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宇宙的质量从何而来?科学家给出了详细的答案,看完恍然大悟

2019-08-28  风飞扬柳

这是关于人类存在的最基本问题之一——所有我们周身可见之物最开始是如何被创造的?总有很多很有哲学深度的回答,一些是和宗教挂钩的,试图在当代思维的框架中解构这个问题。然而今天,我要从一个不同的角度谈谈这个问题:

让我们谈谈科学吧!

宇宙的质量从何而来?科学家给出了详细的答案,看完恍然大悟

原来,现代宇宙学对这个问题的解释之玄妙超出你的想象。其实我自己都不敢相信这些解释,不过来自最新望远镜的观测结果已经证明,我将要告诉你们的百分之百是真实的!

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首先,你们想知道宇宙的质量从何而来吗?是这样的:质量是在宇宙大爆炸后10^-36秒的暴胀期,统一场论中量子对的对称性破缺产生的潜能转换而来。

这样啊,嗯…

所以,到底这一连串听不懂的词语是什么意思呢?其实只要你懂得一些物理学的概念,这句话并不难理解。

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让我们先来了解一下,为什么“对称”里包含了“潜能”。原来,这是这种能量形成了我们周身的一切质量。这个理论实际上相当简单。

这是一个建筑物。这是一个砖、灰泥和木头等材料的集合。这是一座包含有潜能的建筑。这种能量来自一砖一瓦盖成它的建筑工人。之所以称之为潜能,是因为只要建筑物完整,它就不能被释放出来。

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然而,正如前文所言,一旦出现了合适的导火索,这种潜能就可以被释放。一个小的爆炸源只要被放在适当的位置,就能使整栋大楼顷刻间化为一堆碎石。物理学家称之为对称破裂,因为你已经打破了大楼原有的“对称性”,而将其内容变成无定形的堆砌。你已经产生了熵,进而释放出潜能,我们可以通过声音和断壁残垣观察到这个过程。

好了,现在我们来把这个概念应用到早期的宇宙吧。

普朗克时期(大爆炸之后10^−43)的宇宙是一个酷热又拥挤的地方。这种热使得宇宙中四分之三的自然之力都被统一了:电磁,弱核力和强核力。这被称为大统一理论(GUT)。这些力量的统一本身即是某种形式的对称——其中就包括潜能。

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现在我们继续在时间中前行,来到宇宙大爆炸之后的10^−36秒。此时的宇宙在快速暴胀和冷却。冷却到一定程度,GUT的对称便破裂了——强核力从电弱力中分离出来。这种对称的破裂释放出了可怕的能量。

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这种能量是如此可怕,它可以驱使宇宙极其快速地暴胀,最终超过初始尺寸的10^60倍,而这一切仅在10^−32秒内完成!这短时间被称为暴胀期。请注意,就像现在的宇宙暴胀一样,这是空间本身的延伸,相对于周围空间任何物体都无法超过光速——在这个过程中相对论始终成立。

宇宙的质量从何而来?科学家给出了详细的答案,看完恍然大悟

现在我们来到了一个神奇的部分:暴胀会从暴胀能量中产生质量。

想要了解其中的原理,你必须忘记你在学校会学的一些知识:真空不是空的!

相反地,真空中充满了粒子和反粒子,这些粒子只能存在非常短的时间。它的物理学理论基础是海森伯测不准原理。这就表示你可以违反物理学的神圣教义——能量守恒原理——但是根据公式Δt=ℏΔE,这只能在一个极短的时间内。ℏℏ是普朗克常数,一个非常小的值。

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因此,真空能成对产生一个粒子和一个反粒子,但是他们被管得很严:他们必须在很短时间内再次湮灭。充满能量的真空能产生大量的粒子。现在真空已经没有很多能量,但我们仍能通过一些实验来检测到这种成对产生,比如卡什米尔效应。

然而问题的关键在于,当暴胀发生时,“非常短的时间”并不真的那么短——它几乎与整个宇宙的寿命相当!因此,真空里充满了成对产生的粒子。记住,粒子和反粒子在任何方面都是相反的——除了质量。他们的质量都是正的。因此在现实中,成对产生是从真正的虚空中产生了质量。

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通常这种质量会湮灭成为能量,然后所有一切会被遗忘。然而,当暴胀发生时,如果有两个在短时间内将一起再次湮灭的粒子会移动得距离彼此非常非常远。他们如果找不到自己的灵魂伴侣反粒子,便不能湮灭。于是乎,他们便留下成为真实有形的质量,不再是海森伯的量子想象中虚构出来的事物。

如此一来,量子波动就被冻结,质量从能量暴胀中被有效地创造出来。这个过程中预测出的扰动频谱几乎与普朗克在CMB中测出的完全吻合。这就是著名的Harrison-Zel’dovich频谱,谱指数ns=1,由于暴胀结束时产生的影响,其真实值应该会略低于这个值。普朗克测试得到的是ns=0.97。这是一个强有力的验证,表明这种耸人听闻的想法居然是真的!

宇宙的质量从何而来?科学家给出了详细的答案,看完恍然大悟

好了,朋友们,宇宙的质量就是从这里而来。

最后一个要解答的问题是:最初的宇宙为何酷热而拥挤呢?恐怕在我们的物理学理论能够追溯回10^−43秒的普朗克时期时我们才能回到这个问题——而这得等我们有一个量子引力学理论才行。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. quora-微澜光

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