為什么中微子違反了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型而具有質(zhì)量呢？我們目前并沒有答案，但是有一些研究表明，這很可能就和宇宙的反物質(zhì)丟失之謎有關(guān)。所以，研究小小的幾乎沒有質(zhì)量的中微子，竟然有可能揭開關(guān)于宇宙大爆炸的重大疑難。
大爆炸之前是什么？
宇宙的中心在哪里？
刨根問底是有科學(xué)素養(yǎng)的一個(gè)表現(xiàn)。我在做科普報(bào)告的時(shí)候，經(jīng)常會聽到這些問題：那么大爆炸之前是什么？宇宙的中心在哪里？
在大爆炸理論的框架下，是沒有大爆炸之前這個(gè)問題的，因?yàn)榇蟊ɡ碚撝荒芑卮鸫蟊ㄒ院蟮氖虑?，而霍金和彭羅斯的奇點(diǎn)定理又把允許大爆炸的發(fā)生推給奇點(diǎn)，奇點(diǎn)本身是沒有之前的，奇點(diǎn)消失了才產(chǎn)生了大爆炸，所以只有以后。當(dāng)然，奇點(diǎn)定理是廣義相對論框架下的結(jié)果， 如果我們考慮量子力學(xué)效應(yīng)，那么就不允許這樣的奇點(diǎn)存在，因?yàn)樵诹孔永碚摾锩?，在極高密度和極高能量下，量子漲落必然非常強(qiáng)烈，時(shí)間和空間都會變得不確定，所能夠允許的最短時(shí)間就是所謂的普朗克時(shí)間， 也就是10-43秒。既然不允許比這個(gè)時(shí)間更短，當(dāng)然就沒有零時(shí)間，也就沒有零之前的時(shí)間了，當(dāng)然就根本沒有奇點(diǎn)之前這個(gè)概念了。
大爆炸理論只能回答大爆炸以后的事情
我們觀測到所有遙遠(yuǎn)的天體都是背對我們膨脹，似乎我們處于宇宙膨脹的中心，但這只不過是我們的觀測視覺效應(yīng)。其實(shí)在宇宙中的任何地方觀測，都會看到所有遙遠(yuǎn)的天體也都是同樣的背對我們膨脹，而這正是對哈勃定律的最簡單解釋。
從另外一個(gè)方面思考，既然我們的宇宙是產(chǎn)生于一個(gè)奇點(diǎn)，我們總可以問這個(gè)點(diǎn)在哪里吧？其實(shí)這也是一個(gè)誤解。我們說的奇點(diǎn)，并不真的是已有空間中的一個(gè)無限小的區(qū)域，而指的是所有地方的密度和能量都無限大的一種宇宙狀態(tài)。那時(shí)候宇宙中處處的密度和能量都無限大， 也就是整個(gè)宇宙都是奇點(diǎn)，并不是指宇宙是一個(gè)點(diǎn)，因此就沒有宇宙的中心是哪里這個(gè)問題了，因?yàn)樘幪幎际侵行囊捕疾皇侵行摹?/div>
就只能把鍋甩給奇點(diǎn)嗎？
用奇點(diǎn)作為宇宙大爆炸開始的“接鍋俠”，雖然簡單，但是并不能令人滿意，因?yàn)檫@只能解釋奇點(diǎn)是可能出現(xiàn)的，不但沒有回答為什么會有奇點(diǎn)，而且不能說明就必須有奇點(diǎn)。大爆炸宇宙學(xué)模型還有其他困難， 最主要的是三個(gè)，即磁單極粒子、巧合性和視界疑難。
英國物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac，1902—1984）早在1931年就利用數(shù)學(xué)公式預(yù)言了磁單極粒子的存在。當(dāng)時(shí)他認(rèn)為既然帶有基本電荷的電子在宇宙中存在，那么根據(jù)對稱性，理應(yīng)帶有基本“磁荷”的粒子存在。在這之前，狄拉克就用類似的方法成功地預(yù)言了正電子的存在，從此開啟了研究反物質(zhì)粒子之門，所以狄拉克的預(yù)言就引起了大家的重視。后來的粒子物理大統(tǒng)一理論也預(yù)言了磁單極粒子的存在。然而， 尋找磁單極粒子的各種實(shí)驗(yàn)都沒有探測到磁單極粒子，盡管不能排除磁單極粒子的存在，但是至少說明宇宙中磁單極粒子非常少。
有史以來第一張正電子的云室照片。水平粗線是鉛板，正電子進(jìn)入了左下方的云室。| Wikimedia Commons, Carl D. Anderson / Public domain
第二個(gè)疑難是巧合性問題，盡管宇宙中的天體多姿多態(tài)，宇宙整體的參數(shù)太像是人為給出來的，比如宇宙的所有物質(zhì)和能量之和貌似恰好讓宇宙的時(shí)空是平坦的，而在廣義相對論里面，彎曲時(shí)空才是自然的。
彎曲時(shí)空概念圖 | ESA, C.Carreau
第三個(gè)疑難是視界問題。由于宇宙整體的尺度非常大，比如相距最遠(yuǎn)的兩端的距離是接近500 億光年遠(yuǎn)，而宇宙的年齡只有不到140億年， 所以即使以光線聯(lián)系，相距最遠(yuǎn)的兩端也不可能建立任何因果關(guān)系，因?yàn)椴豢赡艹霈F(xiàn)超光速的通信。但是，各種觀測表明，宇宙對面的“模樣”竟然幾乎一樣，似乎私下里已經(jīng)有過了交流，它們是怎么交流的呢？
對數(shù)標(biāo)度的可觀測宇宙圖 | Wikimedia Commons, Unmismoobjetivo / CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)
為了解決這個(gè)問題，當(dāng)時(shí)年輕的物理學(xué)家阿蘭·古斯（Alan Guth， 1947—）就提出了一個(gè)古怪的想法：其實(shí)現(xiàn)在距離特別遠(yuǎn)的宇宙，一開始距離很近，是可以建立因果關(guān)系的，而且也進(jìn)行了充分的交流，當(dāng)然那時(shí)候宇宙的密度和能量特別高，所以也有很多磁單極粒子，然后突然宇宙就開始了一個(gè)比大爆炸還厲害得多的膨脹，被稱為暴脹。在這個(gè)期間，宇宙的尺度不是按照哈勃定律那樣線性增加，而是指數(shù)增加，在幾乎注意不到的極短時(shí)間內(nèi)，宇宙的尺度就變得比較大了，原來正在密切交流的局域還沒有來得及說“再見”就已經(jīng)到了以光速通信也不可能了，所以后來盡管分開得已經(jīng)很遠(yuǎn)了，但是當(dāng)時(shí)的模樣被保留了下來。這樣就解決了視界問題。
可以在這個(gè)框架下計(jì)算，即使一開始宇宙很不平坦，但是由于膨脹的速度太快，任何不平坦都會瞬間被拉平，與最簡單的整理床單有異曲同工之妙。拉平之后，誰又能知道以前是怎么凹凸不平的呢？同樣，即使一開始宇宙中磁單極粒子很多，但是由于膨脹的速度太快了，根本來不及產(chǎn)生新的磁單極粒子，到了正常的大爆炸階段，宇宙中的磁單極粒子密度就已經(jīng)非常低了，所以現(xiàn)在根本就探測不到了。
拉平之后，誰又能知道以前是怎么凹凸不平的呢 | 圖蟲創(chuàng)意
所以，暴脹宇宙學(xué)模型竟然一石三鳥就解決了困擾標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型的三個(gè)疑難問題。當(dāng)然，用暴脹模型作為宇宙大爆炸的開始，也自然避免了我們前面說的奇點(diǎn)問題。
本次，張雙南老師為我們帶來了四個(gè)關(guān)于宇宙大爆炸問題的回答。本篇文章選自張雙南老師所著的《極簡天文課》一書。
本書用簡潔和通俗的語言，以講故事和回答問題的方式介紹了天文學(xué)對人類認(rèn)識宇宙的幾次飛躍、天文學(xué)和現(xiàn)代自然科學(xué)的關(guān)系、科學(xué)和文化的關(guān)系，以及天文愛好者和公眾最關(guān)心的天文學(xué)的若干主題與最新進(jìn)展。本書的主要內(nèi)容取自作者廣受歡迎的分答小講“極簡天文課”，并在原來內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的修改和補(bǔ)充，配上生動的插圖，加入與聽眾的互動內(nèi)容，進(jìn)一步增加了可讀性，解答了公眾關(guān)心的相關(guān)問題。本書可供對科學(xué)、宇宙和未來充滿興趣的大眾讀者閱讀。
作者：張雙南
編輯：張莉
排版：凝音
在“我是科學(xué)家iScientist”后臺關(guān)鍵詞“張雙南”，即可查閱張雙南專欄合集
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